TME-FLUKE-get-gift-2024-Apr16-Apr30_MEweb

Samsung-Passive-MLCC-2024-Apr7-May7-MEweb

DigiKey-Amphenol-Max-M12-Conn-2024-Apr-MEweb

Arrow-ADI-Increase the Efficiency-18-April-2024

Megbízhatóság és újrakonfigurálhatóság

Megjelent: 2022. június 13.

A sugárzástűrő FPGA-k válasza
az űreszközök tervezési kihívásaira

Vége a korszaknak, amikor a műholdak és űrhajók tervezése csak a „kiválasztottak” mérnöki „szentélyeiben” végzett, állami presztizsű feladat volt. Az űrtechnika „kommercializálódásának” kora egyre több mérnököt szembesíthet a sugárzásoktól átjárt világűrben is működőképes, funkciójában talán kommersz, de professzionális igényű űreszközök tervezésének feladatával. Ennek fontos lépése a sugárzástűrő félvezetők kiválasztása.

A műholdak és űrhajók rendszertervezőinek nincs túl sok mozgástere, ha helyben programozható logikai áramkört (Field Programmable Gate Arrays – FPGA) kell választaniuk. Az egyik választási lehetőség a kereskedelemben „raktárról” beszerezhető (commercial off-the-shelf – COTS) FPGA alkalmazása, amely ugyan csökkenti az alkatrész beszerzési árát és szállítási határidejét, de általában nem elég megbízható. Ezért ezeket beépítés előtt példányonként ellenőrizni kell, amely növeli a költséget és a mérnöki erőforrásigényt, továbbá hardver- és szoftverszempontból egyaránt szükségessé teszi a háromszoros moduláris redundancián¹ (Triple Modular Redundancy – TMR) alapuló architektúra alkalmazását ahhoz, hogy enyhítse a világűrben tapasztalható sugárzási jelenségek káros következményeit. Az olyan küldetésekben, amelyekben a rendszerhiba elfogadhatatlan, a tervezőknek jellemzően drágább FPGA-kat kell alkalmazniuk, amelyeknek már a tervezése során figyelembe vették a sugárzástűrésre vonatkozó követelményeket (Radiation-Hardened By Design – RHBD) és gyártóik szerepelnek a minősített gyártók jegyzékében (Qualified Manufacturers List – QML), valamint a termékeket a Q- és V-osztályú szabványok szerint ellenőrizték. A QML-V az űrtechnológiai célra szánt félvezetők legszigorúbb minősítési szabványa. Az emberes és más, különlegesen biztonságkritikus küldetések a QML-V minősítésű alkatrészeken alapulnak, hogy ezzel is csökkentsék a biztonsági kockázatokat.

A tervezett rendszereknek egy nagy kihívást magában hordozó követelményrendszernek kell megfelelniük: egyszerre kell nagyobb teljesítőképességet, nagyobb fedélzeti feldolgozási kapacitást és nagy sebességű kommunikációt megvalósítaniuk – és mindezt a világűrben. A sugárzástűrő (Radiation Tolerant – RT) FPGA-k a sugárzásvédettséget már felépítésüknél fogva is magukban hordozzák, de csak akkor teljesíthetik a QML-V vizsgálati szabvány előírásait, ha mindez a gyártó űrrepülési tapasztalataival és szakértelmével társul. Ez a cikk betekintést nyújt az űrtechnikában is használható RT FPGA-technológiák különféle típusaiba, és abba a folyamatba, amellyel ezeket az eszközöket fejlesztik.

