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“Spazio, ultima frontiera”. Memorabile frase pronunciata da James T. Kirk della Starship Enterprise, nella serie televisiva degli anni ’60 Star Trek. La televisione lo fa sembrare facile. La realtà è ben diversa. Lo spazio offre livelli di condizioni proibitive: il vuoto, freddo e caldo estremi, e con radiazioni cosmiche. Poi c’è la distanza tra gli oggetti. La vastità dello spazio è sbalorditiva. La durezza delle condizioni e le distanze rendono l’autonomia e l’affidabilità critiche per gli impianti elettrici e meccanici. Vista la rinascita nello spazio attualmente in atto e la spinta a ridurre i costi, questo articolo spiegherà alcune delle diverse opzioni a disposizione del progettista elettrico per soddisfare i requisiti di affidabilità e missione. I Field Programmable Gate Array (FPGA) sono ampiamente utilizzati nello spazio perché: 1. consentono agli ingegneri spaziali di progettare circuiti in modo tale da essere resilienti alla durezza dello spazio; e 2. non ci sono molti componenti qualificati per lo spazio al mondo tra cui scegliere per questa progettazione. Le due grandi preoccupazioni per i progettisti di sistemi spaziali sono gli effetti delle radiazioni e il consumo di energia.
Effetti delle radiazioni nello spazio
TID, o Total Ionizing Dose è causata dalle radiazioni provenienti da particelle cariche e raggi gamma nello spazio. Questa radiazione deposita energia provocando la ionizzazione nel materiale. La ionizzazione influisce sulle proprietà di eccitazione, trasporto, legame e decomposizione della carica del materiale. Ciò influisce negativamente sui parametri del dispositivo. TID è la radiazione ionizzante cumulativa che un dispositivo elettronico riceve in un periodo specificato, di solito il tempo di missione. RAD o Radiation Absorbed Dose è invece la dose assorbita di radiazioni, ne esprime la quantità e determina il danno. A seconda della tolleranza alle radiazioni o della classificazione TID di un dispositivo, è possibile che si verifichino guasti funzionali o parametrici. La radiazione TID negli FPGA può causare un aumento del ritardo di propagazione, che riduce le prestazioni del dispositivo. Un’elevata esposizione TID può anche portare ad un aumento della corrente di dispersione. Le radiazioni particellari causano Single Event Effect (SEE) come Single Event Upsets (SEU). Protoni, ioni pesanti e particelle alfa possono sconvolgere istantaneamente o danneggiare in modo permanente i transistor, causando guasti logici nel sistema. A seconda della posizione dell’impatto delle particelle, il ciclo di clock successivo può cancellare l’errore. Tuttavia, può anche causare un Single Event Functional Interrupt che altera il comportamento del sistema. Il Single Event Latchup (SEL) è una condizione che può causare un malfunzionamento del dispositivo a causa di uno stato di corrente elevata causato da un singolo evento. Un SEL può essere o meno distruttivo. In un evento di latchup distruttivo, la corrente non recupererà il valore nominale. In un evento di latchup non distruttivo, la corrente di alto livello tornerà al valore nominale dopo il ciclo di alimentazione dell’FPGA.
Consumo energetico
Le comuni pratiche per il trasferimento del calore sulla terra non si applicano nello spazio. Non è infatti possibile spostare l’aria attraverso un dissipatore di calore per spostare il calore da un semiconduttore nell’atmosfera. Il calore deve essere condotto termicamente lontano dal dispositivo che genera la fonte di calore. I dispositivi a minore consumo riducono la massa necessaria per condurre termicamente il calore a una parete fredda, e una massa inferiore riduce i costi di lancio. La quantità di requisiti di elaborazione on-board per l’imaging, l’automazione e la comunicazione per satelliti spaziali, lander e rover sta aumentando rapidamente, guidando la necessità di una maggiore elaborazione del segnale, che aggrava il problema energetico. La definizione definitiva di “intelligent edge” è data da questi nuovi sistemi spaziali ai margini della nostra atmosfera e all’interno del nostro sistema solare e tutti hanno bisogno di più elaborazione abbinata però ad un consumo energetico inferiore.
