CC BY
64Александр ПоПович
Технология R25 против радиации:
новые продукты на российском рынке электроники для космических аппаратов
о компании BAE Systems
До недавнего времени продукция одной из крупнейших в мире международных военно-промышленных корпораций BAE Systems в Российскую Федерацию официально не поставлялась. Однако времена меняются, и сегодня мы представляем весь широкий ассортимент радиационно-стойких микросхем, выпускаемых на заводах BAE.
ЗАО «БА Электроникс» (BA Electronics) эксклюзивно уполномочено импортировать и распространять на условиях ITAR радиационно-стойкие электронные компоненты, выпускаемые корпорацией BAE Systems (www.baesystems.com), обеспечивать выполнение гарантийных обязательств и техническую поддержку всех потребителей на территории России, а также республик, ранее входивших в состав СССР. Британская компания BAE Systems (до 1999 г. — British Aerospace) специализируется на создании вооружения и военной техники, в том числе боевых самолетов и подводных лодок. Сегодня она занимает второе место в мире по объему продаж оружия, уступая лишь американской корпорации Boeing. BAE самостоятельно разраба-
тывает и производит полупроводниковую элементную базу, как для собственных нужд, так и для продажи. Центр полупроводниковых технологий ВАЕ, расположенный в США, выпускает все электронные компоненты, которые необходимы для создания бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов, и на протяжении многих лет является мировым лидером в области радиационно-стойких полупроводниковых нанотехнологий.
Рассказать обо всех изделиях ВАЕ, даже коротко, в рамках одной статьи невозможно, поэтому ограничимся обзором технологии радиационно-стойких КМОП-микросхем с технологической нормой 0,25 мкм и основных семейств микросхем, которые теперь доступны для всех отечественных предприятий космического приборостроения.
Технология 1?25
Процесс изготовления больших интегральных КМОП-микросхем повышенной радиационной стойкости с технологической нормой 0,25 мкм используется ВАЕ для создания микросхем различного функционального
назначения. Данный процесс, реализованный на заводе в Манассасе (штат Вирджиния), носит название «Технология R25». Все полупроводниковые изделия, выполненные по технологии R25, включая оперативную и энергонезависимую память, обеспечивают:
• работоспособность при накопленной дозе не менее 200 крад;
• бесперебойное функционирование при кратковременном облучении 2х107 рад/с;
• сохранение работоспособности после 50 нс импульсного облучения 1х1012 рад/с;
• стойкость к тяжело заряженным ионам (ТЗЧ) с энергией < 120 МэВ-см2/мг;
• стойкость к нейтронному потоку до 1х1013 нейтрино/см2.
Отдельные семейства микросхем обеспечивают уверенное функционирование при накопленной дозе до 1 Мрад. Выдающиеся характеристики по радиационной стойкости позволяют применять микросхемы, выполненные по технологии R25, в самых ответственных космических миссиях.
Основные семейства микросхем, выполненных по технологии R25, представлены на рис. 1.
Для разработки бортовой цифровой аппаратуры, вычислительных и управляющих модулей предназначен 32-разрядный микропроцессорный комплект RAD750, включающий в себя быстродействующий микропроцессор с архитектурой PowerPC, а также набор вспомогательных чипов, позволяющих эффективно соединять процессор с наиболее распространенными узлами современной цифровой аппаратуры на борту космического аппарата.
В частности, это мост РС1 2.2, многоканальный интерфейс SpaceWire, контроллер памяти, а также многое другое. Без запоминающих устройств не обходится ни один современный прибор, поэтому ВАЕ выпускает широкий ассортимент микросхем памяти, работающих с различными напряжениями питания. Это статическая оперативная память, однократно программируемая память по технологии апШте, специализированные высокоскоростные (7,5 нс) микросхемы кэш-памяти L2 с 72-разрядной шиной
Микросхемы для бортовой аппаратуры
Микропроцессорный комплект
Процессор
RAD750
Мост
PCI/Память
М ост-PCI/Space Wire
Специальные
микросхемы
Запоминающие устройства
ПЗУ
Энергонезависимая память
з.з
Оперативная
память
3.3,2.5/3.3,5.0
Кэш L2
1.8/3.3 )
Рис. 1. Основные семейства микросхем, выполненных по технологии R25
данных, а также уникальная энергонезависимая память, построенная из наноэлементов с изменяемым фазовым состоянием, о которых будет рассказано чуть позже.
