Orbital ve Deep-Space Electronics'deki Radyasyon Zorlukları Giriş

Uzay için elektronik sistemler, uzaysal koşullardan radikal bir şekilde farklı bir ortam yaratmak anlamına gelir. Düşük Dünya yörüngesinden uzak koruyucu bir atmosfer ve magnetosphere her bileşeni yüksek enerjili partiküllerin sürekli bir barpanjını ortaya çıkarır. Uydu mühendislerine sahip olmanın en çok yönlü bina blokları arasında FPGA'lar. Görünüşe göre basit bir yeniden yapılandırılabilirlik, karmaşık bir sinyal işleme ve birden fazla fonksiyonun tek bir cihaza entegrasyonu, kütle ve gücü azaltın.

Riskler yüksek: Bir uydudaki tek bir bileşen başarısızlığı, uygulamaya özgü olmayan devrelerin yıllarca işe yaramaz hale getirebilir, potansiyel olarak iletişim, navigasyon veya bilimsel gözlem. Alan programlanabilir kapı dizileri, uzun süredir değerli uzay görevlerine izin verir, ancak bu esnekliğin sabit olmayan mühendislik maliyetleri olmadan özelleştirilmesine izin verir ve bu güvenlik birimlerinin yeniden yapılandırılması için bugün tasarım ve tasarıma doğru adım atma yeteneğinin gerektirdiği şekilde doğru bir şekilde belirlenmesi gerekir.

The Unforgiving Radyasyon Spectrum ve Onun Mechanisms

Uzay radyasyonu monolithic değildir; gezegensel kemerlerde sıkışık parçacıklar, ışıklı atomik kütleli ejeksiyonlar ve galaktik kozmik ışınların güneş sistemimiz dışında ortaya çıkmasının nedeni, yarı iletken cihazlar için birincil endişeler, özellikle de tek kullanımlık CMOS prosesleri ile şarj edici yüzeysel yüzeysel yüzeysel yüzeysel yüzeysel yüzeysel yüzeysel devreler ve sığma noktalarının altından daha az miktarda elektriksel basınç tasarrufu sağlar.

Tek yönlü etkiler, tek bir enerjik parçacığın mantığını tanımlamak için yeterince şarj olduğunda, bir latch veya yıkıcı bir latchup olayı tetikler. FPGA'larda, bu da tek yönlü başarısızlık (SEU), tek-event geçici bir başarısızlık (SET), tek-event geçici bir kesinti (SEL) ve tek-evental devretme (SE) tüm bir işlev değişikliğini gerektirir.

Bu partiküllerin enerjisi, CREME96 veya SPENVIS'in yörünge parametrelerine göre beklenen olayı hesaplamak için ölçülmektedir.Spektif yörüngedeki partiküllerin karakteristik flux'ı, belirli bir cihaz için SEE olayını tanımlar. Misyon planlayıcıları, CREME96 veya SPENVIS gibi modellerini yörünge parametreleri, güneş döngüsü aşamasına dayanan ve koruyucu varsayımlar için doğru bir şekilde yapılandırır.

FPGA Teknolojisi Vakfı: Vulner yükümlülükleri nerede

Tüm FPGA mimarisi radyasyona eşit şekilde cevap vermez. Üç baskın programlama teknolojileri –SRAM, flaş ve antifüzyon – her şey, temel teknoloji seçimi doğrudan bir tasarım ekibinin radyasyon masyonunu nasıl etkilediğine dair farklı avantajları ve zayıflıkları anlamayı sağlar.Her mimari, en yüksek güvenilirlik, en basit sistem entegrasyonu veya maksimum güvenilirlik anlamına gelir.

SRAM-Based FPGAs

SRAMitigation FPGAs, konfigürasyonu bir dizi değişken bellek hücresinde depolar. Bu, onları sonsuza kadar yeniden yapılandırabilir ve yüksek derecede esnek yapar, ancak aynı zamanda SEUs'a karşı yapılan tek bir parçacık grevi, cihazı biraz daha doğru bir şekilde düzeltebilir, uzay için tasarlanmış olan işlevi yeniden yapılandırılabilir. MRC genellikle üç adet modüler kırmızılık (TMR) tasarım seviyesindeki algılamayı sağlar - tam olarak tekrarlanır ve tekrarlanır.

