| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Радиационно-стойкая элементная база (импортная и отечественная) сетевого оборудования
ВВЕДЕНИЕ
Радиационная стойкость – это способность материалов сохранять исходный химический состав, структуру и свойства в процессе и (или) после воздействия ионизирующих излучений (ИИ). Радиационная стойкость существенно зависит от вида радиации, величины и мощности поглощенной дозы, режима облучения (непрерывное или импульсное, кратковременное или длительное), условий эксплуатации материала (высокое давление, механические нагрузки, магнитное или электрическое поле), размеров образца материала и других факторов. На практике изменение свойств материала сопоставляется с величиной, характеризующей величину воздействующего излучения, например с потоком (флюенсом) нейтронов или поглощенной дозой ИИ.
Очень часто устройства аэрокосмических систем должны работать в жесткой радиационной среде, способной нарушить или прервать (иногда окончательно) их работу. Аэрокосмические и военные системы особо чувствительны к воздействию тяжелых ионов и протонов, тогда как для наземных приборов опасны высокоэнергетические нейтроны и альфа-частицы. Для околоземных орбитальных спутников общий уровень радиации, определяющий выживаемость электронной аппаратуры, является функцией высоты и наклона орбиты, а также срока службы спутника.
Чтобы противостоять радиации, вызванной гамма-лучами, протонами, нейтронами, электронами и некоторыми видами тяжелых ионов, конструкторы военных, авиационных и космических систем должны установить механизмы воздействия радиации на используемые в системе микросхемы и определить их конструктивные решения, которые позволят смягчить это воздействие. При этом принятые решения должны быть совместимы с типичной полупроводниковой технологией с тем, чтобы микросхемы могли выпускать промышленные предприятия.
Следует отметить, что задача обеспечения радиационной стойкости стоит не только перед разработчиками микросхем для аэрокосмических систем (в основном программируемых вентильных матриц, FPGAs), но и перед производителями их для наземного оборудования. Это связано с тем, что с уменьшением топологических размеров и повышением плотности упаковки микросхемы стали чувствительны к наземному нейтронному воздействию.
В результате сокращения правительственных программ в области стратегических систем после окончания холодной войны многие компании прекратили производство стойких к радиации микросхем. За период с 1985 по 2000 год число компаний, производящих такие электронные приборы, сократилось на 20%. Изделия оставшихся поставщиков оказались достаточно дорогими, а сроки их поставки длительными. При этом стойкость к радиационному излучению достигалась с помощью конструктивно-технологических приемов (применение полуизолирующих подложек, антиперемычек в FPGA). Такие микросхемы, топологические нормы которых составляют микрометры, считаются "радиационно-жесткими" (rad-hard) и классифицируются как схемы, выдерживающие общую накопленную дозу 100 крад и более. Вследствие сокращения числа производителей rad-hard полупроводниковых приборов разработчикам современных радиационно-стойких (rad-tolerant*) систем все труднее выполнять предъявляемые требования к энергопотреблению, быстродействию и стоимости создаваемых изделий. На небольшом рынке rad-hard компонентов сегодня трудно найти новейшие серийно выпускаемые приборы (последние поколения микропроцессоров, быстродействующих микросхем памяти большой емкости и т.п.). Для гарантии выживаемости электронных устройств систем в жесткой радиационной среде разработчикам приходится применять самые разнообразные меры – от отбраковки коммерческих приборов до повышения радиационной стойкости за счет схемотехнических решений, т.е. конструктивными средствами (Radiation-Hardening-By-Design, RHBD).
Сетевое оборудование
Типы СО и их назначение
Сетевая карта - плата, которая устанавливается в компьютер и обеспечивает его подсоединение к ЛВС.
Повторитель - прибор, как правило, с двумя портами, предназначенный для повторения сигнала с целью увеличения длины сетевого сегмента.
Концентратор - прибор с 4-32 портами, применяемый для объединения пользователей в сеть.
Мост - прибор с 2 портами, обычно используемый для объединения нескольких рабочих групп ЛВС, позволяет осуществлять фильтрацию сетевого трафика, разбирая сетевые (MAC) адреса.
Коммутатор - прибор с несколькими (4-32) портами, обычно используемый для объединения нескольких рабочих групп ЛВС (иначе называется многопортовый мост).
Маршрутизатор - используется для объединения нескольких рабочих групп ЛВС, позволяет осуществлять фильтрацию сетевого трафика, разбирая сетевые (IP) адреса.
Медиаконвертер - прибор, как правило, с двумя портами, обычно используемый для преобразования среды передачи данных (коаксиал-витая пара, витая пара-оптоволокно).
В космосе одним из главных устройств СО является повторитель, так как расстояния в межпланетном пространстве огромны. Практически все типы СО используются в космосе, но там на них накладываются требования, совершенно отличные от требований к наземному оборудованию. В первую очередь, из-за космического излучения. Элементная база для сетевого оборудования в космическом пространстве должна быть радиационно-стойкой, а это совсем другие топологические нормы. Одной из самых распространенных технологий телекоммуникационных сетей для космических аппаратов является SpaceWire.
Технология SpaceWire
SpaceWire — телекоммуникационная сеть для космических аппаратов, основанная на части стандарта соединения IEEE 1355. Координируется Европейским космическим агентством (ЕКА) в сотрудничестве с международными космическими агентствами, включая NASA, JAXA и ФКА. В сети SpaceWire узлы соединяются при помощи последовательных соединений типа точка-точка (см. рис. 1), которые обладают низкими задержками и работают в полнодуплексном режиме, и коммутационными роутерами, которые осуществляют маршрутизацию способом коммутации каналов [8].
