Научная статья на тему 'Бортовые компьютеры космических аппаратов из  компонентов Bae Systems'

Бортовые компьютеры космических аппаратов из  компонентов Bae Systems Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
335
73
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Попович Александр

Возможности Центра полупроводниковых технологий BAE Systems, расположенного в городе Манассас, США, по изготовлению радиационно-стойких электронных компонентов позволяют создавать цифровые СБИС с выдающимися показателями производительности и надежности. Более 500 бортовых ЭВМ, собранных инженерами BAE из микросхем собственного производства, успешно работали и работают в космосе. Сегодня как компоненты, так и готовые изделия BAE доступны российским разработчикам, у которых появилось сразу три возможности: разработать бортовой компьютер самостоятельно, повторить американский или же купить готовый. У каждого из вариантов есть свои плюсы и минусы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Бортовые компьютеры космических аппаратов из  компонентов Bae Systems»

Бортовые компьютеры космических аппаратов

из компонентов BAE Systems

Александр ПОПОВИЧ

popovich@bae-radhard.ru

Возможности Центра полупроводниковых технологий BAE Systems, расположенного в городе Манассас, США, по изготовлению радиационностойких электронных компонентов позволяют создавать цифровые СБИС с выдающимися показателями производительности и надежности. Более 500 бортовых ЭВМ, собранных инженерами BAE из микросхем собственного производства, успешно работали и работают в космосе. Сегодня как компоненты, так и готовые изделия BAE доступны российским разработчикам, у которых появилось сразу три возможности: разработать бортовой компьютер самостоятельно, повторить американский или же купить готовый. У каждого из вариантов есть свои плюсы и минусы.

Центр полупроводниковых технологий BAE Systems

Расположенный в штате Вирджиния Центр полупроводниковых технологий (STC) (рис. 1) занимается разработкой и серийным изготовлением радиационно-стойких электронных компонентов с начала 80-х годов XX века. Как в составе корпорации Lokheed Martin (до 2000 года), так и в составе BAE Systems Центр выполняет важную роль, обеспечивая потребности разработчиков космических аппаратов надежной элементной базой собственного производства. В настоящее время в Центре работает около 400 человек, которые осуществляют полный цикл изготовления интегральных микросхем: от первичного контроля материалов и оптической литографии до корпусирования и полномасштабного тестирования готовых изделий по технологии CMOS с нормами 0,8; 0,25 и 0,15 мкм. Кроме того, здесь же производятся радиационно-стойкие микросхемы с однократно-программируемыми ключами по технологии antifuse. Собственно, «кремниевая фабрика» STC площадью около 5000 кв. м содержит рабочие зоны классов 1, 10 и 100.

Тестовые лаборатории Центра позволяют выполнять все испытания в соответствии с MIL-STD 883, включая рентгеновское и гамма-облучение (на основе источника кобальт-60). Для исследования надежности опытной и серийной продукции функционируют девять тестовых систем, оборудованных логическими тестерами, сканирующими и фотоэмиссионными электронными микроскопами и источниками тяжелых заряженных частиц. Центр сертифицирован DSCC

Рис. 1. Здание STC

в соответствии с MIL-PRF-38535 и включен в список «квалифицированных производителей» (QML) и список «доверенных поставщиков министерства обороны США» по категории 1А.

Научная деятельность Центра в настоящее время сосредоточена в двух областях: дальнейшее повышение радиационной стойкости технологии R15, которая приходит на смену отлично зарекомендовавшей себя технологии R25 [1], и развитие технологии халькогенид-ных наноэлементов энергонезависимой памяти [2]. Есть основания полагать, что новейшие микропроцессоры семейства RAD750 (рис. 2) с технологической нормой 0,15 мкм и тактовой частотой до 600 МГц, а также быстродействующие микросхемы памяти большого объема вскоре станут доступны и отечественным разработчикам.

Бортовые компьютеры BAE Systems

Для обеспечения потребностей американской космической программы BAE разрабатывает, изготавливает и поставляет готовые бортовые ЭВМ. В настоящее время на орбите функционируют как устройства предыдущих поколений (16-разрядный компьютер “1750” и 32-разрядный RISC-компьютер RAD6000), так и современные устройства, построенные на базе новейшего процессора RAD750. Так, например, на борту Fermi Gamma-ray Space Telescope

Рис. 2. Пластина c RAD750

(также известного как GLAST) работает сразу 7 компьютеров семейства RAD750 в формате 3U (рис. 3). Все космические аппараты американской программы по изучению Луны (Lunar Precursor Robotic Program) строятся на базе компьютеров семейства RAD750 в формате 6U. Первые два космических аппарата данной программы — LRO (лунный зонд) и LCROSS (спутник для наблюдения и измерения лунных кратеров) — уже были запущены.

Простейший способ быстро получить работоспособный компьютер для работы на орбите или в дальнем космосе — приобрести готовое изделие. Номенклатура выпускаемых в настоящее время одноплатных бортовых ЭВМ для использования в условиях повышенной радиации приведена в таблице. Помимо перечисленных ЭВМ, доступны их различные модификации, отличающиеся несущественно.

