| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Радиационно-стойкие компараторы в космических сетях
КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ: РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЕ КОМПАРАТОРЫ
Аннотация
Данный обзор посвящен описанию современных микроэлектронных технологий для космоса. Рассматривается архитектура космических сетей, а именно стандарт SpaceWire и его особенности. В качестве элементной базы рассматриваются компараторы, применяемые в коммуникационных сетях SpaceWire. Также приводятся экспериментальные результаты исследований по воздействию ионизирующего излучения на компараторы LM111, опубликованные в литературе и анализ существующих данных.
Ключевые слова: SpaceWire, сетевая архитектура, радиационная стойкость, космическая аппаратура, компараторы.
Введение
Рассматривая микроэлектронные технологии космического назначения, следует понимать, что условия эксплуатации интегральных микросхем в аэрокосмической бортовой аппаратуре существенно отличаются от наземного применения. Такие микросхемы подвергаются воздействию различных радиационных эффектов, которые не могут оставаться проигнорированными, так как это может привести к сбою важнейших элементов, а в худшем случае к выходу аппаратуры из строя ранее запланированного времени функционирования. Поэтому для оснащения космических летательных аппаратов применяются радиационно-стойкие интегральные микросхемы, устойчивые как к воздействию тяжелых заряженных частиц, так и к ионизирующему излучению. Подробнее о категориях микросхем, влиянии радиации и методах защиты можно узнать из статьи [1]. В этом обзоре основное внимание уделяется роли компараторов в сетевом оборудовании бортовых комплексов космических аппаратов на основе современного стандарта SpaceWire. Также рассматриваются эффекты от влияния радиации на компараторы и их время работы в зависимости от результатов применения защитных методов стойкости.
1. Компьютерные сети в космосе
1.1 Сетевые технологии в космической аппаратуре
Получившие широкое распространение во всех сферах жизни, сетевые технологии с трудом внедряются в космическое приборостроение, т.к. зачастую не всегда соответствуют требованиям к простоте реализации, надежности и низкому энергопотреблению. Специализированные интерфейсы, разработанные специально для авиакосмического применения двадцать, а то и тридцать лет назад, к примеру, MIL-STD-1553В, ARINC, AFDX, CAN, не позволяют создать сети со сложной структурой, а главное, обладают низкими скоростями передачи.
Ситуация начала меняться с появлением SpaceWire, сетевой технологии, спроектированной для космического применения под эгидой Европейского космического агентства (ESA) в сотрудничестве с международными космическими агентствами: NASA (США), JAXA (Япония) и Федеральным космическим агентством РФ.
1.2 «SpaceWire»
SpaceWire (стандарт ECSS-E-ST-50-12C [2]) разрабатывалась на основе стандартов IEEE1355-1995 [3], TIA/EIA-644 [4] и IEEE Standard 1596.3-1996 [5] с последующим усовершенствованием и адаптацией к аэрокосмическому применению. На физическом уровне устаревшая технология PECL (Positive Emitter Connected Logic) была заменена на низковольтную дифференциальную передачу сигналов (LVDS). Технологию SpaceWire отличают высокие скорости передачи информации (до 400 Мбит/с), малые задержки доставки сообщений, устойчивость к отказам и сбоям, низкое энергопотребление, электромагнитная совместимость, компактная реализация в отечественных СБИС, поддержка систем реального времени и системных функций бортовых комплексов. В связи с впечатляемыми преимуществами и соответствием требованиям эксплуатации бортовых космических систем, технология SpaceWire довольно скоро начала вытеснять устаревшие стандарты и получила распространение в зарубежной космической практике.
1.3 Архитектура «SpaceWire»
Регламент стандарта SpaceWire описывает электрические свойства соединений, физические разъемы и кабели, логические протоколы, и, конечно, архитектуру коммуникационной сети [2]. Работа коммутационной сети строится на шести уровнях иерархии, которые можно условно соотнести с семиуровневой эталонной моделью взаимодействия открытых систем OSI (табл.1), однако, есть некоторые различия.