Рисунок 1 - Соединение типа точка-точка
При таком способе соединения узлы сети могут обмениваться информацией между собой посредством маршрутизаторов (рис. 2), которые направляют пришедшие пакеты данных к целевым узлам.
Рисунок 2 - Структура сети SpaceWire
Непосредственно маршрутизация информации между каналами и, соответственно, между узлами сети осуществляется на пакетном уровне. Структура пакета в сети SpaceWire достаточно проста (рис. 3) и не имеет каких-либо ограничений по длине. Длину пакета следует выбирать, исходя из выбранного протокола обмена, объемов и направлений перемещаемых данных, а также максимального допустимого времени занятости канала.
Рисунок 3 - Структура пакета SpaceWire
Рисунок 4 - Пример сети с маршрутизаторами
SpaceWire используется во многих проектах по всему миру. Ее использование изначально началось в проектах ЕКА, и на данный момент она используется в NASA, JAXA, ФКА, а также множестве прочих организаций и компаний. Некоторые проекты NASA, использующие ее, включают: Космический телескоп имени Джеймса Вебба, Burst Alert Telescope для Swift, Лунный орбитальный зонд, Космический аппарат для наблюдения и зондирования лунных кратеров, Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES-R) и Communications, Navigation, and Networking Reconfigurable Testbed (CoNNeCT). Она также выбрана Министерством обороны США для проекта Operationally Responsive Space. Изменения SpaceWire координируются несколькими космическими агентствами в рамках Консультативного комитета по космическим информационным системам для расширения ее коммуникационной модели на сетевом и транспортном уровнях сетевой модели OSI [7].
3 Межпланетный Интернет
Межпланетный интернет — проект NASA, предназначенный для обеспечения сверхдальней космической связи.
В настоящее время практически повсеместно используется стек протоколов TCP/IP, но он является не самым лучшим выбором в пользу построения межпланетной Сети — задержки при таком соединении на гигантском расстоянии будут просто огромными. Поэтому при проектировании используется архитектура DTN (Delay&Disruption-Tolerant Networking) [9]. Одной из особенностей протоколов, построенных на базе этой архитектуры, является доставка данных вне зависимости от текущего состояния каналов связи. В DTN реализован принцип работы «сохрани и передай» (Store and Forward). При получении данных для узла, в настоящий момент находящегося вне зоны доступа, данные сохраняются. После нахождения маршрута до получателя (или самого получателя) данные передаются на следующий узел.
Передачу пакета данных в DTN можно сравнить с перевозкой груза на грузовике из пункта А в пункт Z по указателям A->B->…->Z. Если в пункте M не будет указателя на N или дорогу размоет, то груз (данные) в обычном варианте выкидывается. Доставка груза (данных) в варианте DTN будет выглядеть следующим образом: фура доезжает до пункта B. В пункте B становится известно, что дороги (канала связи) в C нет, и когда появится — неизвестно. Фура разгружается, груз отправляется на склад. Через 20 дней появляется дорога до C, и груз перевозится в новый пункт. При этом отправитель в пункте А не знает, как (и в общем случае когда) груз дойдет до адресата.
В настоящее время в сети межпланетной связи NASA, построенной по архитектуре DTN, насчитывается 10 узлов.
Летом 2009 года узел IPN заработал на МКС. В рамках тестирования системы были успешно переданы изображения с МКС на Землю.
Впервые испытания нового протокола прошли еще в ноябре 2008 года, когда специалисты НАСА успешно передали около десятка фотографий на борт зонда Deep Impact, находившийся в тот момент в 32 миллионах километров от Земли.
В ноябре 2012 при помощи IPN командир МКС Санита Уильямс провела сеанс управления небольшим роботом (собран из деталей конструктора «Лего»), находившемся в европейском центре управления полетами в германском Дармштадте.
Технология межпланетного Интернета совершенно открытая, поэтому многие космические агентства подключаются к ее разработке. Межпланетный Интернет будет эволюционировать и расширяться по мере того, как старые зонды и спутники будут становиться узлами его сети, помогая передавать сигналы дальше и дальше. К сожалению, препятствием для распространения Сети в космосе является не только расстояние, но и космическое излучение.
Способы обеспечения радиационной стойкости
Считается, что основная радиационная угроза современным электронным приборам – это единичные события (Single Event Effects, SEE), вызванные воздействием высокоэнергетических частиц. Вносимые в результате единичного события неисправности делятся на устойчивые (hard error) и исправимые (soft error) отказы (рис.5). Неисправности электронных устройств в результате радиационного воздействия могут быть обусловлены их конструкцией, рабочей средой, назначением, затраченными на их создание средствами и т.п.
Рисунок 5 — Виды радиационных воздействий, приводящих к устойчивым и исправимым отказам
Наиболее часто исправимые отказы, рассматриваемые как одиночные сбои, проявляются в изменении логического состояния элемента или логического выхода, т.е. в изменении импульсного переходного процесса комбинационной логической схемы. Неисправности этого типа могут возникнуть не только в логике, но и в блоках управления и блоках памяти (в основном СОЗУ). Для устранения вероятности одиночного сбоя разработчики располагают множеством методов помимо простого отбора прибора с встроенной радиационной стойкостью или периодического восстановления его исходного состояния. Единичные события могут вызвать нестационарные токи малой длительности и большой амплитуды, которые способны разрядить узлы системы, приводя к потере информации или инициированию режима защелкивания, и тем самым – к катастрофическому (устойчивому) отказу.