Onların susceptability tahminine rağmen, SRAM FPGA'lar en yüksek mantık yoğunluk ve DSP performansını sunar ve onları sentetik aperture radar veya hiperspectral görüntüleme gibi yüksek seviyeli bir işlem için zorlayın. Anahtar, TID ve SEL özellikleri için bütçeye uygun olarak, genel hata yönetimi planında çok sayıda görevin belirlenmesi gerekir.

Flash-Based FPGAs

Flash FPGAs depolama yapılandırması nonvolatile yüzen transistörler için yapılandırın.Bu hemen dış çizme hafıza ve ilişkili yapılandırma SEU kırılganlığı için geçiş seviyesindeki sağlar.The user turn TMR607 koruma cihazları hala bu kategoriye dönüştürülür; ancak gömülü flaş teknolojisi hala TID-indüklenen şarj kaybı yaşayabilir ve yüksek enerji parçacıkları kontrol mantığında işlevsel bir şekilde kesintiye neden olabilir.

Flash tabanlı yapılandırma depolama, tek bir olay sadece kullanıcı geri dönüşümlü ve blok RAM'ı rahatsız edebilir, aktif yapılandırma yönetimi olmadan hızlı bir şekilde kurtarmanız gerekir.Spek tabanlı FPGA'lar, yüksek çözünürlükte olan bazı kontrol cihazları ile karşılaştırıldığında, yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan bir veri kümesine kıyasla TMR'yi seçici olarak kullanan kullanıcı kayıtlarını uygular.

Antifüzyon-Based FPGAs

Antirasyon teknolojisi, radyasyon sertliği ile tek zamanlı programlanabilir bir mantık için geçerlidir.Konferans, elektriksel olarak küçük insülatör bağlantıları ile kurulur, kalıcı bağlantıları yaratır. mantık yoğunluğu fiziksel olarak zor olduğundan, SVEEUs yapılandırması imkansızdır. Antifüzyon FPGA'ler genellikle 300 krad'ın üzerinde iyi bir şekilde kullanılabilir ve temel bir şekilde yapılanması gereken bazı uygulamalarla yapılır.

Radyasyon Sertliği: Standartlar ve Kritik Parametreler

Bir FPGA'yı seçmek, pazarlama terimlerinin ötesine ve standart test verileri ve görev bazlı çevresel analizdeki kararların ötesine geçmek gerektirir. Aşağıdaki parametreler üretici veya güvenilir bir üçüncü parti tarafından açıkça belgelenmelidir. Bu veriler olmadan, radyasyon toleransının herhangi bir iddiası aslında doğrulanamaz ve görev için risk doğru bir şekilde değerlendirilemez.

Tamamen Yaşama Sahip

rad(Si) veya krad. Görev koruyucu analizi ile uyumlu verilere bakın. Tipik olarak, radyasyon testleri kontrol edilen dozda MIL-STD-883 TM 1019 veya ESCC Temel Özellikler: 22900 $ - Düşük doz üreticileriniz için kabul edilebilir bir eşleme testi yapılır ve bazı düşük seviyeli veriler için testler, genellikle 50 ila 300 arasında ve 300 dozda test edilen verileri kontrol edilebilir.

Single- Event Latchup Immunity

Yıkıcı bir olay kesinlikle kaçınılmalıdır. Cihazın 100 MeV'nin üzerindeki değerleri garanti altına alması gerekir; lineer bir enerji transferi eşine göre en kötü durumdaki ağır iyon ortamının üzerindeki görevlere sahip olmak, genellikle 60 MeV·cm2/ mg. Birçok modern rad-tolerant FPGA'nın üzerindeki değerlerin arttırılması gerekir, ve cihaz hasarsız veya kurtarma için test edilebilir.

SEU ve kuantum Oranları

Hesap için, belirli bir yörüngede cihaz başına gelen miktarlar CREME96 gibi araçlar kullanılarak öngörülebilir olmalıdır. Kullanıcının yüzleri için, satıcı tarafından sağlanan bir kesitin tespit edilmesi ve fluence tam olarak kontrol edilir.Bu veriler, tasarıma izin verilen herhangi bir yörünge ortamı için üzücü hızlar hesaplamak için gerekli olan hataları hesaplamak için gerekli olan verileri hesaplamak için gerekli olan verileri hesaplayabilir.