Процессор RAD750
Мощный 32-разрядный процессор RAD750 представляет собой радиационно-стойкий аналог процессора IBM PowerPC 750 и может быть использован как ядро вычислительно-управляющей системы космического аппарата. Технология R25 при рабочем напряжении 3,3 В позволяет достичь тактовой частоты процессора до 132 МГц. Суперскалярная архитектура PowerPC, система команд RISC, встроенный сопроцессор для вычислений с плавающей точкой (IEEE 754), два встроенных модуля кэш-памяти по 32 кбайт для данных и инструкций, а также интерфейс кэша L2 позволяют достичь высокой производительности, ранее недоступной для вычислителей, функционирующих в условиях повышенной радиации.
Процессор сохраняет работоспособность в диапазоне температур -55... + 125 °С при накопленной дозе до 200 крад и облучении нейтронным потоком 1х1012 нейтрино/см2 с частотой отказов 1,6х 10-10 на бит в сутки. Потребляемая мощность составляет от 400 мВт в спящем режиме и до 5 Вт в режиме максимальной активности. Микросхема выпускается в керамическом корпусе column grid array CCGA-360, изображенном на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид корпуса CCGA
Для реализации эффективных вычислительных систем в состав чипсета RAD750 также входят:
• контроллер Power PCI 2.2 33 МГц с дополнительными служебными функциями (таймеры, контроллер прерываний, формирователь тактовой частоты и многое другое);
• скоростной кэш L2 (128x72);
• двухканальный контроллер PCI 2.0, совмещенный с 4 каналами SpaceWire (ECSS-E-50-12 A) 260 МГц и встроенным интеллектуальным роутером на основе специализированного программируемого микроконтроллера.
Встроенный в мост PCI/SpaceWire програ-мируемый микроконтроллер позволяет гибко конфигурировать роутер SpaceWire для решения различных сетевых задач. Все каналы
SpaceWire оснащены встроенными LVDS-приемопередатчиками и защищены от пробоя статическим электричеством, что дает возможность подключать микросхему непосредственно к сети. Дополнительная функция «подсматривания» за линиями SpaceWire позволяет, не вторгаясь в работу сети, исследовать потоки данных с целью отладки программного обеспечения. Максимальное энергопотребление «изделия 8396844» не превышает 1,5 Вт.
Оперативная память SRAM
В настоящий момент для российских потребителей доступны три семейства микросхем оперативной памяти: Magnum, Millenium и «продукция особого назначения» серии 190. Все изделия, процедуры тестирования и технология производства соответствуют самым жестким требованиям стандартов MIL-PRF-38535 и MIL-STD-883.
Magnum — это устаревшее семейство микросхем радиационно-стойкой асинхронной оперативной памяти. Выполненная по технологии R25 (3,3 В) микросхема памяти обеспечивает стабильное функционирование при накопленной дозе до 500 крад и облучении нейтронным потоком 2х 1013 нейтрино/ см2 c частотой отказов 1 х 10-9 на бит в сутки. Скорость чтения и записи данных составляет 25 нс. Доступные типы корпусов: flatpack-36 и flatpack-40.
Millenium — это новое семейство высокоскоростных микросхем радиационностойкой асинхронной оперативной памяти. Время чтения и записи данных — всего 15 нс. Выполненная по технологии R25 (2,5 В) микросхема памяти, представляющая собой от одного до 5 кристаллов, установленных в одном корпусе, может быть использована в любых современных электронных системах на борту космического аппарата и обеспечивает высокий уровень надежности в условиях повышенной радиации и расширенном диапазоне температур (—55 + 140 °С).
Для изделий семейства, в зависимости от модификации, обеспечивается стойкость по накопленной дозе 100 или 200 крад, стойкость к ТЗЧ с энергией < 120 МэВ-см2/мг и нейтронному потоку до 1х 1013 нейтрино/ см2. Ожидаемая частота отказов при этом составляет не более 1 х 10—9 на бит в сутки.
Доступные варианты микросхем SRAM приведены в таблице.
Серия 190 предназначена для космических аппаратов, в которых требования по радиационной стойкости особо высоки. Изделия семейства 190A325 обеспечивают стабильное функционирование при накопленной дозе до 1 Мрад и облучении нейтронным потоком 1 х 1014 нейтрино/см2 c частотой отказов 1 х 10-11 на бит в сутки. Скорость чтения и записи данных составляет не хуже 25 нс при рабочем напряжении питания 5 В. Доступные типы корпусов: flatpack-32 и flatpack-40.