"Серебряной пули", пригодной для устранения любого воздействия рабочей среды, нет. Чтобы обеспечить радиационную стойкость конкретного проектируемого устройства, необходимо знать, где и как оно будет использоваться. Так, большинство разработчиков космических систем основное внимание уделяют обеспечению стойкости к накопленной радиационной дозе, тогда как при создании приборов для наземных приложений этот показатель не столь важен. При этом следует учитывать, что по мере уменьшения топологических норм микросхем, увеличения их быстродействия и сложности радиация вызывает новые эффекты, которые начинают доминировать в схеме. В результате для реализации варианта микросхемы с повышенной радиационной стойкостью нужно устанавливать чувствительность проектируемой системы ко всем потенциальным радиационным угрозам и совершенствовать операции смягчения их воздействия.
Сегодня существуют пять этапов обеспечения радиационной стойкости проектируемого прибора (рис.6), проводимых в соответствии с ужесточающимися требованиями к радиационной защите и способствующие выполнению четырехэтапного процесса смягчения риска радиационного воздействия (определение риска отказа, его анализ, составление плана его смягчения и утверждение плана).
Рисунок 6 — Сравнительные значения стоимости конструирования системы применения к уровням обеспечения радиационной стойкости
Первый этап – отсутствие работ по обеспечению повышенной радиационной стойкости устройства, поскольку заказчик не требует поддержки его работы в радиационной среде. Он может использовать элементы и системы, соответствующие военным и космическим стандартам, которые, по сути, являются высоконадежными устройствами и имеют определенную, но не гарантируемую радиационную стойкость.
Второй этап – ослабление только воздействия накопленной радиационной дозы или обеспечение rad-hard конструкции. Традиционно, этот этап предусматривает выбор компонентов на основе результатов тестирования устойчивости к накопленной радиационной дозе (Total Iionizing Dose, TID).
Третий этап – обеспечение устойчивости к воздействию единичных событий конструктивными средствами. Это основной этап смягчения влияния единичных событий, который, как правило, основан на применении принципа резервирования. Но в этом случае масштабирование схемы ограничено. На этом этапе для сохранения радиационной стойкости системы без ухудшения надежности из-за увеличения ее сложности важно установить баланс между резервированием и сложностью системы.
Рисунок 7 — Поперечное сечение МОП-транзистора
Четвертый этап – гарантия работы системы при облучении протонами и определение чувствительности к такому единичному событию, что предусматривает испытание системы на радиационное воздействие.
Пятый этап – установление устойчивости к единичному воздействию тяжелых ионов. Это самая сложная ступень обеспечения радиационной стойкости, поскольку для снятия характеристик требуется специализированная аппаратура. Как правило, этот этап предназначен для определения радиационной стойкости систем спутников геостационарной и низкой околоземной орбит или систем межпланетных ракет.
Выполнение четырех этапов гарантирует радиационную стойкость изделия, пяти этапов – его полную радиационную стойкость, но только после тестирования и верификации характеристик изделия на каждом этапе. При этом необходимо учитывать следующие особенности процессов определения радиационной стойкости:
- данные, характеризующие радиационную стойкость уникальны: полученные для прибора одного изготовителя, они не могут быть использованы для оценки приборов того же типа, но другого изготовителя;
- результаты процесса – динамические, а не статические. Поскольку топологические размеры микросхем, создаваемых по космическим проектам, постоянно уменьшаются, меняются радиационные характеристики систем, построенных на основе этих схем;
- большая часть изделий военного назначения, доступных на коммерческом рынке (COTS), отвечают второй ступени обеспечения радиационной стойкости. При этом, как правило, радиационная стойкость не более 2% от общего числа оставляемых COTS соответствуют уровню первого этапа, и 8% – уровню второго этапа [2]. Обеспечение радиационной стойкости проектируемых электронных приборов должно быть предусмотрено уже на первых этапах проектирования прибора, так как это свойство нельзя добавить позже. Для выполнения этой задачи необходимо в первую очередь определить механизмы возникновения радиационных эффектов в приборах.
Механизмы воздействия радиации
Паразитные утечки по кромке перехода
В стандартном МОП-транзисторе при ионизирующей радиации под переходом между толстой защитной и тонкой затворной оксидными пленками происходит захват носителей и формирование паразитного транзистора (рис.7). При накопленной дозе в 150 крад (Si) утечки по кромке перехода увеличиваются приблизительно на три порядка по сравнению с их значением до радиации. По мере увеличения накопленной дозы утечка по кромке проводящего канала возрастает, и ток утечки становится почти равным току самого транзистора в открытом состоянии. Возникновение утечки по кромке перехода обычно фиксируется по быстрому росту тока источника питания с увеличением общей накопленной дозы, а также по шунтированию паразитными транзисторами тока исток-сток основного транзистора. И если составной канал n-типа оказывается включенным постоянно, токи утечки могут вызвать функциональную неисправность.
При производстве микросхем гражданского назначения характеристикам переходной области уделяется мало внимания, поскольку значение паразитного тока не приводится в документации на нее. В результате устройства гражданского назначения допускают чувствительность паразитных токов утечки по кромке перехода к радиации. Причем допуски на уровень радиации весьма разнообразны, так как контроль параметров технологического процесса, влияющих на стойкость, незначителен. Ослабление эффекта утечки по кромке перехода при промышленном производстве радиационно-стойких микросхем военного и космического назначения обычно требует модификации их топологии.
Наиболее эффективная, стойкая к общей накопленной дозе структура n-канального транзистора – замкнутая (reentrant), устраняющая границу перехода тонкий–толстый оксид. Правда, создание прибора с такой структурой, электрические параметры и занимаемая площадь кристалла у которого лучше, чем у приборов предыдущего поколения, затруднено. Для p-канального транзистора замкнутая структура не нужна, поскольку его утечка по кромке перехода не чувствительна к радиации.
