CC BY
102Сделай сам бортовой вычислитель
для полета на Сатурн
Александр ПоПович
При разработке космического аппарата вне зависимости от его назначения обязательно возникает вопрос выбора бортового компьютера: вычислитель-но-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 радиационностойкие микросхемы были доступны и ранее, однако только в 2009 году появилась возмож-
ность 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 1х1013 нейтрон/с. Допустим также, что ожидаемый поток отказов должен быть не хуже 1 х 10-4 отказов в сутки. С такими характеристиками можно осуществить дальнюю космическую экспедицию, например для исследования планеты Сатурн.
Управление шиной адреса ^ Сигналы начала передачи адреса -4 Адрес и линии контроля четности Сигналы завершения передачи адреса Сигналы управления типом транзакции Управление шиной данных Данные и линии контроля четности Сигналы завершения передачи данных <4— Управление кэш-памятью 1_2
RAD750
PowerPC
1RU44
251А161-МЕСН
-► Сигналы прерываний -► Отладочный портЯАб -► Управление процессором -► Управление тактовой частотой -► Управление питанием
-► Напряжения питания -> вУБ С1-К
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).
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-стойкий 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.
Как типичный представитель семейства PowerPC 740/750, RAD750 использует шинный интерфейс “60x” с 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.
Рис. 2. Основные сигналы микропроцессора RAD750
Также к особенностям RAD750 следует отнести развитую схему динамического контроля производительности и энергопотребления, 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 Кх72 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 сложнофункциональные 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 спец-вычислителей также могут быть размещены в ПЛИС. Наиболее подходящими микросхемами для этих целей являются, с учетом тре-
бований 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 Кх8 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 Кх40 или 2 Мх8 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, интер-
Рис. 3. Производство микроcхем по технологии R25 на заводе в Manassas (США)
фейс памяти С^АМ 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 Кх32 в корпусе flatpack-84.
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. Ш
Литература
1. Попович А. Технология R25 против радиации: новые продукты на российском рынке электроники для космических аппаратов // Компоненты и технологии. 2009. № 12.
