Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2010 №1

Сделай сам бортовой вычислитель для полета на Сатурн

Попович Александр


При разработке космического аппарата вне зависимости от его назначения обязательно возникает вопрос выбора бортового компьютера: вычислительно-управляющей системы, от работы которой в значительной мере зависит выполнение миссии, какой бы она не была. Выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью малыми сериями радиационно-стойкие компьютеры «общего назначения» позволяют решить многие прикладные задачи, однако практической унификации бортовых машин не наблюдается: почти для каждого космического аппарата требуется свой собственный, уникальный набор функций, и компьютеры постоянно модифицируются.

Что делать, если подходящей «готовой» машины нет или ее цена неприемлема для проекта? Очевидный выход из положения — сделать ее самостоятельно. С одной стороны, задача создания бортового компьютера для космического аппарата чрезвычайно сложна: высокие требования по надежности, радиация, значительные перепады температур и потоки тяжелых заряженных (как впрочем и незаряженных) частиц делают невозможным применение «обычных» электронных компонентов класса industrial и даже military. С другой стороны, требования по вычислительной мощности для множества бортовых приложений невысоки и, за исключением схем многократного резервирования, «космические» компьютеры достаточно примитивны. Так, например, тактовая частота в 10 Мгц для системы управления тяжелой космической платформой до сих пор не выглядит неприемлемой, тогда как сотовым телефоном с процессором 400 МГц давно никого не удивить. Кажущееся простым решение совместить опыт создания «земных» микроконтроллеров со специализированной «космической» элементной базой до сих пор было нереализуемым из-за фактического отсутствия таковой.

Практическая невозможность быстрого создания специализированных ЭВМ для космических аппаратов в «лабораторных» условиях до сих пор была предопределена отсутствием на отечественном рынке в свободном доступе (если считать таковым доступ на условиях лицензии ITAR) радиационно-стойкой элементной базы, ориентированной на создание полноценных вычислительно-управляющих систем. Безусловно, отдельные радиационно-стойкие микросхемы были доступны и ранее, однако только в 2009 году появилась возможность импортировать в Россию функционально-законченные микропроцессорные комплекты и наборы компонентов для создания современных бортовых вычислителей космических аппаратов.

Более 500 успешно работавших (или продолжающих работать) в космическом пространстве бортовых компьютеров, произведенных BAE Systems из собственных компонентов, подтверждают надежность и качество элементной базы, выпускаемой компанией. В рамках данной статьи обсудим, как из компонентов BAE можно собрать простой и надежный бортовой вычислитель.

Функциональная схема вычислителя

Предположим, необходимо создать вычислитель, гарантированно работоспособный при накопленной дозе до 200 крад и обеспечивающий стойкость к ТЗЧ с энергией <120 МэВ-см2/мг и нейтронным потокам до 1*1013 нейтрон/с. Допустим также, что ожидаемый поток отказов должен быть не хуже 1 * 10-4 отказов в сутки. С такими характеристиками можно осуществить дальнюю космическую экспедицию, например для исследования планеты Сатурн.

Используя компоненты BAE Systems, изготовленные по технологии R25, о которых говорилось в статье [1], можно построить несколько разных схем вычислителей. Рассмотрим одну из них (рис. 1).

Рис. 1. Функциональная схема простейшего бортового вычислителя космического аппарата

Представленная схема представляет собой простейший компьютер, состоящий из процессора, памяти и сетевого интерфейса. Обеспечить надежность компьютера наиболее просто можно дублированием по схеме «холодный резерв» с высоконадежным элементом переключения комплектов на основе ПЛИС низкой интеграции. Надежность на уровне FIT 10, которую обеспечивают ПЛИС RH1280, позволяет использовать этот элемент как узел, контролирующий работоспособность компьютера в целом. Впрочем, этот узел также может быть зарезервирован дублированием.

Процессор и кэш

В качестве основы для вычислителя может быть использован микропроцессор RAD750. Мощный 32-разрядный процессор RAD750 представляет собой радиационно-стой-кий аналог процессора IBM PowerPC 750. Семейство процессоров PowerPC 740/750 появилось в 1997 году как альтернатива процессорам Intel Pentium и благодаря малому энергопотреблению широко применялось в ноутбуках и моноблоках. Так, например, процессоры IBM PowerPC 750 применялись в компьютерах iMac и iBook, выпускавшихся Apple. Несмотря на то, что развитие данного семейства для «гражданских» приложений фактически прекратилось несколько лет назад, удачная архитектура процессора дала семейству «вторую жизнь» в военных и особенно космических проектах. Сравнительно небольшое (около 11 млн) количество транзисторов позволяет изготовить данный процессор по стандартной полупроводниковой технологии 0,25 мкм с площадью кристалла всего 130 мм2. Реализация «750-го» с помощью технологии R25 позволила достичь тактовой частоты 132 МГц при радиационной стойкости по накопленной дозе не менее 200 крад.

Рис. 2. Основные сигналы микропроцессора RAD750

Как типичный представитель семейства PowerPC 740/750, RAD750 использует шинный интерфейс "60x" c развитой системой арбитража шин данных и адреса, позволяющей работать с различными схемами потокового чтения и записи. Существенно ускоряет производительность системы на основе RAD750 система многоуровневого кэширования инструкций и данных. Непосредственно в кристалле реализованы два модуля кэш-памяти по 32 К и контроллер L2 Tag, управляющий синхронным 72-разрядным внешним кэшем L2. Шины адреса и данных системной памяти и L2 снабжены линиями контроля четности. Для отладки программного обеспечения реализован интерфейс JTAG, который позволяет получить доступ к модулю аппаратного самотестирования процессора ABIST.