Tasarım-Level Mitigation: Tüm Hata Hoşgörüleri FPGA Fabric

Radyasyonun temel silikonun ne kadar zor olabileceği önemli değil, kullanıcı mantığı zorlanmalıdır. TMR her hassas kayıt üçlü TMRion'u aynı anda kapatıp, doğru çıkışları önlemek için gerekli olan bir çoğunluk.For state makineleri, TMR bireysel geri dönüşümlü veya tüm devlet kayıtlarına bağlı olarak uygulanabilir.

Triple Modüler Redundancy Uygulama

TMR prensibi basittir: Her bir mantık fonksiyonunun üç kopyası paralel olarak çalışır ve çoğunluk oylaması da çıktıyı seçer.Bir kopya bir şekilde bir üzücü deneyimlenirse, diğer iki kesinti mantığın yerine getirilmesi ve doğru çıktının uygulanması, TMR'nin etkili bir şekilde birkaç ince konuya dikkat etmesi gerekir.Sorular da, genellikle iki veya daha fazla kopyayı kullanarak, tek bir olayda birden fazla düzeltme yöntemin tamamını etkilemez.

TMR'nin yükü önemlidir: Korumasız tasarıma kıyasla üç ila dört faktör tarafından genellikle artış gösterir ve güç bütçesinde sıklıkla hesaplanmalıdır. Çoğu görev için TMR, yalnızca korumaz bir tasarıma uygun olarak uygun olmayan bir cihaz uygulamak, TMR'nin uygulanması gereken tüm önemli bir şekilde daha pahalı bir FPGA'ya kadar daha fazla yardımcı olabilir.

Yapın hafızayı yapılandırma

SRAM FPGA'lar için yapılandırma hafıza ovma, genellikle bir TMR domaini yenmek için özel bir kontrol cihazı veya sıkı bir şekilde kontrol edilen iki sabit sistemi içeren sabit bir işlemden daha hızlı bir şekilde geçmeli ve SEU birikimini tek bir TMR domaini yenmek için tek bir test alanından kaçınmak gerekir; FPGA-inli bir çözümle ilgili olarak, gelişmiş ECC kodlarını kullanarak gelişmiş bir çift anahtarlama sistemi kullanarak, iki anahtarlama işlemine öncelik veren, sabit bir çözüm oluşturabilir.

Skov, CRC veya ECC kullanarak hataların uygulanması için tekrarlanabilir, çünkü yapılandırma çerçevesi gerekli olduğunda, ancak beklenen CRC değerlerinin tekrar tanıtılması gerekir. Yapılama mantığında yapılan hataların düzeltilmesi için, kör bir hata tespit edildiğinde, sadece düzeltmenin daha verimli olması gerekir, çünkü yalnızca yapılandırma çerçevenin tekrar yazılması gerekir.Bu yaklaşımların altındaki belirli bir sistemdeki hataların tekrar yazılması gerekir.

Blok RAM ve Gömülü Hafıza Koruma

Normal bir şekilde, EDAC'ı tek bir hata düzeltmesi ve çift hata algılama (SECDED) ile takip etmek, RAM'in tüm hafızadaki yerinin belirlenmesi veya değiştirilmesi için gerekli olan bir süre boyunca, normal bir şekilde ayarlanması gereken bir sistemden bağımsız olarak geri alınması gerekir.

FPGA Seçimlerini Misyon Profilleri

Her uzay FPGA bir Jovian radyasyon bandında hayatta kalmak zorunda değil. Seçenme süreci, tipik olarak yörünge parametrelerinden türetilen, güneş döngüsü aşaması ve kitlesel kalkanlama. Bir radyasyon tasarımı marjı (RDM) politikası, SEE faktörü 2'de TID ve faktör üzerinde uygulanır. aşağıdaki profiller farklı görev sınıfları için tipik seçim kriterleri ile başlamalıdır.

Low Earth Orbit

LEO takımları iletişim veya Dünya gözlemi için oldukça iyi bir radyasyon ortamı, özellikle de düşük eğimlerde. Üç ila beş yıl boyunca kısa görev süresi ve maliyetleri en aza indirmek için ticari baskı, sadece 30 ila 50 krad ile SRAM-bazlı FPGA'lar elde etti ve ağır SEL bağışıklık sistemi çok fazla tarama ile birlikte daha fazla önemsedi.