Таблица 1. Сопоставление иерархии протоколов стандарта SpaceWire с моделью OSI
Уровни модели OSI Уровни SpaceWire
Приложений -
Представления -
Сессионный -
ТРАНСПОРТНЫЙ ТРАНСПОРТНЫЙ (2я редакция)
СЕТЕВОЙ СЕТЕВОЙ
СОЕДИНЕНИЯ ПАКЕТНЫЙ
ОБМЕНА
ФИЗИЧЕСКИЙ СИМВОЛЬНЫЙ
СИГНАЛЬНЫЙ
ФИЗИЧЕСКИЙ
Состав сети SpaceWire [6] – это, как правило, различные вариации соединений терминальных узлов и сетевых узлов – маршрутизирующих коммутаторов. Функцию соединения узлов и коммутаторов берут на себя дуплексные каналы – так называемые, линки (рис.1). SpaceWire обеспечивает средство передачи пакетов информации от узла-источника к указанному узлу назначения.
Рис.1. Обобщенная структура сети SpaceWire
Для узлов сети SpaceWire характерны два типа соединения: напрямую или через маршрутизирующие коммутаторы. Каждый узел оснащен интерфейсом с источником данных (хост-устройство) и канальными портами. Узел принимает данные от хост-устройства, кодирует их и направляет в свой передатчик, подключенный напрямую к каналу. На другом конце канала приемник получает данные, дешифрует их и передает по адресу. Это может быть другое хост-устройство или выходной порт маршрутизирующего коммутатора. Приемник и передатчик узла образуют контроллер линка SpaceWire, управляющий соединением и трансляцией потока данных. Также он обнаруживает рассоединение и восстанавливает соединение после сбоев и др. Внутри контроллера линка сети SpaceWire обычно и реализуются все протоколы вплоть до сетевого уровня включительно.
В сетях SpaceWire могут образовываться и структуры из одних терминальных узлов, без коммутаторов. В таких структурах передача данных между канальными портами узлов будет производиться исключительно под управлением хост-устройства, при этом передача управляющих кодов не производится. Однако полноценная, эффективная и оптимизированная сетевая коммуникационная инфраструктура возможна только с использованием маршрутизирующих коммутаторов, обеспечивающих непосредственную передачу трафика между портами входа и выхода.
1.4 Применение «SpaceWire»
Технология SpaceWire довольно быстро получила развитие и применение в зарубежной и российской космических отраслях. Именно возможность построения высокоскоростной коммуникационной структуры на борту космических аппаратов для различного рода коммуникаций, а главное – для передачи данных со скоростями, отвечающим современным требованиям, поспособствовала скорой популяризации технологии. Широк спектр применения технологии SpaceWire и вне аэрокосмической тематики – в различных задачах, связанных со сбором и обработкой информации, управлением в комплексах с распределенной архитектурой, в системах параллельной обработки сигналов и данных и т.д. Сеть SpaceWire способна заменить множество отдельных разнородных сетей (обычно – 3–5) на борту летательного или космического аппарата (ЛА/КА), создав единую коммуникационную инфраструктуру на базе единых технических и программных средств. Это возможно не только благодаря высоким скоростям каналов – линков SpaceWire (до 400 Мбит/с на 10 м). SpaceWire отличает и ряд важных архитектурных особенностей:
расширяет диапазон скоростей до 2,5 Гбит/с, а длину линка – до 100-300 м.;
высокоскоростная коммутация пакетов с «червячной маршрутизацией» (низкие задержки, высокая пропускная способность);
гибкость и масштабируемость сети (без ограничений на топологию);
многообразие методов маршрутизации (от простого указания пути в заголовке пакета до адаптивной маршрутизации с регионально-логической адресацией);
сквозное встраивание управляющих кодов в стек протоколов (независимость прохождения кодов управления и тайм-кодов от загруженности каналов и коммутаторов данными);
малозатратность реализации SpaceWire в СБИС, компактность, низкое энергопотребление и устойчивость к помехам и сбоям. [7]
1.5 «SpaceWire в России»
В России также проводятся активные работы по внедрению SpaceWire. Пока космических миссий с применением SpaceWire нет, но большинство ведущих отечественных разработчиков бортовых космических систем включают SpaceWire в свои разработки.
2. Компараторы и коммутаторы
Компаратор можно считать переключателем (коммутатором), в зависимости от поступивших значений направляющим эти данные по тому или иному пути в коммутационной сети [8]. Самый простой коммутатор - это переключатель с одним входом и двумя выходами, который направляет информацию, появившуюся на входе, по тому или другому пути дальнейшего ее следования. На основе такого переключателя могут быть построены более сложные коммутирующие устройства, также применяющиеся и в космических сетях.
В сетевой архитектуре SpaceWire это маршрутизирующие коммутаторы. Они используются для построения разветвленных сетей с полноценной коммуникационной инфраструктурой. Без них эффективная организация сети не возможна. На принципиальных схемах коммутаторов можно видеть используемые аналоговые компараторы. Также компараторы используются и в других частях комплексов бортовой аппаратуры: в виде АЦП, источников питания, стабилизаторов напряжения. Соответственно, влияние ионизирующего излучения на аналоговые компараторы в составе элементной базы космических сетей и сопровождающей аппаратуры имеет большое влияние на работу всей системы в целом. Поэтому следует более детально рассмотреть результаты экспериментальных исследований влияния радиации на параметры компараторов, а значит, и на весь бортовой аппаратный космический комплекс.
2. 1.Радиационные эффекты в космосе
Определим, чем же отличаются условия наземной эксплуатации микросхем от условий на борту космического аппарата? В космическом пространстве присутствует ионизирующее излучение, источниками которого являются:
электроны и протоны радиационных поясов Земли (РПЗ) (на высоте около 4000 км из протонов и на высоте около 17000 км из электронов);
солнечные космические лучи (СКЛ);
галактические космические лучи (ГКЛ).
Среди множества факторов, влияющих на работоспособность бортовой аппаратуры при эксплуатации в космическом пространстве, можно выделить два основных эффекта:
деградация характеристик элементной базы вследствие накопления поглощенной дозы от воздействия ионизирующего излучения (ИИ) — высокоэнергетических электронов и протонов;
деградация характеристик элементной базы за счет одиночных радиационных эффектов при воздействии тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ), имеющих вероятностный характер [9].
Поглощенная доза ионизирующего излучения обуславливает деградацию некоторых параметров микросхемы, приводящую к отказам. Самые значимые – это возникновение радиационно-индуцированных токов утечки (актуальны для современных технологий производства), сдвиг порогового напряжения и снижение коэффициента усиления транзисторов. Для биполярной технологии рост деградации коэффициента усиления транзистора при воздействии излучения космического пространства (а именно из-за накопления положительного заряда в объеме окисла, а также встраивания поверхностных состояний на границе окисел – полупроводник) обуславливается увеличением поверхностной рекомбинации, что приводит к увеличению тока поверхностной рекомбинации – составляющей тока базы.
Сбои за счет эффектов от отдельных ядерных частиц могут быть вызваны ионами тяжелых элементов, входящих в состав СКЛ и ГКЛ, при этом существенного вклада в поглощенную дозу они не дают.
2.2 Экспериментальные исследования радиационной деградации биполярных приборов
Для экспериментальной оценки и разработки методики по проведению испытаний по радиационному облучению биполярных приборов, необходимо определить параметры схем, наиболее подверженные изменениям под воздействием ионизирующего излучения. Таким параметром определим входной ток компаратора и рассмотрим его зависимость от поглощенной дозы при различных условиях облучения.
На основе анализа литературных данных [10, 11] экспериментального исследования различных типов биполярных приборов (ОУ LM124 (TI), LM101A (NS), дискретных транзисторов 2N2222 (NS), 2N2907 (NS), BC817 (NS), компараторов LM111 и Comp-1.3) обнаружено, что увеличение темпа радиационной деградации при уменьшении мощности дозы характерно только для компараторов LM111 (рис.2а). В дискретных транзисторах 2N2222, 2N2907, BC817 наблюдался обратный эффект, а темп радиационной деградации LM101A и LM124 от мощности дозы не зависел.
Образцы приборов всех типов облучались при трех значениях мощностей доз: 10 рад(SiO2)/с, 0,015 рад(SiO2)/с и 0,003 рад(SiO2)/с. После высокоинтенсивного облучения (10 рад (SiO2)/с) приборы выдерживались при температуре 250C в течение шести месяцев. В отличие от остальных приборов, отжиг компаратора LM111 приводит к дальнейшему увеличению радиационной деградации (рис.2б). Таким образом, в результате проведенных исследований, установлено, что существует зависимость радиационной деградации от мощности дозы и характера послерадиационного отжига.