Sugárzási behatások az űrben

Az RT FPGA-kra azért van szükség, mert a COTS-alkatrészek védtelenek a világűrben tapasztalható, sokféle sugárzási behatással szemben, amely a teljesítőképességüket oly mértékben csökkentheti, amely már hibás működést eredményez. Ennek egyik mérőszáma a teljes ionizációs dózis (Total Ionizing Dose – TID), az az összegzett energiamennyiség, amely a töltött részecskék és a gammasugárzás hatására jut az elektronikus eszközbe. Az ilyen sugárzások azáltal közölnek energiát az anyaggal, hogy ionizálják annak atomjait. Az ionizáció megváltoztathatja az elektromos töltéssel rendelkező részecskék gerjesztettségének mértékét, töltésátvitelt okozhat és kötéseket hozhat létre vagy rombolhat le az anyagban. Ez hátrányosan befolyásolhatja a félvezetőeszköz paramétereit. A TID mindazon ionizáló sugárzások hatásait összegzi, amelyek az elektronikus eszközt élettartama egy bizonyos szakaszában – rendszerint az űrküldetés teljes időtartama alatt – érhetik. A károsodás mértéke a besugárzás mennyiségétől függ, amelyet az elnyelt sugárdózis (radiation absorbed dose – rad) mértékével lehet számszerűen kifejezni. A TID elleni védettségtől függően a félvezetőeszköz funkcionálisan meghibásodhat, vagy a paramétereinek romlása okoz hibás működést. Azon paraméterek között, amelyek a TID következtében romolhatnak, az egyik legjellemzőbb az eszköz jelterjedési időinek megnövekedése, amely miatt csökkenhet a teljesítőképesség. A másik hibajelenség, amelyet a magas TID-terhelés válthat ki, az eszköz szivárgóáramainak megnövekedése.
A sugárzás másik fajta hatásai az egyszeri események (Single-Event Effects – SEE). Ezek részecskesugárzás okozta azonnali üzemzavarok, tranziensek vagy maradandó károsodások, amelyeket olyan részecskék behatása vált ki, mint a protonok, nehézionok vagy alfarészecskék². Ha ezek valamelyike egy tranzisztor aktív zónájába ütközik, az különféle hibajelenségeket okozhat. A SEE változatos formákban jelentkezhet, mint az „alkalmi üzemzavarok” (Single Event Upset – SEU), amelyek akkor történnek, ha nagy energiájú ionizáló részecskesugárzás (nehézion, alfarészecske vagy proton) éri az integrált áramkört. Ez a rendszer logikai hálózatának megszakadását eredményezi.
Hasonlóképpen problémát okoz az „alkalmi” reteszelődés³ (Single Event Latch-Up – SEL). Ez egy olyan üzemállapot, amely az eszköz funkcionalitásának elvesztésével jár, és amelynek az okozója az egyszeri esemény által kiváltott nagy áramfelvételű működés. Az SEL lehet reverzibilis⁴, vagy maradandó kárt okozó, „destruktív” állapot. Az utóbbi esetben az áramfelvétel nem áll vissza a névleges, üzemszerű állapotba. A nem destruktív reteszelődésnél az FPGA tápfeszültségének kikapcsolása utáni visszakapcsolás során a tápáramfelvétel helyreáll a névleges üzemi értékére.

Az FPGA-technológiák összehasonlítása

Az FPGA-knak négy típusa ismeretes:

SRAM-alapú FPGA-k
Egy SRAM-alapú FPGA-ban a logikai cellákat konfiguráló információ statikus RAM-memóriában van tárolva. Az SRAM tartalma tápfeszültség-kimaradáskor törlődik, azaz tápfeszültség-ellátás nélkül nem képes megtartani az eszköz konfigurációját. Emiatt az FPGA-t minden bekapcsoláskor újra kell programozni. Az SRAM-alapú technológiára jellemző az aránylag magas energiafogyasztás, valamint a fokozott érzékenység a besugárzásra.
Flash-alapú FPGA-k
Az újraprogramozható, flash-alapú FPGA-k flashmemóriát használnak a konfigurációs memória elsődleges erőforrásaként. A flash-technológia védett a SEU ellen, ezzel kiküszöbölve a konfigurációs memória tartalmának sugárzás által kiváltott megváltozása veszélyét. A flash-alapú RTG4⁵ FPGA-k akár 50%-kal is kevesebb energiát fogyaszthatnak az SRAM-alapú változatoknál. A flash-technológia többféle módon is egyszerűsíti a tervezést, mivel nem igényel külső memóriát, redundáns tervezést vagy a konfigurációs memóriatartalom integritásának folyamatos felügyeletét. Szükségtelenné teszi az eszköz hűtését is, csökkentve ezzel a teljes rendszer méretét és tömegét, valamint az energiafogyasztást, amely különösen fontos az olyan elektronikus modulok esetében, amelyek energiaellátását napelemek biztosítják.
SONOS-alapú FPGA-k
Ezek egyik példája a Microchip sugárzástűrő kivitelű PolarFire FPGA-ja, amelyet kiemelkedő sugárzásvédettségi adatok jellemeznek. Alacsony az energiafogyasztása, jelentős a konfigurációs adatok SEU elleni védettsége, és nagy megbízhatósága révén is fontos mérföldköve a QML-V minősítés felé vezető útnak. Ezeket az FPGA-kat szilícium-oxid-nitrid-oxid-szilícium (SONOS) „rétegsorrendű” technológiával készítik 28 nm csíkszélességgel, kikapcsoláskor nem törlődő (Non-Volatile – NV) tulajdonsággal. A 28 nm-es technológia teljesítőképességét a korábbi, 65 nm-esével például egy inverter terjedési késleltetésének mérése útján hasonlíthatjuk össze. Ezek a vizsgálatok azt mutatják, hogy a 28 nm-es SONOS-technológia 2,5-szer jobb teljesítőképességű, mint a 65 nm-es flash-technológia.
A SONOS-alapú FPGA-k kiemelkedő sugárzástűrő és SEU-védettségi képességeket mutatnak alacsony tápteljesítmény-igény mellett. A QML-V minősítéshez vezető út egyik eszközeként a SONOS-alapú FPGA-k ideálisak a nagy sebességű adatfeldolgozást igénylő alkalmazásokban. Az 1. ábra azt mutatja, hogyan valósítják meg a flash- és a SONOS-alapú eszközök a SEU-védettséget.
„Fordított biztosíték” típusú FPGA-k
Először az elnevezésről: „olvadó biztosító” (fuse) típusúnak akkor mondunk egy programozható elektromos kapcsolatot, ha az alapértelmezésben vezető állapotú, és a programozáskor egy erős áramimpulzussal lehet (igény szerint) nem vezető állapotba átállítani (rendszerint irreverzibilis módon). Jobb híján „fordított biztosítéknak” (antifuse-nak) nevezzük azt, amely alapállapotban nem vezet, és a programozása során kerül vezető állapotba. Ezekben tehát a flash- és SONOS-típusú FPGA-k kulcsfontosságú előnye, az újraprogramozhatóság nem teljesül, azonban a sugárzásokkal szembeni ellenállóképességük kiemelkedő.

1. ábra A flash- és SONOS-alapú FPGA-k védettsége a konfigurációs memória tartalmát megváltoztatni képes SEU-k ellen

Hogyan történik a sugárzástűrő FPGA-k fejlesztése?

A sugárzástűrő FPGA-k fejlesztésének alaplépése egy olyan gyártástechnológia kiválasztása, amely kiemelkedő TID-teljesítőképességet tesz lehetővé. Ezek elsősorban az RHBD-technológiák lehetnek, olyan flipflopokkal, amelyek áramköri szinten tartalmazzák a beépített TMR-architektúrát.
A szoftverrel megvalósított TMR, amit „szoft TMR”-nek is szokás nevezni, szintén alkalmazható, ha a TMR nem lenne „szilícium-szinten” eleve megvalósítva. Ha viszont a szilíciumszintű fejlesztés során az eszközbe a TMR-képesség is beépül, az eszköz teljesíti a szigorú minősítési eljárás követelményeit.
Annak érdekében, hogy az eszközök a legmagasabb szabványkövetelmények szerint is minősíthetők legyenek, követni kell az USA védelmi minisztériuma által kibocsátott MIL-PRF-38535 szabványt, amely a hadi és űrtechnikai szabványú integrált áramkörök egységes minősítési, vizsgálati és megbízhatósági követelményeit foglalja magában. A MIL-PRF-38535 követelményeket fogalmaz meg azokkal az IC-gyártókkal szemben, amelyek meg kívánnak jelenni az USA védelmi logisztikai ügynöksége (Defense Logistics Agency – DLA) által vezetett QML-jegyzékben.
A termékfejlesztés egy másik szempontja a SEE-védettség jellemzése. Ez – amennyiben a gyártó már véglegesítette a szilíciumszintű tervet – nem változik egyik wafertől⁶ a másikig. Amint tehát a gyártó véglegesítette a szilíciumszintű tervet, elkezdheti a SEE-jellemzési folyamatot. Ezért ha a termék gyártásba került, nincs további SEE-jellemzésre szükség egészen addig, amíg a szilíciumszintű terv változatlan marad.
Ezzel ellentétben van néhány gyártástechnológia, amelynél előfordulhat, hogy a TID-teljesítőképesség waferenként különböző. Ennek az a következménye, hogy a TID-teljesítőképességet minden egyes wafernél egyedileg meg kell vizsgálni annak bizonyítására, hogy az eszköz teljesíti az adatlapon közölt TID-szintspecifikációt (25 krad⁷, 100 krad, 300 krad).