Утечки подзатворного оксида
Другой механизм воздействия общей накопленной ионизационной дозы, приводящей к утечке, связан с инверсией проводимости области под оксидом затвора и появлением канала утечки. Инверсия проводимости – основная причина неисправности многих промышленных микросхем. Так, если до облучения для инверсии проводимости и образования канала утечки требовалось напряжение в 15 В, то при накопленной дозе 10 крад (Si) значительный ток утечки появлялся при напряжении 5 В. При накопленной дозе в 30 крад (Si) микросхема уже находилась в нерабочем состоянии. Неисправность возникает вследствие значительного превышения током источника питания, а также входными и выходными токами утечки значений, приведенных в технических условиях, или вследствие катастрофической функциональной неисправности. Значительный рост статического тока источника питания в результате увеличения накопленной ионизационной дозы – показатель инверсии области под оксидом затвора.
Возможны два типа каналов утечки, формируемых в результате радиации в области p-типа под оксидом затвора n-канального транзистора. Первый тип возникает между карманом стока n-типа (напряжение которого, как правило, равно напряжению стока Vdd) и истоком n+-типа (напряжение которого равно Vss). Второй тип образуется в результате перекрытия промежутка между n+-областями стока/истока соседних n-канальных транзисторов. Для устранения вероятности образования такого канала необходим промежуточный ограничитель канала – область с высокой концентрацией примеси p-типа, имплантируемой в кремний под оксидом, что затрудняет ее инверсию и эффективно предотвращает формирование канала утечки (рис.8). При таком подходе значительно увеличивается расстояние между соседними n+-областями и между n-карманом и n+-областями. Тем не менее, этот метод эффективно ограничивает канал утечки.
Рисунок 8 — Схема имплантируемого p+-ограничителя канала, располагаемый под разделительным слоем оксида
Характеристики транзистора
При одновременном использовании замкнутой структуры транзистора и p+-ограничителей канала влияние общей накопленной ионизационной дозы и утечки под защитным слоем оксида снижаются, и характеристики n- и p-канальных транзисторов при радиационном воздействии изменяются незначительно. Изменения характеристик транзистора по мере накопления общей ионизационной дозы связаны с захватом положительного заряда под оксидом и формированием пограничных состояний. Особое беспокойство положительный заряд, захваченный под оксидом, вызывает в n-канальных транзисторах, поскольку он приводит к снижению порогового напряжения, транзистор начинает работать в режиме обеднения и, следовательно, снижается помехоустойчивость прибора и растет его ток утечки в закрытом состоянии. Однако уровень захвата положительно заряженных носителей, обусловленный облучением, примерно пропорционален квадратному корню из значения толщины затворного оксида, а поскольку в микроэлектронике существует тенденция к уменьшению толщины этих оксидов, стойкость транзисторов к радиации должна возрастать.
Пограничные состояния вызывают изменение порогового напряжения как n-, так и p-канальных транзисторов, а также снижение подвижности носителей. Результат – уменьшение управляющего тока. Кроме того, пограничные состояния уменьшают крутизну подпороговых ВАХ n- и p-канальных транзисторов, приводя к увеличению тока утечки. Число пограничных состояний, возникающих под воздействием общей накопленной дозы, сложным образом зависит от процесса изготовления транзистора. Особенно вредны насыщенные водородом среды, используемые в некоторых технологических операциях. Поэтому общего определения степени влияния промышленного технологического процесса на формирование пограничных состояний в результате радиации нет.
Единичные события. Тиристорный эффект или "защелка" (SEL)
Серьезная проблема КМОП-микросхем при облучении высокоэнергетическими частицами и протонами – включение присущего структуре такой микросхемы паразитного p-n-p-n-тиристора, что может привести к защелкиванию канала и вызвать катастрофический отказ схемы.
При нормальном смещении микросхемы потенциал подложки p-типа самый низкий, а кармана n-типа – самый высокий. Ни один из переходов p-n-p-n-структуры тиристора не смещен в прямом направлении, и он отключен. Однако ионизирующее воздействие одиночной высокоэнергетической частицы может вызвать переходной ток, который инжектирует заряд в области катодного или анодного управляющего электрода тиристора. Падение напряжения, вызываемое током, протекающим к контакту кармана или подложки, может оказаться достаточным для прямого смещения перехода тиристора, что приводит к включению биполярного транзистора, работающего с положительной обратной связью и поддерживающего ток в канале защелкивания. Этот канал проводит ток до тех пор, пока его напряжение не станет меньше напряжения тиристора в открытом состоянии, обычно равного Vбэ(вкл.) + Vкэ(нас.). Поскольку общее сопротивление канала невелико, и он часто возникает между соседними контактами Vdd и Vss, ток может быть достаточно большим, чтобы выжечь металлизацию и, тем самым, привести к катастрофическому отказу.
Существует несколько конструктивных приемов для уменьшения восприимчивости микросхемы к защелкиванию. Согласно принятой для описания тиристора модели транзистора с перекрестными обратными связями, защелкивание не может произойти, если в диапазоне коллекторного тока произведение усиления n-p-n- и p-n-p-транзисторов будет меньше единицы. Защелкивания канала также не происходит, если переходы катодного или анодного управляющих электродов тиристора закорочены. Для повышения устойчивости микросхемы к защелкиванию принимаются следующие меры:
- увеличивается расстояние между n+- и p+-областями истока/стока и кромкой кармана;
- формируются дополнительные n+-защитные кольца в n-кармане и p+-защитные кольца в подложке p-типа для уменьшения усиления паразитных транзисторов и контроля потенциала кармана и положки в канале защелки;
- увеличивается число контактов кармана и подложки и уменьшается расстояние между ними и каналом защелки.
