Atmel: радиационно-стойкие 32‑разрядные микропроцессоры на базе архитектуры SPARC

Для улучшения технологичности высоконадежных и радиационно-стойких компонентов нужны очень большие инвестиции. Политика, проводимая компанией Atmel, направлена на снижение затрат на разработку и производство новых изделий за счет реализации принципа двойного назначения. Этот принцип предполагает проектирование кристаллов с учетом их применения как для коммерческих, так и для ответственных приложений.

Радиационно-стойкие микросхемы Atmel корпусируются и испытываются на производственных линиях, сертифицированных по стандартам MIL-PRF-38535 (QML-V with RHA, QML-V, QML-Q) и ESCC-QML. Множественные отбраковочные испытания проводятся на основе сертификационных методов стандарта MIL-STD-883. Компания Atmel принимает участие в научно-исследовательских программах Центра военного снабжения в г. Коламбусе (DLA/DSCC), Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), Европейского космического агентства (ESA) и поддерживает двойную маркировку для большинства своих радиационно-стойких изделий с указанием SMD-номера стандартного чертежа микросхемы (5962-ххххх).

Для встраиваемых систем космических аппаратов компания Atmel предлагает серию микропроцессоров, основанных на архитектуре SPARC (таблица). Все эти устройства разрабатывались при поддержке ESA и успешно используются во многих космических миссиях, которые были организованы на территории Европы и США.

В статье представлена новая разработка компании Atmel — первый радиационно-стойкий микропроцессор с реконфигурируемой периферией (рис. 1).

Рис. 1. Микропроцессор ATF697FF с реконфигурируемой периферией

Выпуск микросхемы был анонсирован в июле 2012 года. Устройство представляет собой сборку из двух кристаллов — высокопроизводительного 32-разрядного микропроцессора SPARC V8 LEON2 FT и микросхемы программируемой логики ATF280F FPGA, выполненной на базе статической памяти SRAM. Обмен данными между процессором и реконфигурируемым модулем может осуществляться с помощью внутренней PCI-шины, GPIO- или EBI-интерфейса (рис. 2). Оба кристалла выполнены по 0,18-мкм AT58KRHA КМОП-технологии и обладают высокой стойкостью к накопленной дозе (до 300 крад).

Рис. 2. Структурная схема микропроцессора ATF697FF

Технические характеристики ATF697FF [1]:

• Высокопроизводительное 32-разрядное ядро, выполненное на базе архитектуры SPARC V8:
  • Системная частота — 100 МГц.
  • Совместимость с LEON2-FT 1.0.9.16.1.
  • Усовершенствованная архитектура:
    • 8 регистровых окон;
    • 5-ступенчатый конвейер;
    • 4-канальный ассоциативный кэш команд (32 кбайт);
    • 2-канальный ассоциативный кэш данных (16 кбайт).
• Интегрированный блок операций с плавающей точкой (32/64-бит IEEE 754).
• Производительность:
  • 86 MIPs (Dhrystone 2.1);
  • 23 MFlops (Whetstone).
• Периферия на кристалле:
  • PROM-контроллер;
  • SRAM-контроллер;
  • SDRAM-контроллер;
  • контроллер прерываний (8 внешних входов);
  • таймеры (два 32-разрядных таймера, сторожевой таймер).
• Реконфигурируемый модуль:
  • Системная частота — 50 МГц.
  • Матрица — ATF280F SRAM FPGA.
  • 280K эквивалентных вентилей.
  • 14 400 устойчивых к одиночным отказам макроячеек.
  • Неограниченное количество циклов перепрограммирования.
  • 115 200 бит распределенной одно-/двухпортовой пользовательской SRAM.
  • Гибкие режимы конфигурирования: мастер/помощник; последовательный/параллельный.
  • 8 глобальных тактовых сигналов.
  • Система безопасного конфигурирования с проверкой данных.
• Интерфейсы:
  • сдвоенный последовательный UART;
  • 32 линии I/O общего назначения;
  • 140 конфигурируемых линий I/O c «холодным» резервированием и PCI-совместимых;
  • 4 LVDS-передатчика и 4 LVDS-приемника.
• Напряжение питания:
  • для входов/выходов — +3,3 ±0,3 В;
  • для ядра — +1,8 В ±0,15 В.
• Потребляемая мощность — 0,7 Вт.
• Корпус — MQFPT-352
• Температурный диапазон — от –55 до +125 °C.

В зависимости от требований приложения могут поддерживаться два основных режима работы микросхемы ATF697FF. Если для загрузки используется интерфейс Space Wire, FPGA может работать в режиме «мастер», выполняя функции инициализации периферийных узлов до начала работы процессора. Если необходимо изменить настройку интерфейсов на борту действующего космического аппарата, в режиме «мастер» может работать процессор. В этом случае конфигурация FPGA будет полностью контролироваться программным обеспечением процессора.

Для оценки производительности и возможностей дальнейшего применения реконфигурируемого микропроцессора ATF697FF компания Atmel предлагает полный комплект документации и средств проектирования: оценочную плату (рис. 3), среду разработки для платформ SPARC V8 от центра космических технологий института StarDundee, среду размещения и разводки FPGA IDS, загрузочные кабели.

Рис. 3. Оценочная плата ATF697FF

В статье был представлен новый радиационно-стойкий микропроцессор компании Atmel, рекомендованный для бортовой аппаратуры космического назначения, имеющий лучшую производительность в своем классе, работающий на частоте до 100 МГц и обладающий самым низким энергопотреблением. К другим преимуществам ATF697FF можно отнести следующие: экономия места на печатной плате, простая процедура реконфигурации периферии с использованием интерфейсов Space Wire, возможность модификации системы после запуска космического аппарата. Для построения полнофункционального бортового компьютера к ATF697FF необходимо подключить только внешнюю память. Более подробную информацию и рекомендации по применению микросхем можно получить на сайте производителя [2].