Таблица. Бортовые ЭВМ семейства RAD750

Обозначение Размер SRAM, Mбайт SDRAM, Mбайт EEPROM, кбайт PROM, кбайт NVRAM, Mба SpaceWire 1ББ3

8403110-1 3U Нет 128 256 нет нет нет нет

8404785-1 6U-220 16 нет нет 256 нет нет

8404760-2 6U-220 36 нет нет 64 4 2

8419528-1 6U-160 20 нет нет 64 нет нет

Процессор

RAD750

> k шина

, 60х

PCI <--------->

U ART

Специализированная

СБИС

24 бит +*--------►

80 бит ^—►

EPROM )

Г SDRAM \

V J

госбережения с поэтапным выключением питания отдельных функциональных блоков в кристалле, что позволяет применять эту плату в системах с сильно ограниченным бюджетом энергии.

Обращает на себя внимание то, что на рассматриваемой плате не реализован кэш второго уровня, что существенно снижает эффективность вычислительной системы, а также не предусмотрены сетевые интерфейсы. Этот простейший компьютер может быть использован только в составе многоплатной системы, построенной на основе шины PCI (CompactPCI), и вряд ли может быть рекомендован для повторения.

На рис. 5 представлена структурная схема наиболее совершенного на данный момент готового одноплатного компьютера от BAE Systems. При весе менее 1200 г и потреблении электроэнергии не более 20 Вт компьютер обеспечивает одновременную работу 4 каналов SpaceWire и двух линий “1553”. Наличие загрузочной PROM и энергонезависимой памяти программ на основе халькогенидных микросхем C-RAM, процесс программирования которых не подвержен влиянию радиации, позволяет эффективно реализовывать обновление программного обеспечения непосредственно на борту космического аппарата при помощи удаленного доступа.

В отличие от рассмотренной ранее схемы, данное решение обладает оптимальной организацией памяти, однако вызывает сомнение целесообразность прокладки на плате шины PCI, которая используется только для объединения контроллера/роутера Spacewire, контроллера интерфейса MIL-STD-1553 и вычислительного ядра. Использование данного решения в качестве основы для собственного проекта не представляется разумным, в частности и потому, что малосерийные специализированные СБИС с неизвестной внутренней архитектурой могут стать препятствием для воспроизводства и развития изделия в будущем. Кроме того, общие недостатки обоих рассмотренных решений — отсутствие поддержки системного резервирования и высокая стоимость.

Автору представляется наиболее перспективным путь разработки собственных проектов бортовых вычислителей из компонентов BAE. Используя серийные микросхемы (такие, например, как процессор и память), надежность и функциональность которых неоднократно доказаны на практике, и заменяя специализированные СБИС программируемыми логическими матрицами, спроектированными исходя из реальных потребностей в организации памяти и внешних интерфейсов для конкретного космического аппарата, можно по-

Рассмотрим подробнее пару наиболее характерных представителей семейства RAD750: “8403110-1”, который далее для удобства будем называть 3^ и “8404760-2”, который назовем 6^ Упрощенная структурная схема изделия 3U представлена на рис. 4.

При весе 549 г и тактовой частоте процессора 132 МГц данный компьютер обеспечивает производительность 260 Dhrystone по тесту 2,1 MIPS и среднее энергопотребление в рабочем режиме 10,2 Вт (3,3 В). Для экономии электрической энергии процессор RAD750 в этой схеме может функционировать на 7 фиксированных тактовых частотах (от 4 до 132 МГц) и предусматривает 3 дополнительных режима энер-

Процессор

RAD750

72 бит /

SSRAM

J

шина

бОх

UART <------>

Специализированная

СБИС

8 бит 80 бит —► 80 бит

-*1-------W

EPROM

NVRAM

SRAM

J

З

з

/ \

PCI ПЛИС

V У

1553 (а/Ь)

К------►

Специализированная

СБИС

ТТЛ

SpaceWire (1—4)

80 бит ^---------►

■(^SRAM для SpaceWire^)

Рис. 4. Структурная схема компьютера RAD750 3U

Рис. Б. Структурная схема компьютера RAD750 6U

рубрика

лучить оптимальное бортовое вычислительно-управляющее устройство. Доступность в России ПЛИС высокой интеграции, сопоставимых с микросхемами BAE по радиационной стойкости, в корпусах CCGA с количеством выводов, достигающим 1152 (например, Actel RTAX), позволяет проектировать и изготавливать полнофункциональные бортовые компьютеры на основе процессора PowerPC (RAD750) с минимальными габаритами. Эти компьютеры будут превосходить по своим характеристикам готовые изделия BAE Systems и при этом существенно дешевле. ■

Литература

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

2. Попович А. Халькогенидная энергонезависимая память CRAM // Компоненты и технологии. 2010. № 2.

3. Попович А. Сделай сам бортовой вычислитель для полета на Сатурн // Компоненты и технологии. 2010. № 1.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.