Сделай сам бортовой вычислитель для полета на Сатурн

86
компоненты
радиационностойкие
Сделай сам
бортовой вычислитель
для полета на Сатурн
Александр Попович
[email protected]
Ч
то делать, если подходящей «готовой»
машины нет или ее цена неприемлема для проекта? Очевидный выход
из положения — сделать ее самостоятельно.
С одной стороны, задача создания бортового
компьютера для космического аппарата чрезвычайно сложна: высокие требования по надежности, радиация, значительные перепады
температур и потоки тяжелых заряженных
(как впрочем и незаряженных) частиц делают невозможным применение «обычных»
электронных компонентов класса industrial
и даже military. С другой стороны, требования по вычислительной мощности для множества бортовых приложений невысоки и,
за исключением схем многократного резервирования, «космические» компьютеры достаточно примитивны. Так, например, тактовая частота в 10 Мгц для системы управления
тяжелой космической платформой до сих пор
не выглядит неприемлемой, тогда как сотовым телефоном с процессором 400 МГц давно никого не удивить. Кажущееся простым
решение совместить опыт создания «земных»
микроконтроллеров со специализированной
«космической» элементной базой до сих пор
было нереализуемым из-за фактического отсутствия таковой.
Практическая невозможность быстрого создания специализированных ЭВМ для космических аппаратов в «лабораторных» условиях
до сих пор была предопределена отсутствием
на отечественном рынке в свободном доступе (если считать таковым доступ на условиях
лицензии ITAR) радиационно-стойкой элементной базы, ориентированной на создание
полноценных вычислительно-управляющих
систем. Безусловно, отдельные радиационностойкие микросхемы были доступны и ранее,
однако только в 2009 году появилась возмож-
При разработке космического аппарата вне зависимости от его назначения
обязательно возникает вопрос выбора бортового компьютера: вычислительно-управляющей системы, от работы которой в значительной мере зависит
выполнение миссии, какой бы она не была. Выпускаемые отечественной
и зарубежной промышленностью малыми сериями радиационно-стойкие
компьютеры «общего назначения» позволяют решить многие прикладные
задачи, однако практической унификации бортовых машин не наблюдается:
почти для каждого космического аппарата требуется свой собственный,
уникальный набор функций, и компьютеры постоянно модифицируются.
ность импортировать в Россию функционально-законченные микропроцессорные
комплекты и наборы компонентов для создания современных бортовых вычислителей
космических аппаратов.
Более 500 успешно работавших (или продолжающих работать) в космическом пространстве бортовых компьютеров, произведенных BAE Systems из собственных компонентов, подтверждают надежность и качество
элементной базы, выпускаемой компанией.
В рамках данной статьи обсудим, как из компонентов BAE можно собрать простой и надежный бортовой вычислитель.
Функциональная
схема вычислителя
Предположим, необходимо создать вычислитель, гарантированно работоспособный при накопленной дозе до 200 крад
и обеспечивающий стойкость к ТЗЧ с энергией <120 МэВ·см2/мг и нейтронным потокам до 11013 нейтрон/с. Допустим также,
что ожидаемый поток отказов должен быть
не хуже 110–4 отказов в сутки. С такими характеристиками можно осуществить дальнюю космическую экспедицию, например
для исследования планеты Сатурн.
Рис. 1. Функциональная схема простейшего бортового вычислителя космического аппарата
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2010
радиационностойкие
Используя компоненты BAE Systems,
изготовленные по технологии R25, о которых говорилось в статье [1], можно построить несколько разных схем вычислителей.
Рассмотрим одну из них (рис. 1).
Представленная схема представляет собой
простейший компьютер, состоящий из процессора, памяти и сетевого интерфейса.
