Введение
Вы расстраиваетесь, когда ваш компьютер сбоит, теряя данные или отключаясь полностью? Представьте, каково приходится космонавтам и астронавтам, которые доверяют электронике навигацию или системы жизнеобеспечения. Ведь на орбите сбоящий процессор может оказаться смертельно опасным. К сожалению, в космосе есть, по меньшей мере, один фактор, который может и самый современный компьютер сделать ненадёжным. Это радиация. Когда высокоэнергетические частицы из состава космических лучей сталкиваются с микросхемой, они могут заставить её сделать ошибку. И ведь не то чтобы компьютеры не работали вовсе. Но вот появляется один нолик вместо правильной единички, а там — другой... Что если в результате этого корабль, к примеру, не сможет вернуться с Луны? Об этом действии радиации известно давно. Собственно, с момента выхода электроники в космическое пространство. И вывод, следующий из этого, очевиден – как схемы, так и кабели должны быть надежно защищены от радиации.
Глоссарий
ESA - European Space Agency (Европейское космическое агентство)
EAFTC - Environmentally Adaptive Fault-Tolerant Computing (Адаптированное к среде отказоустойчивое вычисление)
NASA - National Aeronautics and Space Administration (Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства)
Космическое излучение
В «штуках частиц» космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов Водорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), ~1% более тяжелые атомы и ~1% электроны. Ну и звезды (включая солнце), ядра галактик, млечный путь — обильно освещают все не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением. Во время вспышек на солнце — радиация от солнца увеличивается в 1000-1'000'000 раз, что может быть серьёзной проблемой (как для людей будущего, так и нынешних космических аппаратов за пределами магнитосферы земли). Нейтронов в космическом излучении нет по очевидной причине — свободные нейтроны имеют период полураспада 611 секунд, и превращаются в протоны. Даже от солнца нейтрону не долететь, разве что с совсем уж релятивистской скоростью. Небольшое количество нейтронов прилетает с земли, но это мелочи. Вокруг земли есть 2 пояса заряженных частиц — так называемые радиационные пояса Ван Аллена: на высоте ~4000 км из протонов, и на высоте ~17 000 км из электронов. Частицы там движутся по замкнутым орбитам, захваченные магнитным полем земли. Также есть бразильская магнитная аномалия — где внутренний радиационный пояс ближе подходит к земле, до высоты 200км.
Рисунок 1. Радиационные пояса Ван Аллена.
Воздействие радиации на микросхемы
Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему — в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов — пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад). Помимо этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все pn переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи» — этого уже может быть достаточно, чтобы нарушить работу микросхемы за счет фотоэффекта. На низкой орбите 300-500км (там где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10'000-20'000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы.Однако самая большая проблема космической электроники это ТЗЧ – они имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот — single-event upset, SEU), в худшем — привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания — то все будет работать как обычно. Возможно именно это было с Фобос-Грунтом — по официальной версии не-радиационно-стойкие импортные микросхемы памяти дали сбой уже на втором витке, а это возможно только из-за ТЗЧ (по суммарной набранной дозе излучения на низкой орбите гражданский чип мог бы еще долго работать). Именно защелкивание ограничивает использование обычных наземных микросхем в космосе со всякими программными хитростями для увеличения надежности.
На заре космонавтики
Об этом действии радиации известно давно. Собственно, с момента выхода электроники в космическое пространство. И рецепт противодействия также давно известен: специальные чипы, устойчивые к радиации. Их делают по более грубой технологии (размер элементов микросхем), с избыточным числом транзисторов и иными пересмотренными техническими параметрами. Радиацию они переносят спокойно, но зато обладают рядом недостатков. Такие схемы раз в десять медленнее, чем сопоставимые с ними по размерам современные "гражданские" процессоры. В силу мелкосерийного производства они дороги. А ещё они прожорливы в плане электропитания. Есть иной вариант: вы берёте быстрые "камни", которые боятся радиации, но в количестве втрое большем, чем нужно. Все три процессора у вас должны одновременно выполнять одну и ту же задачу (например, расчёт траектории), а в конце — сверять результат. Маловероятно, что частицы космических лучей поразят каждый из трёх процессоров одновременно. Скорее, пострадает один чип из трёх. Таким образом, результат, отличающийся от двух других (они-то будут совпадать), следует отбросить, как ошибочный. Этот принцип, конечно, не нов. Его применяли создатели космической техники в разных странах (и в СССР) — ещё на заре космонавтики. Его же использовали и создатели баллистических ракет. Правда, очень часто троичное дублирование со сверкой сигналов на выходе не столько служило защитой от радиации, сколько "защитой" от банальной ненадёжности самих схем, их низкого качества.
