Прототип микромодуля оперативного хранения информации с повышенной устойчивостью к воздействию ионизирующего излучения космического пространства
Михайлов В.Н.
На сегодняшний день одно из наиболее быстро развивающихся направлений в микроэлектронике – это создание радиационно-стойкой электронной компонентной базы для аппаратуры с повышенной устойчивостью к воздействиям ионизирующего излучения космического пространства. Движущей силой в данном случае является растущий рынок запусков космических аппаратов и транспортных систем различного назначения. Воздействие ионизирующего излучения космического пространства предъявляет повышенные требования к микросхемам по устойчивости к сбоям. Особенно остро стоит вопрос сохранности информации на запоминающих устройствах в условиях повышенной радиации.
Объектом исследования является прототип микромодуля оперативного хранения информации бортовой аппаратуры космических аппаратов. Прототип микромодуля имеет в составе программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), на которой реализован контроллер управления, флэш-память, а также микросхему тиристорной защиты. Электрическая схема микромодуля представлена на рисунке 1.
Объектом исследования является прототип микромодуля оперативного хранения информации бортовой аппаратуры космических аппаратов. Прототип микромодуля имеет в составе программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), на которой реализован контроллер управления, флэш-память, а также микросхему тиристорной защиты. Электрическая схема микромодуля представлена на рисунке 1.
Контроллер управления выполняет задачи доступа, чтения, записи информации в микросхемы памяти. Задача контроллера управления также состоит в повышении радиационной стойкости микромодуля за счет применения корректирующих кодов. Контроллер может быть реализован на основе базового матричного кристалла (БМК) или программируемой интегральной схемы (ПЛИС).
Вариант реализации контроллера управления на ПЛИС является более гибким, так как логика работы ПЛИС задаётся не при изготовлении, а посредством программирования. Необходимая структура устройства может быть реализована в виде электрической схемы или с помощью языков программирования Verilog, VHDL. Общее число вентилей в схеме может достигать от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Программирование ПЛИС связывает эти элементы в нужную схему [1].
Еще одним преимуществом использования ПЛИС является возможность переноса проекта контроллера управления на БМК в короткие сроки. Такой вариант является предпочтительным для данного проекта, так как позволяет отладить логику работы, используя гибкость ПЛИС, а затем перенести проект на БМК.
БМК в свою очередь обладает более высокой надёжностью, по сравнению с ПЛИС, и имеет меньшую общую сложность, за счёт того, что базовый матричный кристалл специализируется технологически путём формирования слоёв металлизации. В структуре БМК отсутствуют избыточные элементы, обеспечивающие программирование электрической схемы.
Это ведёт к тому, БМК обладает рядом преимуществ:
- за счёт снижения количества используемых микросхем
и уменьшения размеров печатных плат, уменьшаются габариты аппаратуры;
- Повышенное быстродействие при пониженных энергозатратах;
- высокая надёжность изделия;
- возможность совмещения в полу заказной микросхеме цифровой и аналоговой обработки информации;
высокая степень защиты разработки, позволяющая предотвратить несанкционированное производство.
Так как одной из основных причин отказов микросхем в космосе является тиристорный эффект, целесообразно включить в состав микромодуля микросхему защиты от тиристорного эффекта. Принцип работы основан на контроле тока потребления защищаемых микросхем и отключении питания этих микросхем при превышении заданного уровня тока потребления [2].
В микромодуле применяется одна микросхема для защиты от тиристорного эффекта (рисунок 1). Микросхема для защиты от тиристорного эффекта отслеживает значение тока потребления всеми 4-мя микросхемами памяти и в случае превышения порога срабатывания отключает питание микросхем памяти и переводит все сигнальные выводы на землю. По истечении заданного времени микросхема восстанавливает питание и возвращает микромодуль в нормальный режим работы.
Такой подход позволяет реализовать функцию защиты
от тиристорной защелки, но в случае срабатывания приводит к временному исключению микромодуля из работы целиком. В то же время использование одной микросхемы защиты позволяет сэкономить место и уменьшить габариты микромодуля.
С точки зрения радиационной стойкости наилучшим выбором является одноуровневая память типа NAND-Flash[3]. Метод резервирования памяти для увеличения радио стойкости к одиночным эффектам следует реализовывать путем использования четырех микросхем памяти в одном микромодуле. Это означает, что копии данных будут храниться на каждой из микросхем флэш-памяти.