Одиночные сбои (SEU) – наиболее распространенные и наименее опасные результаты ионизирующего воздействия. Одиночный сбой – это результат появления при ионизации в важном узле микросхемы (микропроцессоре, полупроводниковой памяти или мощном транзисторе) свободного носителя, вызывающего изменение состояния этого чувствительного к воздействию ионов или электромагнитному излучению узла. Неисправность, вызванная единичным событием, не приводит к серьезному ухудшению функционирования микросхемы и рассматривается как исправимая ошибка. Исследования показали, что число одиночных сбоев микросхемы, подвергающейся ионизирующему воздействию, растет с увеличением объема ее блока памяти, а поскольку объем запоминающих устройств микросхем непрерывно растет, растет и число регистрируемых одиночных сбоев.
Меры по смягчению одиночных сбоев следует начинать с выбора структуры, позволяющей минимизировать накопление заряда. Наиболее желательно использовать как можно более тонкий эпитаксиальный слой и самый высокий уровень легирования подложки. Для ослабления воздействия одиночных событий полезна и модификация топологии транзисторов. Например, для уменьшения поперечного сечения уязвимых узлов нужно минимизировать поверхность области стока. Для обычных транзисторных структур это означает устранение удлиненных областей стока, используемых в качестве перемычек межсоединений или промежуточных трассировочных слоев, что особенно важно, когда для получения низкого удельного сопротивления на электроды истока/стока наносится слой силицида. Для замкнутых конструкций – это использование внутренней области конструкции в качестве стока, поскольку ее поверхность мала.
Так как значительный заряд трека ионизации может быть собран за счет диффузии, полезно увеличивать расстояние между двумя соседними приборами и вводить области рекомбинации носителей. Размещение контактов к подложке и карману между приборами в специализированных микросхемах ASIC-типа может предотвратить многочисленные сбои по битам при одиночном событии.
Вместе с тем, как уже указывалось, все больше внимания уделяется схемотехническим или конструктивным методам повышения радиационной стойкости (RHBD).
RHBD цифровых схем
Техника RHBD цифровых схем включает рассеяние заряда и резервирование. Рассеяние заряда предусматривает увеличение отношения ширины к длине транзисторов, добавление в схему конденсатора (что нежелательно для быстродействующих микросхем средств связи) и/или развязывающих резисторов или вспомогательных транзисторов. Эти методы в общем случае снижают быстродействие схемы и приводят к увеличению ее площади.
Резервирование позволяет копировать информацию с целью ее сохранения после облучения схемы. Повышение стойкости к одиночным сбоям с помощью методов резервирования схемной конструкции основано на трех принципах:
- резервное хранение информации за счет наличия ячейки хранения неискаженных после единичного события данных;
- обратная связь ячейки хранения исправных данных может способствовать восстановлению;
- "разумность" меры обратной связи, необходимой для восстановления соответствующей ячейки, должна быть основана на том, что ток, возникший в результате удара ионизирующей частицы, протекает от диффузионной области n-типа к области p-типа.
Самый распространенный сегодня метод – тройное модульное резервирование (TMR), заключающийся в подключении к схеме голосования трех копий критических блоков микросхемы, присоединенных к одной тактовой шине и шине данных. Схема голосования, или принятия решения по большинству голосов, функционирует на основе положения, что только одна копия логического блока будет поражена. Данные схемы должны периодически обновляться, чтобы гарантировать присутствие ошибок только в течение одного тактового цикла и не задерживать будущие голосования. Для повышения эффективности метода транзисторы в логических блоках должны быть размещены раздельно с тем, чтобы ионизирующее облучение не воздействовало на несколько узлов. Избыточная площадь при использовании TMR – основной недостаток метода.
Возможны и другие метода резервирования, такие как временное и пространственное. Хотя RHBD-методы повышения радиационной стойкости аналоговых и цифровых микросхем различны, оба, как правило, приводят к увеличению энергопотребления и площади элементов, а также к ухудшению быстродействия схем обоих классов.
Демонстрация возможностей RHBD-метода
Для проверки жизнеспособности метода RHBD были изготовлены и испытаны негерметизированная тестовая схема и двухрегистровый файл вентильной матрицы сложностью 12∙103 вентилей. Регистровый файл занимал две трети площади кристалла, остальная часть которой использовалась для проведения экспериментов с конструкцией. Микросхемы изготавливались на эпитаксиальной подложке p-типа, толщина эпитаксиального слоя которой была относительно большой (~12,5 мкм) для лучшего подавления эффекта защелкивания. Схемы изготавливались по 0,8-мкм топологии с трехслойной металлизацией. На поликремниевый затвор и контакты истока/стока наносился слой силицида. Толщина затворного оксида составляла 17 нм.
Испытания двухрегистрового файла на одиночный сбой и защелкивание показали, что порог сбоя при одиночном событии превышает 50 МэВ∙см2/мг, что соответствует интенсивности побитовых ошибок 1,7∙10-7 ebd (ошибок/бит/день) для геостационарной орбиты и 3,5∙10-9 ebd для околоземной орбиты (600 км).
Для имитации наихудших условий, способствующих защелкиванию тестовой схемы, испытания проводились при напряжении стока Vdd = 5,5 В и температуре 100˚С. Защелкивания не наблюдалось при энергии ионов до 102 МэВ см2/мг (предельного значения для измерительной аппаратуры). Это значит, что схема сможет успешно противостоять защелкиванию при космических применениях [1].
Импортная элементная база
RAD750
Компания BAE Systems занимается разработкой и производством изделий для военных и космических применений с 1980-х гг. Компания разработала целый ряд микропроцессоров для космических применений, но наиболее совершенными характеристиками обладает микропроцессор RAD750 с архитектурой PowerPC.