A sugárzástűrő FPGA-k hatása az űreszközök tervezésére

A legújabb sugárzástűrő FPGA-knak számos olyan előnye van, amelyek lehetőséget teremtenek a tervek egyszerűsítésére, miközben jelentősen javítják a fedélzeti adatfeldolgozási képességet. Annak érdekében, hogy ezek az igények kielégíthetők legyenek, a sugárzástűrő FPGA technológiájú végpontok zsugorodnak, hogy nagyobb teljesítményt és nagyobb sebességű jelfeldolgozást kínáljanak több memóriával és digitális jelfeldolgozási képességgel.
A sugárzástűrő FPGA-k más kulcsfontosságú előnyöket is kínálnak, beleértve az újraprogramozhatóságot és – az ASIC-hez képest – gyorsabb fejlesztési időt. Az FPGA-kat általában már nem programozzák újra az űrrepülési küldetés közben, de ez megmarad egy lehetőségnek a fejlesztők számára, mivel a tervek egyre bonyolultabbá válnak. A küldetés közbeni újraprogramozás feltétele, hogy a rendszertervezők kövessék az irányelveket, és gondosan értékeljék a röppályán történő újraprogramozás sikerességi arányát és kockázatait.

Jegyzetek

¹ A hibatűrő architektúrák egyik fajtája, amelyben három (általános esetben egynél nagyobb páratlan számú) azonos felépítésű feldolgozóegység egyidejűleg hajtja végre ugyanazon algoritmust azonos bemenőadatokkal. A kimeneteikre kapcsolt többségi szavazó (majoritás) logika az azonos eredményeket engedi a kimenetre továbbfeldolgozás céljából. A TMR fejlettebb architektúrái a majoritáslogika meghibásodása esetén is lehetővé teszik a hibás feldolgozás eredményeinek kiküszöbölését.
² Két protonból és két neutronból álló részecske, hélium (He₂) -atommag.
³ A reteszelődés (latch-up) „őstípusa” egy olyan üzemállapot, amelyben a planár technológiával készült intergált áramkör alkatrészeinek egymástól való elszigeteléséért felelős, rendeltetésszerűen lezárt szubsztrát-pn átmenet „parazita” -tirisztorként viselkedve tartósan bekapcsolt, kis impedanciás állapotba kerül, amivel az eszköz tápfeszültség-csatlakozóit gyakorlatilag rövidre zárja. [A fordító élete első analóg integrált áramköre egy – mai szemmel primitív, mindössze hét tranzisztorból álló, „lecsap” (és minden más) ellen védtelen – műveleti erősítő emiatt „múlt ki” a kezei közt :).]
⁴ Amennyiben az eszközt a nagy áramfelvétel és a hőhatás nem teszi tönkre azonnal, a tápfeszültség elvétele utáni visszakapcsoláskor helyreállhat a szubsztrátdióda üzemszerű, lezárt állapota.
⁵ A rövidítés a „4. generációs sugárzástűrő” kifejezésből származtatható, bejegyzett kereskedelmi védjegy.
⁶ A félvezetőipar kiinduló termékéből, a hengeres monokristályos Si-tömbből levágott vékony hordozólemez, amelyen közös technológiai lépésekben, egyszerre készül, együtt a wafer és a csip alapterületének arányától függő számú csip. Ezeket csak a wafertechnológia utolsó lépésében, a tokozás előtt választják szét egyedi csipekre.
⁷ A rad a tömegegységnyi besugárzott anyag által elnyelt sugárdózis CGS-mértékegysége. SI-mértékegysége a Gray (Gy), ami kilogrammonként 1 Joule elnyelt energiának felel meg. 1 krad = 10 Gy.