Вариант реализации контроллера управления на ПЛИС является более гибким, так как логика работы ПЛИС задаётся не при изготовлении, а посредством программирования. Необходимая структура устройства может быть реализована в виде электрической схемы или с помощью языков программирования Verilog, VHDL. Общее число вентилей в схеме может достигать от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Программирование ПЛИС связывает эти элементы в нужную схему [1].
Еще одним преимуществом использования ПЛИС является возможность переноса проекта контроллера управления на БМК в короткие сроки. Такой вариант является предпочтительным для данного проекта, так как позволяет отладить логику работы, используя гибкость ПЛИС, а затем перенести проект на БМК.
БМК в свою очередь обладает более высокой надёжностью, по сравнению с ПЛИС, и имеет меньшую общую сложность, за счёт того, что базовый матричный кристалл специализируется технологически путём формирования слоёв металлизации. В структуре БМК отсутствуют избыточные элементы, обеспечивающие программирование электрической схемы.
Это ведёт к тому, БМК обладает рядом преимуществ:
- за счёт снижения количества используемых микросхем
и уменьшения размеров печатных плат, уменьшаются габариты аппаратуры;
- Повышенное быстродействие при пониженных энергозатратах;
- высокая надёжность изделия;
- возможность совмещения в полу заказной микросхеме цифровой и аналоговой обработки информации;
высокая степень защиты разработки, позволяющая предотвратить несанкционированное производство.
Так как одной из основных причин отказов микросхем в космосе является тиристорный эффект, целесообразно включить в состав микромодуля микросхему защиты от тиристорного эффекта. Принцип работы основан на контроле тока потребления защищаемых микросхем и отключении питания этих микросхем при превышении заданного уровня тока потребления [2].
В микромодуле применяется одна микросхема для защиты от тиристорного эффекта (рисунок 1). Микросхема для защиты от тиристорного эффекта отслеживает значение тока потребления всеми 4-мя микросхемами памяти и в случае превышения порога срабатывания отключает питание микросхем памяти и переводит все сигнальные выводы на землю. По истечении заданного времени микросхема восстанавливает питание и возвращает микромодуль в нормальный режим работы.
Такой подход позволяет реализовать функцию защиты
от тиристорной защелки, но в случае срабатывания приводит к временному исключению микромодуля из работы целиком. В то же время использование одной микросхемы защиты позволяет сэкономить место и уменьшить габариты микромодуля.
С точки зрения радиационной стойкости наилучшим выбором является одноуровневая память типа NAND-Flash[3]. Метод резервирования памяти для увеличения радио стойкости к одиночным эффектам следует реализовывать путем использования четырех микросхем памяти в одном микромодуле. Это означает, что копии данных будут храниться на каждой из микросхем флэш-памяти.
Литература
1. Frank Hall Schmidt, Jr. Fault Tolerant Design Implementation on Radiation Hardened By Design SRAM-Based FPGAs // B.S., Electrical Engineering. 2011. P. 31-36.
2. Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А., Вильсон А.Л., Бражников С.С., Коновалов В.С., Малашевич Н.И., Росляков А.С. Микросхемы для аппаратуры космического назначения. Практическое пособие. Под общ. ред. Саурова А.Н. – М.: Техносфера, 2016 г. – 388 с.
3. Z.Wang, M. Karpovsky, A. Joshi Reliable MLC NAND Flash Memories Based on Non-Linear t-error Correcting Codes // Proceedings of International Conference on Dependable Systems and Networks.2010а.
1. Frank Hall Schmidt, Jr. Fault Tolerant Design Implementation on Radiation Hardened By Design SRAM-Based FPGAs // B.S., Electrical Engineering. 2011. P. 31-36.
2. Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А., Вильсон А.Л., Бражников С.С., Коновалов В.С., Малашевич Н.И., Росляков А.С. Микросхемы для аппаратуры космического назначения. Практическое пособие. Под общ. ред. Саурова А.Н. – М.: Техносфера, 2016 г. – 388 с.
3. Z.Wang, M. Karpovsky, A. Joshi Reliable MLC NAND Flash Memories Based on Non-Linear t-error Correcting Codes // Proceedings of International Conference on Dependable Systems and Networks.2010а.
МЕНЮ