Qualità
I progettisti di sistemi satellitari e spaziali hanno alcune diverse opzioni quando selezionano semiconduttori FPGA (Field Programmable Gate Array). Un’opzione FPGA è costituita da componenti commerciali pronti all’uso (COTS) che riducono il costo unitario dei componenti e i tempi di consegna, ma in genere non sono abbastanza affidabili, devono essere sottoposti a screening (il che aumenta i costi e le risorse ingegneristiche) e richiedono una soft/hard TMR (Triple Modular Redundancy) per mitigare gli effetti delle radiazioni nello spazio. Nelle missioni in cui il guasto non è un’opzione, i progettisti in genere scelgono FPGA a costo più elevato che sono radiation-hardened by design (RHBD), che sono già stati sottoposti a screening e qualificati per gli standard Q e V della Qualified Manufacturers List (QML). QML Class V è il più alto standard di qualificazione per i semiconduttori per uso spaziale. Le missioni con equipaggio e safety-critical si basano sui componenti QML V per mitigare il rischio di guasto. I progettisti devono soddisfare la crescente necessità di una combinazione impegnativa di prestazioni più elevate e maggiore elaborazione dati on-board e capacità di comunicazione ad alta velocità nello spazio. Questi FPGA RT, radiation-tolerant, forniscono una soluzione radiation tolerant by design, supportata dall’eredità e dall’esperienza di volo spaziale del produttore e con soluzioni che vengono sottoposte a test QML Class V. Questo articolo esamina le diverse tecnologie FPGA disponibili per le applicazioni spaziali e il processo di sviluppo dei componenti.
Comparazione delle Tecnologie FPGA
Ci sono quattro tipi base di FPGA:
FPGA basati su SRAM
L’FPGA basato su SRAM memorizza i dati di configurazione delle celle logiche nella memoria statica. La SRAM è volatile e non è in grado di mantenere la configurazione del dispositivo senza alimentazione. Al contrario, gli FPGA devono essere programmati all’accensione. La tecnologia basata su SRAM consuma più energia ed è molto sensibile alle radiazioni. Ad esempio, la cella di configurazione dell’FPGA, la cosa che lo rende programmabile, non è immune a single event upset. I progettisti devono prendere in attenta considerazione l’upset rate of the CRAM per verificare se un FPGA SRAM è in grado di soddisfare i requisiti di affidabilità della missione.
FPGA basati su Flash
Gli FPGA basati su Flash riprogrammabili utilizzano Flash come risorsa primaria per la memoria di configurazione. La tecnologia flash è immune a SEU, eliminando la minaccia di radiation-induced upset indotti dalle radiazioni nella memoria di configurazione dell’FPGA. Gli FPGA basati su Flash RTG4 utilizzano fino al 50% di energia in meno rispetto agli FPGA basati su SRAM. La tecnologia Flash semplifica la progettazione in diversi modi, in quanto non è necessaria memoria esterna, nessuna ridondanza o monitoraggio continuo della configurazione, chiamato anche scrubbing. Elimina anche la necessità di un dissipatore di calore, riducendo le dimensioni e il peso dei progetti e riducendo il consumo energetico, che può essere particolarmente importante se un modulo elettronico è alimentato con pannelli solari.