Он производится по технологии 0,25 мкм КМОП и имеет рабочую частоту до 166 МГц. Стойкость к накопленной дозе составляет не менее 200 крад. Гарантируется полное отсутствие тиристорного эффекта и значение порога к одиночным сбоям ЛПЭ не менее 45 МэВ•см2/мг. Прогнозная частота сбоев на геостационарной орбите составляет 1,6∙10–10/бит/день.
В 2009 г. компания представила улучшенную версию микропроцессора RAD750, изготовленную по радиационно-стойкой технологии 0,15 мкм КМОП. Частота микропроцессора увеличена до 200 МГц, стойкость к накопленной дозе увеличена до 1 мрад, при этом гарантируется отсутствие тиристорного эффекта и сравнимые с 0,25-мкм версией микропроцессора показатели стойкости к одиночным сбоям. В настоящий момент выполняется аттестация данного микропроцессора на соответствие требованиям для космической аппаратуры [3].
Микропроцессор HXRHPPC
Компания Honeywell выпускает широчайший набор радиационно-стойкой элементной базы. Базовой технологией является технология «кремний-на-изоляторе» с проектными нормами вплоть до 0,15 мкм, что позволяет полностью исключить эффекты тиристорной защелки и существенно уменьшить вероятность одиночных сбоев. В число производимых компанией микросхем входит микропроцессор с архитектурой PowerPC, имеющий наименование HXRHPPC.
Микропроцессор HXRHPPC производится по технологии 0,35 КнИ и имеет частоту до 80 МГц. Стойкостью к полной накопленной дозе составляет более 300 крад, гарантируется полное отсутствие тиристорного эффекта. Прогнозная частота сбоев на геостационарной орбите составляет 1,5∙10–5 /чип/день.
Микропроцессор AT697E
Компания Atmel достаточно давно выпускает микропроцессоры на базе ядра LEON2FT. Последняя разработка имеет номер AT697E. В состав микропроцессора входит целочисленное ядро, совместимое со SPARC V8, арифметический сопроцессор, контроллеры статического и SDRAM ОЗУ, контроллер PCI, последовательные порты и другие периферийные устройства.
Особенность данного микропроцессора заключается в том, что помимо традиционных средств обнаружения и коррекции одиночных сбоев, защищающих регулярные структуры кэш-памяти и регистровых файлов, в нем применяется схема тройного резервирования триггеров со схемой голосования, что позволяет защитить триггеры нерегулярной управляющей логики от одиночных сбоев.
Микропроцессор AT697E производится по КМОП-технологии 0,18 мкм и имеет частоту до 100 МГц. Стойкость к полной накопленной дозе составляет более 60 крад. Гарантируется отсутствие тиристорного эффекта до уровня ЛПЭ не менее 70 МэВ•см2/мг. Прогнозная частота сбоев на геостационарной орбите составляет 1∙10–5/чип/день.
В 2009 г. компания представила улучшенную версию микропроцессора под номером AT697F, в которой повышена стойкость к накопленной дозе до 300 крад, а также исправлены ошибки предыдущей версии.
Семейство микропроцессоров LEON3FT-RTAX
Компания Aeroflex Colorado Springs развивает и продвигает семейство микропроцессоров на основе ядра LEON3FT, которая отличается от LEON2FT более глубоким конвейером (7 стадий вместо 5) и поддержкой многопроцессорности.
В настоящий момент выпускается семейство микропроцессоров LEON3FT-RTAX на базе радиационно-стойких ПЛИС RTAX2000S от Actel. Все модификации микропроцессора LEON3FT-RTAX имеют рабочую частоту до 25 МГц, стойкость к накопленной дозе до 300 крад; гарантируется отсутствие тиристорного эффекта до уровня ЛПЭ не менее 104 МэВ•см2/мг и порог к одиночным сбоям ЛПЭ не менее 37 МэВ•см2/мг.
В мае 2009 г. компания анонсировала микропроцессор U699, выполненный не на ПЛИС, как LEON3FT-RTAX, а в виде заказной микросхемы. Он изготавливается по технологии 0,25 мкм КМОП и имеет рабочую частоту до 66 МГц. Стойкость к накопленной дозе составляет не менее 300 крад, гарантируется отсутствие тиристорного эффекта до уровня ЛПЭ не менее 108 МэВ•см2/мг. Порог и частота одиночных сбоев не приводится.
Микропроцессор Mongoose V
Стоит упомянуть достаточно старый 32-разрядный микропроцессор Mongoose V с архитектурой MIPS-I, разработанный более 10 лет назад, но все еще применяемый в бортовых компьютерах космических аппаратов. Поставками микропроцессора занимается компания Sanova.
В состав микропроцессора входит целочисленное MIPS-ядро, включая кэш память команд 4 Кбайт и данных 2 Кбайт, арифметический сопроцессор, последовательные порты, таймеры и т.д. Стойкость к одиночным сбоям повышается за счет повсеместного применения корректирующих кодов для регулярных структур.
Микропроцессор изготавливается по технологии КнИ компании Honeywell и имеет рабочую частоту до 15 МГц. Стойкость к полной накопленной дозе, которая составляет более 100 крад, гарантирует полное отсутствие тиристорного эффекта. Порог одиночных сбоев ЛПЭ составляет не менее 80 МэВ•см2/мг.
Отечественная элементная база
Вопреки распространенному мнению о полном отсутствии отечественных микропроцессоров, удовлетворяющих требованиям стойкости к воздействующим факторам космического пространства, в последние годы отечественные предприятия разработали и освоили в серийном производстве несколько микропроцессоров и микроконтроллеров, удовлетворяющих подобным требованиям, краткий обзор которых приводится ниже.