Таблица. Доступные варианты микросхем SRAM
Объем и конфигурация, байт Тип корпуса
512x8 flatpack-36
512x8 flatpack-40
512x32 flatpack-84, flatpack-86
512x40 flatpack-84
1024x8 flatpack-84
2048x8 flatpack-84, flatpack-100
4096x8 flatpack-100
8192x8 flatpack-100
2048x16 flatpack-100
4096x16 flatpack-100
2048x32 flatpack-100
2048x40 flatpack-100
Энергонезависимая память C-RAM
С 60-х годов прошлого века года проводились исследования возможности применения материалов с изменяемой фазой агрегатного состояния вещества для хранения информации. Применение лазеров для записи и считывания информации на CD и DVD давно уже стало обыденным, однако практическая реализация патента 1969 года об электрической модификации данных, закодированных фазой в сверхмалом объеме вещества, потребовала десятилетий усиленных исследований. Современная технология создания микросхем памяти на основе эффекта изменения фазы была разработана компанией Ovonyx в рамках сотрудничества с Lockheed Martin Aerospace Electronic Systems (с 2000 года — часть корпорации BAE Systems). Сегодня BAE является мировым лидером в области разработки и производства микросхем энергонезависимой памяти с «халькогенидными» запоминающими элементами на основе сплавов Ge-Sb-Te. Принцип действия ячейки памяти схематично изображен на рис. 3 (рисунок из Wikipedia, публикуется на правах GNU Free Documentation License).
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 осуществляется под воздействием импульсов тока длительностью не более 1000 нс. Очевидно, фазовое состояние вещества мало зависит от накопленной дозы радиации и потоков тяжелых частиц. Поэтому, в отличие от элементов Flash, подобные элементы способны надежно хранить информацию неограниченно долгое время. Исследования показали, что самопроизвольное изменение данных в халькогенидной памяти в диапазоне температур работы полупроводниковых КМОП-структур крайне маловероятно, что позволяет производителю гарантировать срок хранения информации, достаточный практически для любых космических миссий.
C-RAM — это наиболее совершенная энергонезависимая память из доступных на рынке, выпускаемая BAE. Выполненная по технологии R25 3,3 В микросхема памяти с хал-
когенидными запоминающими элементами обладает стойкостью к факторам космического пространства, достаточной для применения в самых ответственных миссиях.
В настоящий момент доступны конфигурации 512x8 NVRAM (требуется внешняя схема ЕСС) и 256x8 NVRAM (со встроенной схемой коррекции ошибок) в керамическом корпусе flatpack-40, а также модульные конфигурации до 512x32 NVRAM в корпусе flatpack-84. Микросхема гарантирует до 100 000 циклов перезаписи и срок хранения данных 50 лет (при температуре до +70 °С и наличии схемы коррекции ошибок). Полностью асинхронный цикл чтения составляет 100 нс, а цикл записи — 1000 нс.
Микросхемы С^АМ могут применяться в диапазоне температур -40... + 110 °С и обеспечивают радиационную стойкость по накопленной дозе не менее 200 крад, бесперебойное функционирование при кратковременном облучении 2х 107 рад/с, а также сохранение работоспособности после 50 нс импульсного облучения 1х1012 рад/с.
Готовое решение
Располагая описанным выше набором микросхем, несложно создать полетный компьютер или интеллектуальный прибор, соответствующий современным требованиям и тенденциям космического приборостроения. В случае если времени на разработку собственного решения недостаточно, существует возможность приобрести один из гото-
Линия выбора бита
«Земля» «Земля»
..■ .....: ...
Поликристалл и ческ ий халькогенид у^орфный\ ' '
Линия Линия
выбора выбора
слова слова
Рис. З. Принцип действия ячейки памяти
вых процессорных блоков, выпускаемых серийно BAE Systems.
Так, например, доступен готовый одноплатный полетный компьютер RAD750 в формате CompactPCI 3U, который успешно применялся в экспедиции на Марс. Данное изделие имеет следующие характеристики:
• вес — 549 г;
• тактовая частота процессора — 132 МГц (производительность
260 Dhrystone 2,1 MIPS);
• энергопотребление — 10,2 Вт (3,3 В);
• объем памяти — до 128 Мбайт SDRAM, до 256 кбайт ROM;
• интерфейс РС1 2.2;
• радиационная стойкость по накопленной дозе — 100 крад;
• ожидаемый поток отказов компьютера на геостационарной орбите: не хуже 1.9Е-4 отказов в сутки;
• рабочий диапазон температур -55.. .+70 °С. В формате би также выпускается полетный
компьютер весом 1220 г, с объемом памяти до 48 Мбайт SRAM и до 4 Мбайт NVRAM и энергопотреблением не более 14 Вт (3,3 В).
Дополнительную информацию об электронных компонентах ВАЕ, доступных в России, можно найти на сайте www.bae-rh.ru. ■