FPGA basati su SONOS
Un esempio è l’FPGA RTPolarFire di Microchip , che offre prestazioni di radiazione, con dati di radiazione caratterizzati, basso consumo, immunità alla configurazione SEU e componenti ad elevata affidabilità. Gli FPGA RT PolarFire sono qualificati QML-Q con un percorso verso la qualifica QML-V. Questi FPGA sono sviluppati su una tecnologia silicon-oxide-nitride-oxide-silicon (SONOS) non volatile (NV) su un nodo di tecnologia a 28 nm. Le prestazioni delle tecnologie a 28 nm e della precedente a 65 nm sono state confrontate misurando il ritardo di propagazione di un inverter. Questi test dimostrano che la tecnologia SONOS a 28 nm offre prestazioni 2,5 volte superiori rispetto alla tecnologia Flash a 65 nm. Questi FPGA basati su SONOS hanno anche eccezionali prestazioni di radiazione e immunità SEU, offrendo al contempo una soluzione a basso consumo. Con un percorso verso la qualifica QML-V, gli FPGA basati su SONOS sono ideali nelle applicazioni che richiedono un’elaborazione del segnale ad alta velocità. E, ancora una volta, hanno un consumo fino al 50% inferiore rispetto a FPGA SRAM simili.
La Figura 1 mostra come gli FPGA basati su Flash e SONOS sono progettati per fornire l’immunità SEU.
Figura 1 – Gli FPGA basati su Flash e SONOS sono immuni a SEU nella configurazione della memoria
FPGA basati su Antifuse
Gli FPGA basati su antifuse vengono programmati una sola volta, il che limita un vantaggio chiave della riprogrammabilità rispetto agli FPGA basati su Flash e SONOS. Gli antifuse inizialmente non conducono corrente, ma vengono bruciati per farlo (il comportamento dell’antifuse è quindi opposto a quello di un fuse). La tecnologia Antifuse è molto robusta nei confronti degli effetti delle radiazioni.
Come vengono sviluppati gli FPGA RT
Gli FPGA RT sono sviluppati su tecnologie di processo che hanno eccellenti prestazioni TID di radiazione. Possono essere RHBD, con flip-flop con TMR integrato a livello di circuito o possono essere Radiation Tolerant con TMR distribuito nel software, noto anche come soft TMR, a logica specifica che richiede l’affidabilità aggiuntiva di una topologia TMR. Gli FPGA RT sono sottoposti a una rigorosa qualificazione. Affinché i dispositivi siano qualificati secondo gli standard più elevati, devono aderire allo standard MIL PRF 38535 rilasciato dal Dipartimento della Difesa, che ha creato standard di qualificazione, test e affidabilità coerenti per i circuiti integrati militari e spaziali. MIL PRF 38535 definisce i requisiti per i produttori di circuiti integrati se questi desiderano essere elencati nella Qualified Manufactures List (QML) della Defense Logistics Agency (DLA). Una volta ottenuta la certificazione QML, viene assegnato un part number SMD (Standard Military Drawing). I part number SMD assicurano che i progettisti di sistemi spaziali stiano utilizzando il dispositivo di elevata qualità di cui hanno bisogno per sopravvivere alle dure condizioni dello spazio. Altrettanto importante della qualifica QML vi è la caratterizzazione delle effettive prestazioni SEE sotto diverse sorgenti di radiazioni. I report risultanti dai test di radiazione sono essenziali per i progettisti di sistemi e consentono loro di progettare i propri sistemi per gli ambienti di radiazione specifici che i satelliti, i lander o i rover sperimenteranno. Alcune tecnologie di processo possono avere prestazioni TID che variano da un lotto all’altro di wafer. Di conseguenza, i test delle prestazioni TID devono essere eseguiti in produzione, in base al lotto di wafer, per garantire che un dispositivo soddisfi le specifiche del livello TID target (25 krad, 100 krad, 300 krad).
L’impatto degli FPGA RT sulla progettazione dei veicoli spaziali
Gli FPGA RT di Microchip offrono due vantaggi fondamentali che semplificano l’elettronica progettata per le dure condizioni dello spazio. Celle di configurazione immuni a SEU e fino al 50% di riduzione dei consumi. L’FPGA RT PolarFire ha recentemente ottenuto la certificazione QML-Q. RT PolarFire offre una maggiore larghezza di banda transceiver, DSP e RAM e con risorse 6 volte superiori rispetto al nostro precedente FPGA-RTG4, consentendo ai progettisti di sistemi spaziali prodotti di alta qualità e basso consumo che ci portino verso quell’ultima frontiera.