Программа EAFTC
Однако мы опять приходим к печальным последствиям: при производительности, равной одному хорошему процессору, мы имеем здесь тройную массу, тройные объём и потребление электричества. Всё это может быть критическим. Особенно — на небольших спутниках. Да и в пилотируемых миссиях тоже. Скажем, при полёте к Марсу инженеры будут бороться за каждый грамм корабля. NASA намерено исправить эту ситуацию с помощью программы EAFTC. Специалисты агентства придумали такой ход. В общих чертах тут используется вторая стратегия, то есть, компьютер для корабля (спутника, межпланетной станции) строится на основе мощных современных Pentium и PowerPC, скоростных и сравнительно дешёвых (самых обычных "гражданских", что миллионами продают в магазинах). Но используются они не совсем обычно. Отдельная специальная программа каждую секунду оценивает важность каждой запускаемой программы. Если она совсем не критична — её отрабатывает только один "камень" бортового компьютера. Если чуть более важна — одновременно два, а если жизненно важна (траектория возврата корабля домой, скажем, или правильный угол входа в атмосферу) — вычисления проводят одновременно три процессора, с последующим сличением результатов. Такая динамическая система рационально использует вычислительные ресурсы, без утраты своих "антирадиационных" способностей. Вычисление одной и той же задачи двумя чипами называется 100-процентной избыточностью, тремя — 200-процентной. Средняя избыточность в системе EAFTC составит всего 15-20% при устойчивости к радиации как у простых систем с 200-процентной избыточностью. А это означает, что простаивающие в каждый момент времени процессоры будут либо задействованы для иных задач (то есть, общая производительность компьютера, соотнесённая с его весом — будет выше), либо — "камни" будут "спать", экономя электроэнергию. Эксперты говорят, что EAFTC не вытеснит специальные радиационноустойчивые чипы полностью, но последние останутся лишь в самых ключевых точках.
Рисунок 2. Компьютер, созданный по программе EAFTC (фото NASA/Honeywell).
Компьютерные сети на борту МКС
Такой сложный динамический объект, как космическая станция требует постоянного управления, контроля и поддержания заданных параметров по множеству контуров управления. Естественно, учитывая ограниченность численности экипажа, необходимость максимального использования экипажа для выполнения научных экспериментов в космосе, были предприняты все усилия для максимальной автоматизации процессов функционирования бортовых систем станции, поддержания параметров внутренней среды и заданной динамики полета. Все эти задачи максимально возложены на бортовые компьютерные системы. При завершении строительства станции на борту будет более ста управляющих компьютеров, которые будут контролировать более 30000 параметров бортовых систем и внутренней и внешней окружающей среды. Часть этих компьютеров располагается внутри станции, в герметизированных отсеках, а часть снаружи, в условиях открытого космоса, — например, компьютеры управления ориентацией панелей солнечных батарей (которые в свою очередь имеют площадь, соизмеримую с футбольным полем!) или компьютеры роботизированных транспортных систем и манипуляторов. Так как большинство процессов, происходящих на станции, взаимосвязано, станционным компьютерам приходится постоянно обмениваться информацией друг с другом по специальным бортовым информационным сетям, проложенным через все модули МКС. Ответственность задач, возлагаемых на бортовые компьютерные системы МКС, сложность орбитального комплекса, растянутая во времени этапность строительства МКС, необходимость интеграции на борту в реальном времени сложнейших программных систем, разработанных многочисленными коллективами специалистов в различных странах, потребовали создания достаточно сложной отказоустойчивой иерархической архитектуры бортовой вычислительной системы МКС. На вершине этой архитектуры находится целая система компьютеров интерфейса с экипажем. Международная космическая станция по своему внутреннему интерьеру значительно отличается от космических кораблей предыдущих поколений. Если ранее внутренний интерьер космического корабля характеризовался огромным числом различных приборов, табло, индикаторов, ручек переключателей, то теперь, например, основной модуль американского сегмента МКС выглядит как широкий коридор с гладкими стеновыми панелями, в которых тут и там расположены гнезда для подключения переносных портативных компьютеров — лаптопов. Все управление станцией, ее бортовыми системами со стороны экипажа осуществляется только через переносные компьютеры интерфейса экипажа (в принципе, по аппаратной части это