Рис.2. Дозовая зависимость радиационной деградации входного тока компаратора LM111 при разных интенсивностях облучения (а) послерадиационный отжиг (250C) (б)[10]
Экспериментальные результаты при гамма-облучении для компаратора Comp-1.3
Рис.3. Зависимость задержки переключения по дифференциальному сигналу (t_PDLH) от поглощенной дозы при различном превышении порога U_OD (а) и зависимость длительности фронта нарастания сигнала (t_(r+)) на неинвертирующем выходе от поглощенной дозы при различном превышении порога U_OD (б)[11]
(а) (б)
Рис.4. Зависимость задержки переключения по дифференциальному сигналу (t_PDLH) от интегрального потока электронов при различном превышении порога U_OD (а) и зависимость фронта нарастания сигнала (t_(R+)) на неинвертирующем выходе от потока электронов при различном превышении порога U_OD (б)[11]
Влияние гамма-излучения Co60 и потока электронов с
энергией 4 МэВ на аналоговые микросхемы
Учитывая результаты исследований (рис.3,4), можно оценить, что проникающая радиация заметно влияет только на входной ток компаратора, который возрастает до 25 % при поглощенной дозе 5 Мрад и до 80 % при потоке электронов 3,5•1015 эл./см2. Остальные параметры ИС: коэффициент преобразования, задержка переключения, длительность фронта нарастания и спада, выходной ток компаратора - изменяются незначительно.
3. Заключение
В заключение следует отметить, что в зависимости от типа биполярных приборов наблюдается разное поведение деградации основных параметров в зависимости от воздействия ионизирующего излучения. Возникают различные, иногда противоположные по характеристике эффекты в биполярных структурах, требующие детального изучения. Дальнейшая работа в области изучения поведения характеристик биполярных приборов при воздействии радиации, в особенности компараторов, как одного из основных элементов в составе космических сетей и бортовой аппаратуры, позволит предотвратить проявление нежелательных эффектов и продлить длительность работы аппаратуры, тем самым позволив значительно сократить расходы на введение в эксплуатацию нового дорогостоящего космического оборудования взамен старого, выведенного из строя ранее запланированного срока.
Также следует отметить растущую с каждым годом сложность и масштаб космических сетевых технологий, требующих новых, более совершенных характеристик по скорости и качеству передачи информации. Так, за относительно новым стандартом SpaceWire уже идет следом еще более совершенный и актуальный стандарт SpaceFibre, обещающий новые технологии, скорость не менее 1 Гбит/с и длину сегмента 100-300 м взамен 10 м предыдущего стандарта.
Относительно российской космической отрасли необходимо скорее давать жизнь имеющимся разработкам по современным стандартам, вести дальнейшую активную работу и внедрение новейших технологий, что позволит успешно конкурировать с зарубежными космическими агентствами.
Литература
1. Микроэлектроника для космоса и военных //http://habrahabr.ru/post/156049/
2. ECSS-E-ST-50-12C - SpaceWire - Links, nodes, routers and networks, July2008
3. IEEE 1355-1995. IEEE Standard for Heterogeneous InterConnect (HIC) (Low Cost Low Latency Scalable Serial Interconnect for Parallel System Construction). – IEEE Standards Department, 1995.
4. ANSI/TIA/EIA-644-1995. Electrical Characteristics of Low Voltage Differential Signaling (LVDS) Interface Circuits. –Telecommunications Industry Association, March 1996.
5. IEEE 1596.3-1996. Standard for Low Voltage Differential Signals (LVDS) for Scalable Coherent Interface (SCI)". – IEEE, July 1996.
6.Технология SpaceWire для параллельных систем и бортовых распределенных комплексов (Ч.1) / Ю.Шейнин, Т.Солохина, Я.Петричкович// http://multicore.ru/fileadmin/user_upload/mc/publish/SpW-part1.pdf
7. Технология SpaceWire для параллельных систем и бортовых распределенных комплексов (Ч.2) / Ю.Шейнин, Т.Солохина, Я.Петричкович// http://multicore.ru/fileadmin/user_upload/mc/publish/SpW-part2.pdf8
8. Коммутаторы и компараторы//http://fullnokia.ru/arhitektura-evm/1722-kommutatory-i-komparatory-chast-1.html
9. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения [Электронный ресурс] / К. И. Таперо, В. Н. Улимов, А. М. Членов. - Эл. изд. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.
10.Конверсионная модель эффекта низкой интенсивности в биполярных интегральных микросхемах космического назначения / Бакеренков А.С. Автореферат канд. тех. наук. - М., 2013.
11. Dvornikov O.V., Tchekhovski V.A., Diatlov V.L., Bogatyrev Yu.V., Lastovski S.B. Radiation hardened analog IC // Problems of Perspective Micro- and Nanoelectronic Systems Development - 2012. Proceedings / edited by A. Stempkovsky, Moscow, IPPM RAS, 2012. P. 280-283. |
| Категория: Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: suhoroslova (26.12.2014)
|
| Просмотров: 1092
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|