Микроконтроллер 1874ВЕ05Т
ОАО НИИЭТ (Воронеж) разработал 16-разрядный микроконтроллер 1874ВЕ05Т, предназначенный для встроенных систем управления в условиях жестких требований к специальным внешним воздействующим факторам (СВВФ). В состав МК входят последовательный порт ввода/вывода, сторожевой таймер, регистровое ОЗУ и пр. Тактовая частота МК составляет 20 МГц.
В документации приведены значения показателей стойкости к СВВФ, однако вследствие особенностей документации на отечественные микросхемы затруднительно провести прямое сравнение с зарубежными микропроцессорами по показателям стойкости. При этом можно утверждать, что показатели МК удовлетворяют требованиям по применению в космическом пространстве. Учитывая, что МК изготавливается по технологии КнИ, можно сделать вывод, что тиристорный эффект отсутствует, и обеспечивается примерно на порядок большая стойкость к одиночным сбоям, по сравнению с традиционной КМОП-технологией [3].
Микропроцессор 5890ВЕ1Т
Разработка НИИСИ РАН. В открытой печати информация об этом микропроцессоре отсутствует, поэтому в реферате приводятся минимальные данные, представленные в устном докладе на конференции «Элементная база космических систем» в 2009 г.
В состав микропроцессора входит целочисленное 32-разрядное RISC-ядро, включая кэш-память размером 8 Кбайт + 8 Кбайт, арифметический сопроцессор и набор контроллеров, в т.ч. контроллер шины PCI, контроллеры ОЗУ и ПЗУ, контроллер последовательных портов RS232 и т.д., что позволяет строить функционально законченную ЭВМ на его основе.
Рабочая частота 33 МГц, стойкость к накопленной дозе удовлетворяет требованиям применения в космическом пространстве. Микропроцессор изготавливается по технологии КнИ. Соответственно, тиристорный эффект отсутствует, а также обеспечивается примерно на порядок большая стойкость к одиночным сбоям по сравнению с традиционной КМОП-технологией.
Микропроцессор MC-24R («Сталкер»)
ГУП НПЦ «Элвис» (Зеленоград) разрабатывает МК MC-24R («Сталкер»), который предназначен для аэрокосмических бортовых систем управления и обработки данных. В состав микропроцессора входит MIPS32-совместимое ядро и ядро специализированного сопроцессора с SIMD-архитектурой и ряд периферийных контроллеров.
Микропроцессор рассчитан на коммерческую технологию 0,25 мкм. Расчетная рабочая частота — до 100 МГц. Защита от тиристорного эффекта обеспечивается специальными топологическими решениями. Защита от одиночных сбоев обеспечивается применением корректирующих кодов для регулярных структур. Численных значений по стойкости к накопленной дозе, тиристорному эффекту и одиночным сбоям в открытой печати найти не удалось.
Микросхема 1895ВА2Т
ЗАО НТЦ «Модуль» представил БИС 1895ВА2Т в радиационно-стойком исполнении, которая реализует логическую часть устройства интерфейса мультиплексного канала передачи данных (МКПД) по ГОСТ Р 52070-2003 и предназначена для организации обмена информацией и контроля передачи информации по резервированному (дублированному) МКПД.
Технические характеристики: интегрированный интерфейс с ЦП, обеспечивающий возможность прямого подключения к широкому ряду 8-ми и 16-разрядных микропроцессоров, с использованием минимального количества вспомогательной внешней логики; программный выбор тактовой частоты синхронизации микросхемы: 16/12 МГц; тиристорный эффект при воздействии факторов 7.К9 (7.К10) отсутствует, пороговые ЛПЭ по тиристорному эффекту при воздействии факторов 7.К11 (7.К12) ≥ 68 МэВ*см2/мг.
Серия КМОП ИС 5514БЦ1(2)ТхУххххх
Группа компаний «Ангстрем» разработала серию КМОП интегральных схем, реализованную на быстродействующем базовом матричном кристалле, стойком к воздействию СВВФ. Они применяются в цифровых блоках аппаратуры, работающих в жестком условиях, в том числе в условиях воздействия радиационных факторов.
Максимальная рабочая частота – 100 МГц. Максимальные выходные токи не менее 24 мА, диапазон напряжений питания – от 2,0 В до 6,0 В.
Возможные пути развития космических технологий
В области нанотехнологий в США под эгидой НАСА была разработана программа развития нанотехнологий и создания наноматериалов для аэрокосмической техники. Структура этой программы представлена на рисунке 9.
Ее основными разделами, которые показаны в нижней части рисунка, являются наноматериалы, элементы бортовой электроники, сенсоры различного назначения и нанокомпоненты оборудования КА. В верхней части рисунка указаны возможности, открываемые применением новых материалов и элементов.
Рисунок 9 - Программа НАСА развития нанотехнологий
Анализ этих и других имеющихся данных позволяет сделать прогноз развития космических технологий, представленный на рис. 10. На этом рисунке горизонтальная шкала отражает рост потенциальных возможностей космических систем на разных временных этапах, а движение вверх по вертикальной шкале показывает повышение уровня сложности и интеграции систем. Каждый новый шаг по шкале времени, приведенной в верхней части рисунка, предполагает появление более сложных нанообъектов, а также возникновение и развитие новых областей знаний и технологий или функций.