Обеспечить надежность компьютера наиболее просто можно дублированием по схеме
«холодный резерв» с высоконадежным элементом переключения комплектов на основе ПЛИС низкой интеграции. Надежность
на уровне FIT 10, которую обеспечивают
ПЛИС RH1280, позволяет использовать этот
элемент как узел, контролирующий работоспособность компьютера в целом. Впрочем,
этот узел также может быть зарезервирован
дублированием.
Процессор и кэш
В качестве основы для вычислителя может
быть использован микропроцессор RAD750.
Мощный 32-разрядный процессор RAD750
представляет собой радиационно-стойкий аналог процессора IBM PowerPC 750.
Семейство процессоров PowerPC 740/750
появилось в 1997 году как альтернатива процессорам Intel Pentium и благодаря малому
энергопотреблению широко применялось
в ноутбуках и моноблоках. Так, например,
процессоры IBM PowerPC 750 применялись
в компьютерах iMac и iBook, выпускавшихся Apple. Несмотря на то, что развитие данного семейства для «гражданских» приложений фактически прекратилось несколько лет
назад, удачная архитектура процессора дала
семейству «вторую жизнь» в военных и особенно космических проектах. Сравнительно
небольшое (около 11 млн) количество транзисторов позволяет изготовить данный процессор по стандартной полупроводниковой
технологии 0,25 мкм с площадью кристалла
всего 130 мм2. Реализация «750-го» с помощью
технологии R25 позволила достичь тактовой
частоты 132 МГц при радиационной стойкости по накопленной дозе не менее 200 крад.
Как типичный представитель семейства
PowerPC 740/750, RAD750 использует шинный интерфейс “60x” c развитой системой арбитража шин данных и адреса, позволяющей
работать с различными схемами потокового
чтения и записи. Существенно ускоряет производительность системы на основе RAD750
система многоуровневого кэширования инструкций и данных. Непосредственно в кристалле реализованы два модуля кэш-памяти
по 32 К и контроллер L2 Tag, управляющий
синхронным 72-разрядным внешним кэшем L2. Шины адреса и данных системной
памяти и L2 снабжены линиями контроля
четности. Для отладки программного обеспечения реализован интерфейс JTAG, который
позволяет получить доступ к модулю аппаратного самотестирования процессора ABIST.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2010
компоненты
87
Рис. 2. Основные сигналы микропроцессора RAD750
Также к особенностям RAD750 следует отнести развитую схему динамического
контроля производительности и энергопотребления, позволяющую эффективно
управлять работой бортового вычислителя
в условиях ограниченных запасов электроэнергии на борту космического аппарата. Потребляемая мощность процессора
составляет от 400 мВт в спящем режиме
до 5 Вт в режиме максимальной активности.
Микросхема выпускается в керамическом
корпусе column grid array CCGA-360.
Микросхемы радиационно-стойкого синхронного кэша L2 объемом 128 К72 также
доступны от BAE Systems с минимальным
циклом чтения/записи 7,5 нс.
Интерфейс памяти и сети
В качестве моста между процессором
и «внешним миром», который, как правило,
состоит из запоминающего устройства и сетевого интерфейса, можно также применить
готовое изделие из микропроцессорного комплекта RAD750. Серийно выпускаются различные мосты, совместимые с шиной “60х”.
Наиболее интересное для разработчиков изделие содержит в себе двухканальный контроллер PCI, совмещенный с 4 каналами
SpaceWire (ECSS-E-50-12A) 260 МГц и интерфейсом памяти. Для обсуждаемого простейшего компьютера такой мост представляется
избыточным. В качестве альтернативы может
быть использована ПЛИС высокой интеграции, изготовленная по технологии antifuse,
например семейства Actel RTAX.
В ПЛИС могут быть размещены сложнофункциональные блоки (IP-модули) поддержки шины “60х”, сетевые интерфейсы
(например, SpaceWire и широко известный
MIL-STD-1553), а также модули обработки
дискретных сигналов, наиболее полно учитывающие специфику конкретного проекта.