обычные ноутбуки, но со специальным программным обеспечением), которые могут быть подключены к бортовой вычислительной сети станции в любом модуле любым членом экипажа. Станция управляется с помощью так называемых "программных переключателей", расположенных на графических дисплеях компьютеров интерфейса экипажа. Член экипажа с основной страницы, где изображены все модули станции в текущей конфигурации, переходит на страницу определенного модуля, затем на страницу определенной подсистемы модуля (например, управления атмосферой, термоконтроля, движением или электропитанием), оттуда получает доступ к информации и телеметрии по выбранной подсистеме и программным переключателям для управления данной подсистемой МКС. На эти же компьютеры выводится аварийно-предупредительная сигнализация (например, о пожаре или разгерметизации), что позволяет быстро установить источник тревоги и предпринять необходимые действия по ликвидации или локализации аварии. Компьютеры интерфейса экипажа легко переносятся по МКС, поэтому управление станцией может осуществляться не только с центрального поста управления, но и с любой точки подключения из любого модуля станции. Другим важным преимуществом использования лаптопов является возможность их модификации. Станция рассчитана на эксплуатацию в течение десятков лет, и при необходимости на станцию могут быть доставлены новые, более мощные переносные компьютеры. Переносные компьютеры на станции используются не только для управления бортовыми системами станции. На борту также разворачивается Ethernet-сеть вспомогательных компьютеров информационной системы, где находится необходимая экипажу техническая документация, планы работ, система инвентарного учета оборудования станции, бортовые тренажеры — симуляторы различных операций для поддержания навыков экипажа в течение длительного полета, а также привычные для нас средства Microsoft Office для личной работы каждого члена экипажа, включая электронную почту для связи с Землей. Однако, основные компьютеры, управляющие станцией, не видны экипажу, они находятся в запанельном пространстве, в различных стойках, около исполнительных механизмов — клапанов, двигателей, датчиков, и, как уже упоминалось, часть управляющих компьютеров находится снаружи станции — на фермах солнечных батарей, панелях терморегулирования, около антенн связи, на руке-манипуляторе, на транспортной тележке-роботе, двигающейся вдоль основной фермы станции (длиной более 100 метров). Эти компьютеры мало похожи на привычные офисные РС — у них нет монитора, клавиатуры, мыши — только один системный блок, да и тот в специальном металлическом корпусе. Но специалисты по промышленной автоматизации сразу бы узнали привычный для них объект. Да, это магистрально-модульная система, т.е. крейт с объединительной шиной на задней стенке, в которую вставляются различные платы определенного формата — платы с процессорами, платы с накопителем информации на жестком диске, платы с устройствами подключения к сети, платы ввода-вывода дискретных сигналов и преобразования дискретных сигналов в аналоговые и т. д. Все управляющие компьютеры Международной космической станции максимально стандартизованы, например, в рамках Американского сегмента МКС они собраны по единому стандарту в однотипных крейтах, отличающихся только размером и максимальным количеством плат, которые в них могут быть вставлены. Процессорная плата космического компьютера стандартна, она выполнена на процессоре Intel 386, который, в настоящее время, конечно, не является чемпионом по производительности, но этот выбор объясняется тем, что быстродействия данного процессора достаточно для выполнения требуемых задач, он потребляет меньше электроэнергии и выделяет меньше тепла, чем самые современные процессоры, и умещается на заданной площади процессорной платы. Некоторые из космических компьютеров выполняются в расширенной модификации: имеют математический сопроцессор, дополнительную оперативную память, более мощный источник питания и, возможно, дополнительный накопитель на жестком диске. Такая типовая архитектура аппаратной части космических компьютеров на базе магистрально-модульного стандарта и унификация применяемых плат значительно облегчает возможный необходимый ремонт и модификацию космических компьютеров в течение десятилетий полета. Ведь резерв запасных частей на МКС ограничен, а до ближайшего компьютерного магазина быстро не доберешься. К тому же из-за высокой радиации, воздействующей на компьютерные компоненты в космосе, ожидаемый процент отказов компьютеров достаточно высок (и практика длительных космических полетов это подтверждает).
Радиационно-стойкие БИС Российского производства.