Рисунок 10 - Прогноз развития космических нанотехнологий
Как можно видеть из приведенной прогностической схемы, в ближайшие годы ожидается появление и даже начало практического применения нескольких классов наноматериалов. Прежде всего, речь идет о новых конструкционных материалах на основе наночастиц и нанотрубок, которые позволят резко снизить вес КА без ущерба для его прочности. Другим успешно развиваемым направлением является наноэлектроника с использованием УНТ и иных наноструктур. В дальнейшем планируется создание стойких к воздействию космической радиации молекулярных компьютеров и биокомпьютеров, реализация известного проекта строительства «космического лифта» на основе сверхпрочного троса протяженностью от земной поверхности до геостационарной орбиты, разработка биосенсоров, использующих эффект «молекулярного распознавания», создание сенсорных сетей для диагностики состояния среды в окрестности Земли и других планет, а также систем нанороботов, способных выполнять масштабные работы, в том числе направленные на улучшение окружающей среды.
Достаточно серьезное внимание уделяется фундаментальным исследованиям процессов самосборки наноструктур и наноустройств, применению УНТ в космических технологиях, а также созданию наноэлементов для оптики и фотоники. На рассматриваемом временном интервале до 2035 г. предполагается непрерывное совершенствование основных систем КА за счет применения нанотехнологий и наноматериалов.
Существенное позитивное влияние на дальнейшее развитие и совершенствование космической техники с применением наноматериалов и наносистем может оказать широкое внедрение так называемых CALS-технологий, представление о которых возникло в первой половине 1980-х гг. Это непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделий с использованием компьютерных методов. Внедрение CASL-технологий предполагает создание интегрированной информационной среды, обеспечивающей единообразное основанное на применении стандартов и нормативных документов управление процессами проектирования, производства и эксплуатации технически сложных наукоемких изделий, к которым, безусловно, относятся изделия ракетно-космической техники. Очевидно, что роль такого подхода будет возрастать по мере расширения номенклатуры используемых в космической технике наноматериалов и наноустройств и построенных на их основе систем. Работы по созданию нанотехнологий и наноматериалов для космической отрасли включены в «Федеральную космическую программу» [11].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В реферате были рассмотрены типы сетевого оборудования и их назначение. Так же была рассматрена телекоммуникационная сеть для космических аппаратов SpaceWire. Данная технология используется во многих проектах по всему миру. На данный момент она нашла применение в NASA, JAXA, ФКА, а также во множестве прочих организаций и компаний. В SpaceWire узлы соединяются при помощи последовательных соединений типа точка-точка, благодаря чему узлы могут обмениваться информацией между собой посредством маршрутизаторов. Маршрутизация информации между каналами осуществляется на пакетном уровне. Технология SpaceWire, предназначенная для распределенных бортовых систем аэрокосмических аппаратов, находит применение в системах различного назначения.
Так же был рассмотрен еще один проект NASA – межпланетный Интернет, предназначенный для обеспечения сверхдальней космической связи. Наилучшим выбором для космического Интернета являются протоколы, построенные на базе архитектура DTN, поэтому при проектировании используют их. В настоящее время в сети межпланетной связи НАСА, построенной по архитектуре DTN, насчитывается 10 узлов.
Также были описаны способы обеспечения радиационной стойкости. Самыми популярными являются RHBD-методы повышения радиационной стойкости для цифровых схем. Техника RHBD включает рассеяние заряда и резервирование. Самый распространенный сегодня метод – тройное модульное резервирование (TMR), заключающийся в подключении к схеме голосования трех копий критических блоков микросхемы, присоединенных к одной тактовой шине и шине данных.
Далее был приведен краткий обзор зарубежных и отечественных микропроцессоров, стойких к воздействию радиационных факторов космического пространства. Во всех из них применены специальные схемотехнические, технологические и топологические решения для того, чтобы обеспечить требуемый уровень стойкость. Разработка таких решений является весьма трудоемким и дорогостоящим процессом, в связи с чем стоимость микропроцессоров для космических применений составляет десятки тысяч долларов за штуку, что в сотни раз выше коммерческих аналогов. Рассмотрены показатели стойкости к одиночным сбоям, накопленной дозе и эффекту тиристорной защелки. Необходимо отметить, что помимо перечисленных основных эффектов, существуют и другие, например эффекты множественных сбоев, эффект выгорания подзатворного диэлектрика, микродозовый эффект и др., изучение которых ведется достаточно активно, но их влияние начинает ощутимо проявляться только при уменьшении проектных норм от 180 нм. Данное обстоятельство является одной из причин того, что наиболее совершенной технологией, применяемой при проектировании микропроцессоров для космических применений, является технология 0,25 мкм, и ведущие мировые компании только начинают осваивать уровень 0,15 мкм для космических применений, тогда как для коммерческих схем применяются технологические уровни до 32 нм и активно осваиваются новые технологические рубежи.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Мироненко Л., Юдинцев В. Повышение радиационной стойкости интегральных схем. Конструктивные методы на базе промышленной технологии, 2012
2 Поливанов А., Попов В. Системные методы увеличения функционирования СБИС запоминающих устройств и бортовой аппаратуры космических аппаратов
3 Осипенко П. Микропроцессоры для космических применений, 2014
4 Сваричевский М. Микроэлектроника для космоса и военных, 2012
5 https://ru.wikipedia.org/wiki/Сетевое_оборудование
6 http://www.electronics.ru/journal/article/759
7 http://kit-e.ru/preview/pre_64_9_13_ipc.php
8 https://ru.wikipedia.org/wiki/Межпланетный_Интернет
9 http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/5956/
10 http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1983/04/vozdeistvie.html
11 Новиков Л.С., Воронина Е.Н. Перспективы применения наноматериалов в космической технике, 2008 |
| Категория: Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: dashakhramtsova93 (29.12.2015)
| Автор: Храмцова Д.С., Чабанова В.Н.
|
| Просмотров: 1152
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