В случае, если мощности сопроцессора
арифметики с плавающей точкой, входящего
в состав процессора RAD750, окажется недостаточно, дополнительные модули спецвычислителей также могут быть размещены
в ПЛИС. Наиболее подходящими микросхемами для этих целей являются, с учетом тре-
бований к радиационной стойкости, ПЛИС
Actel RTAX-DSP. В отличие от остальных
матриц Actel, в этих микросхемах дополнительно реализовано до 15 млрд операций
типа «умножение с накоплением» с 18-битными операндами в секунду.
Память
Архитектура запоминающего устройства
для простейшего компьютера представляется
несложной. Помимо кэша L2, подключенного непосредственно к микросхеме процессора, следует установить PROM для хранения неизменяемой программы «загрузчика»,
статическую оперативную память программ
и данных, а также энергонезависимую память для основного программного обеспечения компьютера.
В качестве PROM может быть использована antifuse микросхема 32 К8 в корпусе flatpack-28, серийно выпускаемая BAE
Systems. Выбор оперативной памяти значительно шире: в настоящий момент для российских потребителей доступны три семейства микросхем оперативной памяти:
Magnum, Millenium и «продукция особого
назначения» серии 190. Для заданного уровня радиационной стойкости вполне подходит Millenium, семейство высокоскоростных
микросхем радиационно-стойкой асинхронной оперативной памяти со временем чтения
и записи данных 15 нс. В настоящее время
разработчикам доступны различные конфигурации ОЗУ, например 512 К40 или 2 М8
в корпусе flatpack-84.
Для хранения программного обеспечения
BAE Systems предлагает C-RAM — семейство халькогенидных микросхем памяти
нового поколения на основе эффекта изменения фазы агрегатного состояния вещества, изготавливаемых по технологии R25.
Электрическое сопротивление наноэлемента
из сплава Ge-Sb-Te существенно отличается
в зависимости от того, в аморфном состоянии находится сплав или в кристаллическом.
Переход между фазами в наноэлементе осуществляется под воздействием специальных
импульсов тока длительностью не более
1000 нс. В отличие от элементов Flash, интерwww.kite.ru
88
компоненты
радиационностойкие
Итоги и перспективы
Рис. 3. Производство микроcхем по технологии R25 на заводе в Manassas (США)
фейс памяти C-RAM практически идентичен интерфейсу SRAM,
и многократная запись (до 100 000 циклов) может успешно проводиться и в сложной радиационной обстановке, что позволяет безопасно обновлять программное обеспечение компьютера уже в полете. В настоящий момент доступны различные конфигурации, вплоть
до 512 K32 в корпусе flatpack-84.
Если ограничить объем памяти PROM 32 кбайт, а SRAM и C-RAM
по 2 Мбайт, то в итоге модуль надежного радиационно-стойкого компьютера будет реализован всего на 6 микросхемах, совместимость
которых однозначно гарантируется производителем. По данному
пути, в частности, движется разработка бортового вычислительноуправляющего комплекса для перспективного космического проекта
NASA/ESA TSSM (научно-исследовательская экспедиция на Титан
и Сатурн, запланированная на 2020 год).
Если производительность центрального процессора все-таки недостаточна, то можно пойти по пути увеличения количества процессоров RAD750, которая возможна благодаря встроенной поддержке
мультипроцессорной работы. Другая альтернатива — это новая версия процессора RAD750 на основе технологии R15 (с технологической
нормой 150 нм), работа над которой интенсивно ведется в компании
BAE Systems в настоящее время. Ожидаемая тактовая частота нового
процессора — не менее 200 МГц, при сохранении всех параметров
радиационной стойкости и надежности.
Информация о продукции и технологиях BAE, разрешенных
к ввозу в Российскую Федерацию на условиях ITAR, предоставлена
n
на сайте www.bae-radhard.ru. Литература
1. Попович А. Технология R25 против радиации: новые продукты на российском рынке электроники для космических аппаратов // Компоненты
и технологии. 2009. № 12.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2010