В России требованиям к промышленному многопрофильному и многотехнологичному производству БИС уровня 1,2–0,6 мкм удовлетворяет только ОАО «Ангстрем» — основной производитель специальной микроэлектроники: КМОП-микросхем КнС, полузаказных БИС на основе БМК, кристаллов для приборов силовой электроники. «Ангстрем» владеет полным циклом создания РС БИС, включающим отбраковку по их стойкости к различным радиационным воздействиям. В 1999–2004 гг. «Ангстрем» разработал новые технологии производства РС БИС на основе пластин КнС диаметром 100 и 150 мм с толщиной кремниевой пленки 0,6 и 0,3 мкм и с топологическими нормами 3,0, 2,0 и 0,8 мкм. На их основе разработаны, производятся и поставляются потребителям РС БИС различных серий. При этом создание технологий и производственной линии, закупка недостающего оборудования производились «Ангстремом» без помощи государства за счёт собственных и кредитных средств: отсутствие государственной помощи в создании РС технологий остаётся одной из самых главных проблем в создании РС ИС. В 2008 г. «Ангстрем» разработал новую технологию создания РС БИС на основе пластин КнС диаметром 150 мм с топологическими нормами 0,5–0,8 мкм, что в целом приближается к мировому уровню. ОАО «Ангстрем» обладает мощным научным и промышленным потенциалом, который позволяет уже сегодня решать многие проблемы обеспечения внутреннего рынка изделиями специальной микроэлектроники. В состав «Ангстрема» входят: оснащённые вычислительной техникой, программным обеспечением и аналитическим оборудованием 9 дизайн-центров, укомплектованных высококвалифицированными специалистами для создания изделий специальной микроэлектроники различных классов, и широкая сеть отечественных дизайн-центров партнёров, для которых «Ангстрем» выступает в роли «кремниевой мастерской», позволяют разрабатывать более 80 новых типов БИС ежегодно;
технологические дизайн-центры для комплексного создания производственных процессов и маршрутов изготовления изделий специальной микроэлектроники осуществляют до 5 комплексных проектов в год;
серийное многопрофильное и многотехнологичное полупроводниковое производство уровня 1,2–0,6 мкм на пластинах объёмного кремния, КнИ, КнС, а в разработке — УТКнС и карбида кремния (SiC) диаметром 150 и 100 мм рассчитано на выпуск более 10 тыс. пластин в месяц;
серийное сборочное производство способно выпускать более 2,5 млн изделий специальной микроэлектроники в год в металлокерамических и пластмассовых корпусах, а также на полиимидных носителях;
серийное аппаратное производство на основе корпусированных и бескорпусных изделий микроэлектроники;
сертификационно-испытательный центр для аттестации изделий специальной микроэлектроники.
На «Ангстреме» создана и эффективно действует единственная в стране комплексная сквозная система «разработка — производство — испытания — сертификация» высоконадёжных радиационностойких приборов. Все радиационностойкие изделия проходят в «Ангстреме» жёсткие тренировки, проверки и отбраковки, исключающие попадание потребителю продукции с негарантированным уровнем качества. Для проведения испытаний на стойкость к воздействию накопленной дозы радиации используется моделирующая установка «Исследователь», которая является источником гамма-излучения изотопа 60Со. При различных режимах облучения установка выполнят радиационно-термическую обработку, улучшающую параметры транзисторов БИС, а также отбраковку БИС в составе пластины по радиационной стойкости.
Радиационная стойкость кабелей
Обычно испытываются на стойкость к радиации те кабели и провода, которые согласно назначения к применению, подвергаются экспозиционной дозе ионизированного облучения. Для всех других типов кабелей могут быть даны значения по стойкости к радиации только для применяемых материалов. Однако эти значения не являются показателем стойкости всего кабеля. Тем не менее эти значения могут служить для относительного сравнения. Стойкость к радиации материалов определяется радиационным индексом (RI) по IEC 544-4 как десятичный логарифм поглощённой дозы в Греях, при которой относительное удлинение снижается не менее, чем на 50% относительно исходного значения. В тaблице 1, даны максимальные дозы радиации материалов в Греях или рад. («Gy», «rad») источника гамма-излучения, при которых относительное удлинение не снижается ниже, чем на 50% от исходных значений. Конвертация значений:
100 kGy = прим. 10 Mrad;
1Gy = 1 J/kg;
1 Mrad = прим 10 kGy
Таблица 1 Материалы для кабелей под воздействием ионизирующей радиации
Заключение
В процессе выполнения домашнего задания было произведено ознакомление с основными принципами построения компьютерных сетей на борту МКС, а так же методами их защиты от радиационного воздействия. Подводя итоги, можно с уверенностью сказать, что использование радиационно-стойких Ethernet – кабелей в сетях на борту МКС более оправданно, чем использование беспроводных сетей по причине простоты и надежности первых по сравнению со вторыми.
Список источников мнформации
1. http://habrahabr.ru/post/156049/: Электроника для космоса и военных
2. LAPPGROUP Т28: Технические таблицы: стойкость
3. http://rusadvice.org/science/inventions/troynoy_kompyuter_zaschitit_rezultati_ot_kosmicheskoy_radiacii.html |