Также к особенностям RAD750 следует отнести развитую схему динамического контроля производительности иэнергопотребления, позволяющую эффективно управлять работой бортового вычислителя в условиях ограниченных запасов электроэнергии на борту космического аппарата. Потребляемая мощность процессора составляет от 400 мВт в спящем режиме до 5 Вт в режиме максимальной активности. Микросхема выпускается в керамическом корпусе column grid array CCGA-360.

Микросхемы радиационно-стойкого синхронного кэша L2 объемом 128 К*72 также доступны от BAE Systems с минимальным циклом чтения/записи 7,5 нс.

Интерфейс памяти и сети

В качестве моста между процессором и «внешним миром», который, как правило, состоит из запоминающего устройства и сетевого интерфейса, можно также применить готовое изделие из микропроцессорного комплекта RAD750. Серийно выпускаются различные мосты, совместимые с шиной "60х". Наиболее интересное для разработчиков изделие содержит в себе двухканальный контроллер PCI, совмещенный с 4 каналами SpaceWire (ECSS-E-50-12A) 260 МГц и интерфейсом памяти. Для обсуждаемого простейшего компьютера такой мост представляется избыточным. В качестве альтернативы может быть использована ПЛИС высокой интеграции, изготовленная по технологии antifuse, например семейства Actel RTAX.

В ПЛИС могут быть размещены сложно-функциональные блоки (IP-модули) поддержки шины "60х", сетевые интерфейсы (например, SpaceWire и широко известный MIL-STD-1553), а также модули обработки дискретных сигналов, наиболее полно учитывающие специфику конкретного проекта.

В случае, если мощности сопроцессора арифметики с плавающей точкой, входящего в состав процессора RAD750, окажется недостаточно, дополнительные модули спецвычислителей также могут быть размещены в ПЛИС. Наиболее подходящими микросхемами для этих целей являются, с учетом требований к радиационной стойкости, ПЛИС Actel RTAX-DSP. В отличие от остальных матриц Actel, в этих микросхемах дополнительно реализовано до 15 млрд операций типа «умножение с накоплением» с 18-битными операндами в секунду.

Память

Архитектура запоминающего устройства для простейшего компьютера представляется несложной. Помимо кэша L2, подключенного непосредственно к микросхеме процессора, следует установить PROM для хранения неизменяемой программы «загрузчика», статическую оперативную память программ и данных, а также энергонезависимую память для основного программного обеспечения компьютера.

В качестве PROM может быть использована antifuse микросхема 32 К*8 в корпусе flatpack-28, серийно выпускаемая BAE Systems. Выбор оперативной памяти значительно шире: в настоящий момент для российских потребителей доступны три семейства микросхем оперативной памяти: Magnum, Millenium и «продукция особого назначения» серии 190. Для заданного уровня радиационной стойкости вполне подходит Millenium, семейство высокоскоростных микросхем радиационно-стойкой асинхронной оперативной памяти со временем чтения и записи данных 15 нс. В настоящее время разработчикам доступны различные конфигурации ОЗУ, например 512 К*40 или 2 М*8 в корпусе flatpack-84.

Для хранения программного обеспечения BAE Systems предлагает C-RAM — семейство халькогенидных микросхем памяти нового поколения на основе эффекта изменения фазы агрегатного состояния вещества, изготавливаемых по технологии R25. Электрическое сопротивление наноэлемента из сплава Ge-Sb-Te существенно отличается в зависимости от того, в аморфном состоянии находится сплав или в кристаллическом. Переход между фазами в наноэлементе осуществляется под воздействием специальных импульсов тока длительностью не более 1000 нс. В отличие от элементов Flash, интерфейс памяти C-RAM практически идентичен интерфейсу SRAM, и многократная запись (до 100 000 циклов) может успешно проводиться и в сложной радиационной обстановке, что позволяет безопасно обновлять программное обеспечение компьютера уже в полете. В настоящий момент доступны различные конфигурации, вплоть до 512 K*32 в корпусе flatpack-84.

Рис. 3. Производство микросхем по технологии R25 на заводе в Manassas (США)

Итоги и перспективы

Если ограничить объем памяти PROM 32 кбайт, а SRAM и C-RAM по 2 Мбайт, то в итоге модуль надежного радиационно-стойкого компьютера будет реализован всего на 6 микросхемах, совместимость которых однозначно гарантируется производителем. По данному пути, в частности, движется разработка бортового вычислительно-управляющего комплекса для перспективного космического проекта NASA/ESA TSSM (научно-исследовательская экспедиция на Титан и Сатурн, запланированная на 2020 год).

Если производительность центрального процессора все-таки недостаточна, то можно пойти по пути увеличения количества процессоров RAD750, которая возможна благодаря встроенной поддержке мультипроцессорной работы. Другая альтернатива — это новая версия процессора RAD750 на основе технологии R15 (с технологической нормой 150 нм), работа над которой интенсивно ведется в компании BAE Systems в настоящее время. Ожидаемая тактовая частота нового процессора — не менее 200 МГц, при сохранении всех параметров радиационной стойкости и надежности.

Информация о продукции и технологиях BAE, разрешенных к ввозу в Российскую Федерацию на условиях ITAR, предоставлена на сайте www.bae-radhard.ru.

Литература

  1. Попович А. Технология R25 против радиации: новые продукты на российском рынке электроники для космических аппаратов // Компоненты и технологии. 2009. № 12.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке