Компьютеры в Космосе.

Компьютеры в Космосе.


Довольно интересная тема.
С Сергеем Каравашкиным мы уже обсуждали ее.
Не всякие компьютеры возможно использовать в космосе, особенно в открытом космосе.
Радиация!
Прежде всего радиация, которая будет влиять на электронику,
Избежать это невозможно. Можно только минимизировать воздействие.
Так же огромные перепады температур. от минус абсолютного холода, до 120 -140 градусов по Цельсию.


Вот и поговорим какие компьютеры, системы работают в космосе.

_______________



Компьютеры в космосе



Степень компьютеризации космических кораблей, как и всего остального в нашем мире, непрерывно растет. На смену сотням управляющих панелей с кнопками приходят ноутбуки, которые космонавты могут подключить в любом месте МКС и получить нужные данные, или отдать команду. Конечно, это не совсем обычные ноутбуки и бортовые компьютеры, и, хотя все чаще на борту используется серийная техника, у нее есть целый ряд интересных особенностей.


Конструкция

Если непосвященному человеку показать современный (да и старый, кстати, тоже) компьютер для управления космическим кораблем, то он будет разочарован. Невзрачный увесистый металлический ящик, из которого выходят пара-тройка разноцветных разъемов. И всё. Ни тебе USB, ни монитора, даже кнопок управления зачастую нет. И выглядит всё как-то «консервативно». На первом месте стояла и всегда стоит надежность системы. Благодаря магистрально-модульной конструкции, каждый блок – будь то процессор, память или система ввода-вывода, может быть легко извлечен из компьютера и заменен на аналогичный. Поэтому ремонт проходит быстро и без трудоемких операций. Это важно, поскольку космическая радиация значительно влияет на электронику, провоцируя отказы. Компьютеров на МКС много, часть из них закреплена вне корпуса, и для их ремонта приходится выходить в открытый космос. Всего за год приходится ремонтировать около 20 компьютеров.

Производительность

Типовой «рабочей лошадкой» на орбите сегодня является процессор Intel 386, хорошо знакомый людям постарше по домашним компьютерам двадцатилетней давности. Его производительность сегодня кажется скромной, но это дело спорное. Чаще всего гигантская вычислительная мощь современных процессоров используется для плавной и красивой отрисовки интерфейса, потрясающей графики в играх. Но практические задачи космоса обычно можно решать скромными ресурсами. Ведь на куда более слабых машинах проектировались лунные экспедиции!

Основной причиной «отсталости» космических компьютеров является довольно долгое время создания таких систем. Порой на них уходит не один десяток лет. Ещё на начальных этапах закладываются технические требования к компьютеру. Тогда же описывается и список задач перед будущей экспедицией. Конечно, всё это делается с учетом уже имеющихся на момент разработки и проверенных временем технологий.

Дополнительным «бонусом» старого процессора является низкое энергопотребление, поскольку на орбите каждый ватт-час энергии на счету.

Простота – залог надежности

Несмотря на крайне сложную конструкцию космических аппаратов, в основе их бортовых компьютеров лежат модули, отвечающие за небольшой набор простых операций с предсказуемыми последствиями. Чем меньше задач выполняет конкретный модуль, тем меньше неприятных последствий может принести выход его из строя, тем проще понять, что с ним случилось.

Что касается программного обеспечения, то оно должно быть предсказуемым.

Специальные операционные системы реального времени устроены так, чтобы не проявлять лишнюю инициативу, логика их работы предельно проста. Это увеличивает надежность и гарантирует молниеносную реакцию на внешние события. В отличие от Windows, которая иногда любит подумать полминутки, поработать с диском, космические ОС не тратят времени на самообслуживание.

Специально написанные для космических кораблей программы тоже готовятся по строгим правилам, исключающим расточительное поведение приложения – память нужно выделять сразу и больше потом не просить, вхолостую процессор не нагружать, и так далее.


Патчи, обновления и охота на ошибки

В мире нет ничего идеального, и написанный программистом код может содержать ошибку, несмотря на все проверки. Проблема в том, что возможность отладить программу и как-то экспериментировать с компьютером, улетевшим на тысячи (а в случае с космическими зондами – многие миллионы) километров от Земли, очень ограничена. Поэтому основной метод поиска ошибок, если в космическом компьютере что-то пошло не так, – моделирование ситуации на точной копии компьютера, оставшейся на Земле. Как пример – недавняя «перезагрузка» 40-летнего космического зонда «Вояджер-2», который по некоторым сведениям уже вышел за пределы Солнечной системы. В 2010 году в результате аппаратной неисправности он перестал передавать информацию, посылая вместо неё беспорядочные сигналы. Хорошо, что аналогичный компьютер имеется в лаборатории НАСА, отвечающей за полет этого зонда. Специалистам удалось смоделировать неисправность и понять, что дело в поврежденном участке памяти. После этого зонду по радио отправили самый натуральный патч – обновление программного обеспечения, учитывающее появившуюся аппаратную проблему. И работа продолжилась в штатном режиме. Видимо, ещё лет 40 этот зонд будет радовать нас своими новостями из глубокого космоса, пока его передатчик не достигнет предела мощности радиосигнала, после чего передачи и прервутся. Ну, или его поймают для своих исследований какие-нибудь зеленые человечки.
Не так давно подобной процедуре подвергался и марсоход «Спирит». Так что, даже самая надежная система, как и обычный домашний компьютер, нуждается в профилактике и постоянном совершенствовании
.
Информация не должна теряться

Космические полеты – это очень дорогостоящее мероприятие, вне зависимости от того, пилотируемые они или нет. Это исследования, к которым готовятся много лет, на которые работают тысячи людей и тратятся громадные бюджеты. И вполне естественно, что сбой в работе, приведший к потере всей накопленной информации – это крах всей многолетней работы! Чтобы его избежать, космические компьютеры должны иметь системы резервирования данных. И тоже многократные. Нередко при этом используются совершенно разные системы хранения. Например, одновременно применяются флэш-память и магнитный способ записи на пленку или проволоку. Хоть что-то, но должно остаться в целости и сохранности. Принцип аналогичен резервному копированию личной информации и домашних цифровых архивов, которые всегда очень жалко терять вследствие сбоя системы. А в космосе это ещё и непростительно. Слишком высока цена таких потерь.

Кусочек современности

Каждый член экипажа МКС пользуется обычным компьютером Lenovo ThinkPad, который можно подключать к специальной шине, чтобы управлять системами станции. Благодаря техническому прогрессу, сегодня космонавты могут пользоваться Интернетом и общаться с родными, но канал доступа к сети не прямой, а с промежуточным защитным буфером на Земле. К тому же, для этого используется отдельный компьютер, никак не связанный с системами жизнеобеспечения станции. Как показала практика, последняя предосторожность совсем не лишняя – в 2007 году, уже в космосе на лэптопе одного из космонавтов был обнаружен вирус Gammima, ворующий пароли от онлайн-игр. На тот момент, ноутбуки не были защищены антивирусом, но после инцидента в NASA задумались о том, что ситуацию пора менять.

Источник: https://www.kaspersky.ru

Комментарии (4)

Всего: 4 комментария
  
#1 | Анатолий »» | 08.04.2019 19:13
  
1
Какие языки программирования используют в космических программах.


В последние годы интерес к космосу и космическим программам заметно вырос. Не стали исключением и айтишники. А потому все чаще студенты и молодежь интересуются, на каких языках пишут для космоса и различных космических аппаратов. В принципе, тема сама по себе любопытная. А потому мы решили собрать информацию о самых известных проектах, связанных с космосом.
Интересные факты о цифровых технологиях

Перед тем, как разобраться с языками программирования, мы решили развенчать популярный миф – «в космических программах самые крутые цифровые мощности». Вы тоже так считаете? А ведь это совсем не так. Легенда о «супер-мощностях» пришла из прошлого века.

Действительно, в 70-80-е годы в космической отрасли были сосредоточены огромные средства и применялись технологии, в тот момент недоступные широкому потребителю. В современном мире ситуация изменилась. Мощные компьютеры стали общедоступными. А для космических аппаратов используют часто скромные по нынешним меркам устройства.

Дело в том, что при проектировании космических аппаратов все системы управления прячутся под многочисленными слоями защиты. И здесь «железо» должно быть в первую очередь:

компактным,
безотказным,
устойчивым к внешним воздействиям.

Как итог, инженеры выбирают далеко не самые «навороченные» решения. Например, в MER’ах стоят чипы частотой всего 20 20 MHz и 128 Мб ОЗУ. Да, у многих из нас смартфоны мощнее, не так ли?

Само собой, что этот фактор напрямую влияет на выбор языков программирования и сами программные решения. Очень важно, чтобы программа работала быстро и надежно, и как можно меньше потребляла ресурсов. Итак, что же используют в различных космических программах?

Американские программы: NASA и SpaceX

Мы объединили эти два проекта просто потому, что программисты в них предпочитают одни и те же инструменты. Конечно, решения в нацеленной на инновации SpaceX сильно отличаются от более консервативных проектов NASA. Но мы же говорим о языках программирования.

Итак, по информации из открытых источников, подавляющее большинство программных решений в этих проектах пишется на С. Для вспомогательных программных продуктов иногда применяются C++ и Java. При написании драйверов или в случае необходимости максимальной оптимизации обращаются к машинным кодам, т.е. применяют Assembler.

Математическое моделирование чаще всего выполняют в MatLab, но также есть любители среды Mathematica. Скриптовые языки в этой сфере практически не применяют. А уж Python, Ruby, Perl – тем более. Написанные на них решения не соответствуют требованиям отрасли.

Популярность C в этой сфере вполне обоснована. Язык быстрый, на нем можно писать на низком уровне (близко к «железу»), при этом под C существует очень много различных библиотек. Его легко компилировать, при этом можно быть уверенными, что программа одинаково корректно будет работать на самых разных компьютерах, чего нельзя сказать с такой же уверенностью о многих современных языках.

Даже любимый многими С++ в случае написания программ для космоса заметно проигрывает чистому C по надежности и ресурсоемкости. Как известно, код, сгенерированный на C++, славится своими совсем не маленькими объемами. И если для современных компьютеров это не критично, то для космических аппаратов с их ограничениями по «железу» это действительно важный фактор.

Роскосмос и другие отечественные проекты

Об инструментах, которые используют российские разработчики программных продуктов для космической отрасли, достоверную информацию найти сложнее. Скорей всего, здесь также популярен С и Assembler. Но кроме них, достоверно известно о применении особого языка – ДРАКОН.

На нем написана значительная часть ПО для ракетоносителей Протон-М, иногда им пользуются в Германском Аэрокосмическом Центре для проведения тестов.

Разработкой ДРАКОН занимались ученые РАН в период СССР, усовершенствования и доработки продолжились и после распада Советского Союза. В этом необычном языке ученые сумели объединить лучшие качества отечественных разработок 60-70-хх годов: ДИПОЛЬ, ПРОЛ2 и ЛАКС.

Создатели языка стремились к тому, чтобы программы могли прочитать и даже составить не только программисты, но также инженерам других специальностей. Сама аббревиатура расшифровывается так:

Дружелюбный Русский Алгоритмический язык, Который Обеспечивает Наглядность.

Пример программы на ДРАКОН

Создатели языка считали, что алгоритм для космической системы намного лучше сумеет разработать инженер-ракетостроитель, чем программист без глубоких знаний в области ракетостроения и космоса. В результате появился графический ДРАКОН. Язык, где алгоритмы реализованы в виде блок-схем. При этом он прекрасно компилируется и совмещается с традиционными языками программирования, образуя оригинальные гибриды: ДРАКОН-C, ДРАКОН-Python, ДРАКОН-Java и так далее.

Инструмент получился настолько удобный, что отказываться от него никто не стал и после СССР. Наоборот, его постоянно дорабатывают и совершенствуют. В результате, программное обеспечение для космических аппаратов обычно создают совместно инженер, понимающий физику процессов, и программист, способный оптимизировать алгоритм и дополнить его решениями на традиционных языках.

Как видите, решения для космоса – необычны, а задачи в этой сфере настолько интересны, что многие из вас уже сейчас задумались, как было бы здорово работать в космической отрасли. Напоминаем – нет ничего невозможного для целеустремленного человека. А какие языки «подтянуть», чтобы заинтересовать специалистов из космических программ, вы уже знаете.

Источник: https://techrocks.ru/2018/08/21/programming-languages-for-space-programs/
  
#2 | Анатолий »» | 08.04.2019 19:17
  
0
Сравнение встроенных компьютерных систем на борту марсоходов

Встраиваемые компьютерные системы на борту марсоходов, отправленные НАСА, должны выдерживать высокие уровни радиации и большие изменения температуры в космосе. По этой причине их вычислительные ресурсы ограничены по сравнению с системами, обычно используемыми на Земле.

В операции

Прямая телеоперация марсохода нецелесообразна, так как время круговой связи между Землей и Марсом колеблется от 8 до 42 минут, а система Deep Space Network доступна только несколько раз в течение каждого марсианского дня ( sol ). [1] Таким образом, команда команд ровера планирует, а затем отправляет sol оперативных команд роверу одновременно. [1]

Ровер использует программное обеспечение автономии для принятия решений на основе наблюдений от своих датчиков. [1] Каждая пара изображений для стерео ровера Sojourner может генерировать 20 навигационных 3D-точек (с начальной версией программного обеспечения, с которым приземлился корабль). Марсоходы MER могут генерировать от 15 000 (номинальных) до 40000 (в режиме съемки) трехмерных точек. [1]
Сравнение производительности

За исключением Curiosity , у каждого марсохода есть только один бортовой компьютер. В Curiosity есть два идентичных бортовых компьютера, которые по состоянию на февраль 2013 года работают на своем резервном компьютере, в то время как его основной компьютер исследуется на предмет причин его сбоя.

  
#3 | Анатолий »» | 08.04.2019 19:19
  
0
Радиационная закалка

Радиационное упрочнение - это создание электронных компонентов и систем, устойчивых к повреждениям или неисправностям, вызванным ионизирующим излучением ( излучением частиц и высокоэнергетическим электромагнитным излучением ) [1], например, такими, которые встречаются в космическом пространстве и в полете на большой высоте вокруг ядерных реакторов. и ускорители частиц , или во время ядерных аварий или ядерной войны .

Большинство полупроводниковых электронных компонентов подвержены радиационному повреждению; компоненты, закаленные в результате воздействия радиации, основаны на их неотвержденных эквивалентах с некоторыми изменениями конструкции и изготовления, которые снижают подверженность радиационному повреждению. В связи с обширной разработкой и испытаниями, необходимыми для создания радиационно-стойкой конструкции микроэлектронного чипа, радиационно-упрочненные чипы, как правило, отстают от самых последних разработок.

Изделия, подвергнутые радиационной закалке, обычно тестируются на один или несколько тестов с результирующими эффектами, включая суммарную ионизирующую дозу (TID), эффекты повышенной мощности низкой дозы (ELDRS), повреждение от смещения нейтронов и протонов и эффекты единичного события (SEE, SET, SEL и SEB) ).
содержание
Проблемы, вызванные излучением
Смотрите также: Радиационный ущерб

Среды с высоким уровнем ионизирующего излучения создают особые проблемы при проектировании. Одна заряженная частица может сбить тысячи электронов , вызывая электронный шум и пики сигнала . В случае цифровых схем это может привести к неточным или непонятным результатам. Это особенно серьезная проблема при проектировании спутников , космических кораблей , военных самолетов , атомных электростанций и ядерного оружия . Чтобы обеспечить надлежащую работу таких систем, производители интегральных микросхем и датчиков, предназначенные для военных или аэрокосмических рынков, используют различные методы радиационного упрочнения. Говорят, что получающиеся системы закалены в радиации (радиации), закалены в радиации или (в пределах контекста).
Основные источники радиационного повреждения

Типичными источниками воздействия на электронику ионизирующего излучения являются радиационные пояса Ван Аллена для спутников, ядерные реакторы на электростанциях для датчиков и цепей управления, ускорители частиц для управляющей электроники, в частности, устройства обнаружения частиц , остаточное излучение изотопов в материалах для упаковки чипов , космическое излучение для космических кораблей и высотных самолетов, а также ядерных взрывов для потенциально всей военной и гражданской электроники.

Космические лучи идут со всех сторон и состоят примерно из 85% протонов , 14% альфа-частиц и 1% тяжелых ионов вместе с рентгеновским и гамма-излучением. Большинство эффектов вызвано частицами с энергиями от 0,1 до 20 ГэВ . Атмосфера фильтрует большинство из них, поэтому они в первую очередь относятся к космическим кораблям и высотным самолетам.
Солнечные частицы происходят из-за направления Солнца и состоят из большого потока высокоэнергетических (несколько ГэВ) протонов и тяжелых ионов, которые снова сопровождаются рентгеновским излучением.
Радиационные пояса Ван Аллена содержат электроны (до 10 МэВ) и протоны (до 100 МэВ), захваченные в геомагнитном поле . Поток частиц в областях, удаленных от Земли, может сильно варьироваться в зависимости от реальных условий Солнца и магнитосферы . Из-за их положения они вызывают беспокойство за спутники.
Вторичные частицы возникают в результате взаимодействия других видов излучения со структурами вокруг электронных устройств.
Ядерные реакторы производят гамма-излучение и нейтронное излучение, которые могут влиять на цепи датчиков и управления на атомных электростанциях .
Ускорители частиц производят протоны и электроны высокой энергии, а вторичные частицы, образующиеся в результате их взаимодействия, вызывают значительные радиационные повреждения на чувствительных элементах управления и детектора частиц, порядка 10 MRad [Si] / год для таких систем, как Большой адронный коллайдер. ,
Ядерные взрывы производят короткий и чрезвычайно интенсивный выброс через широкий спектр электромагнитного излучения, электромагнитного импульса (ЭМИ), нейтронного излучения и потока как первичных, так и вторичных заряженных частиц. В случае ядерной войны они создают потенциальную проблему для всей гражданской и военной электроники.
Упаковочные материалы для чипов были коварным источником излучения, который, как было установлено, вызывал мягкие ошибки в новых чипах DRAM в 1970-х годах. Следы радиоактивных элементов в упаковке чипов производили альфа-частицы, которые затем время от времени разряжали некоторые из конденсаторов, используемых для хранения битов данных DRAM. Эти эффекты были уменьшены сегодня благодаря использованию более чистых упаковочных материалов и использованию кодов, исправляющих ошибки, для обнаружения и часто исправления ошибок DRAM.

Радиационные эффекты на электронику
Основные механизмы

Имеются два основных механизма повреждения:
Смещение решетки

Смещение решетки вызвано нейтронами , протонами, альфа-частицами, тяжелыми ионами и гамма-фотонами очень высокой энергии. Они изменяют расположение атомов в кристаллической решетке , создавая длительный ущерб и увеличивая количество центров рекомбинации , истощая неосновные носители и ухудшая аналоговые свойства затронутых полупроводниковых переходов . Противоположным образом, более высокие дозы в течение короткого времени вызывают частичный отжиг («заживление») поврежденной решетки, что приводит к меньшей степени повреждения, чем при одинаковых дозах, доставляемых с низкой интенсивностью в течение длительного времени (LDR или Low Dose Rate). Этот тип проблемы особенно важен в биполярных транзисторах , которые зависят от неосновных носителей в их базовых областях; увеличенные потери, вызванные рекомбинацией, вызывают потерю усиления транзистора (см. нейтронные эффекты ). Компоненты, сертифицированные как ELDRS (с повышенной чувствительностью к низкой дозе), не имеют повреждений, не имеют повреждений с потоками ниже 0,01 рад (Si) / с = 36 рад (Si) / ч.
Эффекты ионизации

Эффекты ионизации вызваны заряженными частицами, включая частицы с энергией, слишком низкой, чтобы вызвать эффекты решетки. Эффекты ионизации обычно являются временными, создавая сбои и мягкие ошибки, но могут привести к разрушению устройства, если они запускают другие механизмы повреждения (например, защелки ). Фототок, вызванный ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, также может относиться к этой категории. Постепенное накопление дырок в оксидном слое в МОП- транзисторах приводит к ухудшению их характеристик, вплоть до выхода из строя устройства, когда доза достаточно высока (см. Эффекты суммарной ионизирующей дозы ).

Эффекты могут сильно различаться в зависимости от всех параметров - типа излучения, суммарной дозы и потока излучения, комбинации типов излучения и даже типа нагрузки устройства (рабочая частота, рабочее напряжение, фактическое состояние транзистора в момент его включения). ударяет частица) - что делает тщательное тестирование трудным, длительным и требующим большого количества образцов.
Результирующие эффекты

Эффекты «конечного пользователя» можно охарактеризовать в нескольких группах,

Нейтрон, взаимодействующий с решеткой полупроводника, сместит свои атомы. Это приводит к увеличению количества центров рекомбинации и глубоких дефектов , сокращая срок службы неосновных носителей, что влияет на биполярные устройства больше, чем на КМОП . Биполярные устройства на кремнии, как правило, показывают изменения электрических параметров на уровнях от 10 10 до 10 11 нейтронов / см², КМОП устройства не затрагиваются до 10 15 нейтронов / см². Чувствительность устройств может увеличиваться вместе с увеличением уровня интеграции и уменьшением размеров отдельных структур. Существует также риск индуцированной радиоактивности, вызванной нейтронной активацией , которая является основным источником шума в астрофизических приборах высокой энергии . Индуцированное излучение вместе с остаточным излучением от примесей в использованных материалах может вызывать всевозможные проблемы с одним событием в течение срока службы устройства. GaAs светодиоды , распространенные в оптопарах , очень чувствительны к нейтронам. Повреждение решетки влияет на частоту кварцевых генераторов . Эффекты кинетической энергии (а именно смещение решетки) заряженных частиц также относятся к этому.
Эффекты общей ионизирующей дозы

Совокупное повреждение полупроводниковой решетки (повреждение смещения решетки ), вызванное ионизирующим излучением в течение времени экспозиции. Он измеряется в радах и вызывает медленное постепенное снижение производительности устройства. Общая доза, превышающая 5000 рад, доставленная на кремниевые устройства в считанные секунды или минуты, приведет к длительному ухудшению. В КМОП-устройствах излучение создает электронно-дырочные пары в изоляционных слоях затвора, которые вызывают фототоки во время их рекомбинации, а дырки, захваченные дефектами решетки в изоляторе, создают постоянное смещение затвора и влияют на пороговое напряжение транзисторов, делая Транзисторы MOSFET N-типа легче, а P-типа сложнее включить. Накопленный заряд может быть достаточно высоким, чтобы держать транзисторы постоянно открытыми (или закрытыми), что приводит к отказу устройства. Некоторое самовосстановление происходит со временем, но этот эффект не слишком значителен. Этот эффект аналогичен деградации горячих носителей в высокоскоростной электронике с высокой степенью интеграции. Кристаллические генераторы несколько чувствительны к дозам облучения, которые изменяют их частоту. Чувствительность может быть значительно уменьшена с помощью протирки кварца . Кристаллы природного кварца особенно чувствительны. Кривые радиационных характеристик для тестирования TID могут быть построены для всех процедур тестирования результирующих эффектов. Эти кривые показывают тенденции производительности в течение всего процесса испытаний TID и включены в отчет о радиационных испытаниях.
Эффекты переходной дозы

Кратковременный высокоинтенсивный импульс излучения, обычно возникающий во время ядерного взрыва. Высокий поток излучения создает фототоки во всем теле полупроводника, вызывая случайное открытие транзисторов, изменяя логические состояния триггеров и ячеек памяти . Постоянное повреждение может произойти, если длительность импульса слишком велика, или если импульс вызывает повреждение соединения или защелки. Захваты обычно вызваны вспышкой рентгеновского излучения и гамма-излучения ядерного взрыва. Кристаллические генераторы могут перестать колебаться во время вспышки из-за быстрой фотопроводимости, индуцированной в кварце.
Сгенерированные системой эффекты EMP

SGEMP вызваны вспышкой излучения, проходящей через оборудование и вызывающей локальную ионизацию и электрические токи в материале микросхем, плат , электрических кабелей и корпусов.
Цифровой урон: см.

Эффекты одного события (SEE), в основном затрагивающие только цифровые устройства, до недавнего времени широко не изучались. Когда частица высокой энергии проходит через полупроводник, она оставляет позади ионизированный след. Эта ионизация может вызывать сильно локализованный эффект, похожий на переходную дозу один, - доброкачественный сбой на выходе, менее доброкачественный скачок бит в памяти или регистре или, особенно в мощных транзисторах , деструктивная фиксация и выгорание. Эффекты единичного события имеют значение для электроники в спутниках, самолетах и других гражданских и военных аэрокосмических применениях. Иногда в цепях, в которых нет защелок, полезно ввести RC- контуры с постоянным временем, которые замедляют время реакции схемы за пределами продолжительности SEE.
Переходный процесс для одного события

SET происходит, когда заряд, полученный в результате ионизации, разряжается в виде паразитного сигнала, проходящего через цепь. Это де-факто эффект электростатического разряда . Мягкая ошибка, обратимая.
Расстройство одного события

Расстройства одиночного события (SEU) или эффекты переходного излучения в электронике - это изменения состояния памяти или битов регистра, вызванные взаимодействием одного иона с микросхемой. Они не наносят долговременного повреждения устройству, но могут вызвать длительные проблемы в системе, которая не может восстановиться после такой ошибки. Мягкая ошибка, обратимая. В очень чувствительных устройствах один ион может вызвать многоразрядное расстройство (MBU) в нескольких соседних ячейках памяти. SEU могут стать функциональными прерываниями для одного события ( SEFI ), когда они нарушают схемы управления, такие как конечные автоматы, переводят устройство в неопределенное состояние, тестовый режим или останавливают, что затем потребует сброса или цикла питания для восстановления. ,
Одиночное мероприятие

SEL может встречаться в любом чипе с паразитной структурой PNPN . Тяжелый ион или протон с высокой энергией, проходящий через одно из двух внутренних транзисторных переходов, может включить тиристороподобную структуру, которая затем остается « замкнутой » (эффект, известный как защелка), пока устройство не будет выключено. Поскольку эффект может возникнуть между источником питания и подложкой, может возникнуть разрушительно большой ток, и деталь может выйти из строя. Сильная ошибка, необратимая. Массовые устройства CMOS наиболее восприимчивы.
Снимок одного события

Снимок с единичным событием аналогичен SEL, но не требует структуры PNPN, он может быть индуцирован в МОП-транзисторах с N-каналом, коммутирующих большие токи, когда ион попадает рядом со сливным переходом и вызывает лавинообразное размножение носителей заряда . Затем транзистор открывается и остается открытым. Сильная ошибка, необратимая.
Выжигание, вызванное одним событием

SEB может возникать в мощных полевых МОП-транзисторах, когда подложка прямо под областью истока смещается вперед, а напряжение стока-истока выше напряжения пробоя паразитных структур. В результате высокий ток и локальный перегрев могут привести к разрушению устройства. Сильная ошибка, необратимая.
Разрыв ворот одного события