Orta Dünya Orbit ve Geostationary Orbit

MEO ve GEO, yüksek performanslı hesaplamalı cihazlara ihtiyaç duyan 300 krad ve doğal yapılandırma ile, bu, yüksek performanslı bir şarj sistemi için gerekli olan yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan ve daha basit bir şekilde test edilen elektronik cihazlar için otomatik olarak kontrol edilen bir sistem tasarımının gerektirdiği gibi, yüksek çözünürlükte bulunan bir diskometrik ölçümler için daha düşük çözünürlükte olan bir sistem tasarımının daha düşük olması gerekir.

Deep Space ve Planetary Missions

Derin uzay ve gezegensel görevler Jüpiter'in yoğun kemerleri veya güneş rüzgarında uzun sürelerle karşı karşıya kalabilir. İşte TID gereksinimleri, sadece mütevazı bir flaşın arkasındaki 1 Bayad'ı aşabilir veya çok sertleşmiş flaş robotları, örneğin Avrupa BRAH'nin ısıtılmış ısıtılmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış ısınmışlığı için daha fazla ısınmalıdır.

Güç, Termal ve Ambalaj Gerçekleri

Uzaydaki güç, güneş serisi büyüklüğü, batarya kapasitesi ve termal yönetim sistemi karmaşıklığı ile doğrudan bağlantılıdır. Daha düşük bir güç FPGA sadece toplam tampon gücü azaltır, ancak ayrıca, mikropiyon ve radyasyonun sadece ısıtılması gereken bir vakumda ısı reddedilmesini sağlar.

Hermsik ambalajı özellikle uzun süredir kullanım görevleri için önemlidir, çünkü uzun tasarım yaşamlarına ulaşmadan nemse ve kirleticileri engeller, hismetic seramik paketleri plastik paketlerden önemli ölçüde daha ağır ve daha pahalıdır ve betonlar ile beton kaplamalar ve beton kaplamalar için uygun kaplamalarla değerlendirilmektedir, ancak uzun tasarım yaşamlarında kullanılan ısıtıcı görevler ve GEO uyduları için çok fazla miktarda yüksek çözünürlükte bulunabilir.

Tedarik Zinciri Güvencesi ve Uzun Süreli Destek

Kritik ama sık sık göz ardı edilen bir özellik, uzun vadeli erişilebilirlik yollarına ilişkin olarak kullanılan elektronik satış noktalarına ilişkin olarak, standart satış noktalarına eklenen elektronik satış noktalarına ek olarak, otomatik satış noktalarına ek olarak, otomatik satış noktalarına eklenen diğer kontrol noktalarına eklenen elektronik satış noktalarına sahip olan elektronik satış noktalarına ilişkin olarak, otomatik satış noktalarına ilişkin olarak, otomatik olarak yapılan denetimler için kullanılan elektronik satış noktalarına ilişkin olarak desteklenebilir.

Uzun vadeli destek ayrıca yazılım aracı kullanılabilirliği içerir. FPGA tasarımları genellikle uzay programları için uygun olmayan bir araç desteği kullanılarak oluşturulacaktır.Bir program ek olarak, tasarım araçlarının mevcut ve destekleneceğinden emin olmalıdır. Bazı satıcılar, belirli bir araç sürümünün belirli bir uyumluluk planına sahip olmasını garanti eder ve bir şekilde belgelenebilir.

Pratik Uygulama: Bir Adım-by-Step Selection Methodology

Çok sayıda faktöre dayanarak, yapılandırılmış bir karar süreci ticarete gidenleri dolaşmasına yardımcı olur. Mühendisler bu sırayı görev gereksinimlerine karşı sistematik olarak değerlendirmek için takip edebilir:

  1. [FONT=0) Görev radyasyonu ve güvenilirlik ortamı[Dönetici:0) SPENVIS ve CREME96 gibi araçlar kullanarak, TID, yerinden edilme hasarları ve gerekli güven seviyesi için gerçekleştirilen disiplinlerarası spektrumlar. Harita TID krad ve SEE bağışıklık eşleri gerekli.Programın radyasyon tasarımı marj politikası ile tanımlanması olarak tanımlanan marj faktörleri içerir.
  2. [FONT:0)Determin performans zarfı.[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜDÜDÜDÜDÜSÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜ: 0 0) Bu, planlanan bağlantı ve veri oranı için aday FPGA'ye kadar ölçeklendirme gerekliliklerini yerine getiriyor.
  3. [[Fabrika:0) Teknoloji toleransı tarafından yedeklenebilir.[Dönetici:0) 100 krad'ın altındaki görevler için, ekranlı COTS SRAM FPGA'lar geçiş yapabilir. 100'den fazla krad için, rad-tolerant flaş veya rad-hardized SRAM'a odaklanın, cihazı yok edebilir ve potansiyel olarak tüm uzay aracı için en yüksek çözünürlükte flaş düğümleri göz ardı edebilir.
  4. [FONT:0]Evaluate mitigation maliyetine mal oluyor.[DÜDÜDÜSTRİYE], TMR'nin mantığını hesaplamak ve elde edilen tasarımın herhangi bir dış mekan veya yapılandırma için uygun olduğunu doğrulayın.
  5. [FONT:0]Vendor yeterlilik tarihi[Dönetici:0] Mevcut uçuş mirasını gözden geçirin. [Ücretsiz:2]NASA NEPP programı), FPGA'larda gerçek dünya davranışını temsil eden çok değerli bir test raporları yayınlar, aynı cihazda bile değiştirebilir.
  6. [[Dönetici araç akışı desteği [Dönetici:0] FPGA tasarım araçları TMR ekleme, güvenilirlik için yerleştirme kısıtlamaları ve hangi bir radyasyon-aware yeri-ve-route akışı karakterize edilebilir. Örneğin, Xilinx Vivado, Soft M Hata çekirdeği veya Microchip Libero SoC'nin özel tasarım ayarıyla geri yüklemesini sağlar. Satıcının kullanımı için özel cihazı ve paketi desteklediğini onaylayın.

This methodology should be applied iteratively as the design matures. Initial trade studies may eliminate entire device families quickly, while detailed analysis at later stages focuses on differentiating between closely matched candidates. The results of the selection process should be documented in a trade study report that captures the rationale for the selected device and the risk assessment for any candidates that were rejected despite meeting basic requirements. It is also wise to identify a second-source option where possible, particularlyİlk cihazın mevcut olabileceği uzun vadeli programlar için.

Gelişen Teknolojiler ve Gelecek Yollar

Uzay için nmGA peyzajı hızla gelişiyor. Gelişmiş FinFET düğümlerinin tanıtımı, AMD 7nm Versal adaptive SoC gibi, inanılmaz hesaplama yoğunluk vaat ediyor ancak çok sayıda hücreli sinir bozucu sistemlerle ilgili yeni radyasyon sorunları getiriyor.Bu gelişmiş cihazlar, dışsal müdahale olmadan sistemi karmaşık bir şekilde tespit edip düzeltebilecek şekilde kontrol ediliyor.

RISC-V yumuşak çekirdeklerin FPGA'lar içindeki artış, tüm işlem hattının, güneş enerjisinin sabitlenme işlemine dayanan bir sistemle bağlantılı olması ve daha yüksek çözünürlükte bir diğer uygulamadaki yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan bir sistemle birlikte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bir şekilde ayarlanabilir.

Sonuç: Kozmoslar için Resilient bir Hesaplama Core inşa

Uzay için bir FPGA seçmek, silikon teknolojisinin sabit bir şekilde düşmanca bir ortama karşı dayanıklılık ve esnekliktir. Tüm görevler için tek bir en iyi cihaz yoktur; güçlü bir sefilli altyapı ile eşleştirilmiş olan doğru seçim, flaş tabanlı cihazlar, daha basit bir sistem için doğal yapılandırma bağışıklık sağlar ve uygulama alanı ile yüksek düzeydeki yörüngeler için en yüksek güvenilirlik sağlar.

Karar süreci, gerçekleştirilmiş test verileri ve standart analitik araçlarda zemine zeminde olmalıdır.Süresel test sonuçlarına karşı ölçümleme yönteminin tam olarak kaynak bütçeleri ve program planlama için hazırlanmış olan FPGA'ların tam bir şekilde dağıtılması gerekir.Uzmanlık görevlerinin tam farmasötik hatları ve test raporları ile ilgilenmesi, gelecekteki tüm uzaysal sorunları doğru bir şekilde çözebilecektir.