SEGR наблюдался в мощных полевых МОП-транзисторах, когда тяжелый ион попадает в область затвора, а на затвор подается высокое напряжение. Затем происходит локальный пробой в изолирующем слое диоксида кремния , что вызывает локальный перегрев и разрушение (похоже на микроскопический взрыв ) области затвора. Это может произойти даже в ячейках EEPROM во время записи или стирания, когда ячейки подвергаются сравнительно высокому напряжению. Сильная ошибка, необратимая.
СМОТРИТЕ тестирование

В то время как протонные пучки широко используются для тестирования SEE из-за доступности, при более низких энергиях облучение протонами часто может недооценивать восприимчивость SEE. Кроме того, протонные пучки подвергают устройства риску сбоя в общей ионизирующей дозе (TID), что может омрачить результаты тестирования протонов или привести к выходу из строя зрелого устройства. Белые нейтронные пучки - якобы наиболее представительный метод испытаний SEE - обычно получают из твердых источников на основе мишеней, что приводит к неравномерности потока и малой площади пучка. Белые нейтронные пучки также имеют некоторую степень неопределенности в их энергетическом спектре, часто с высоким содержанием тепловых нейтронов.

Недостатки как протонных, так и спаллатных источников нейтронов можно избежать, используя моноэнергетические нейтроны с энергией 14 МэВ для испытаний SEE. Потенциальная проблема заключается в том, что эффекты одиночного события, вызванные моноэнергетическими нейтронами, не будут точно отражать реальные эффекты атмосферных нейтронов широкого спектра. Однако недавние исследования показали, что, напротив, моноэнергетические нейтроны, в частности нейтроны с энергией 14 МэВ, могут быть использованы для достаточно точного понимания сечений СЭЭ в современной микроэлектронике.

Интересное исследование, проведенное в 2010 году Нормандом и Домиником [2], убедительно демонстрирует эффективность нейтронов с энергией 14 МэВ.

Методы радиационной закалки

Физический

Закаленные чипы часто изготавливаются на изоляционных подложках вместо обычных полупроводниковых пластин. Кремний на изоляторе ( SOI ) и сапфир ( SOS ) обычно используются. В то время как обычные микросхемы промышленного класса могут выдерживать от 50 до 100 серых (5-10 крад), космические микросхемы SOI и SOS могут выдерживать дозы на много порядков больше. В свое время было выпущено много чипов серии 4000 в радиационно-стойких версиях (RadHard). [3]

Биполярные интегральные схемы обычно имеют более высокую радиационную стойкость, чем КМОП-схемы. Серия Schottky (LS) 5400 с низким энергопотреблением может выдерживать до 1000 крад, а многие устройства ECL выдерживают до 10 000 крад. [3]

Магниторезистивная RAM , или MRAM , считается вероятным кандидатом для обеспечения радиационно-стойкой, перезаписываемой, энергонезависимой памяти проводника. Физические принципы и ранние тесты показывают, что MRAM не подвержена потере данных, вызванной ионизацией.

Экранирование упаковки от радиоактивности , чтобы уменьшить воздействие на устройство.

Конденсаторная DRAM часто заменяется более надежной (но более крупной и более дорогой) SRAM .

Выбор подложки с широкой шириной запрещенной зоны , что придает ей большую устойчивость к глубоким дефектам; например, карбид кремния или нитрид галлия .

Экранирование самих чипов с помощью обедненного бора (состоящего только из изотопа бора-11) в пассивирующем слое борофосфосиликатного стекла, защищающем чипы, поскольку бор-10 легко захватывает нейтроны и подвергается альфа-распаду (см. Мягкую ошибку ).
Логическое

Память для исправления ошибок использует дополнительные биты четности для проверки и, возможно, исправления поврежденных данных. Поскольку эффекты излучения повреждают содержимое памяти, даже когда система не обращается к ОЗУ, схема « скруббера » должна непрерывно очищать ОЗУ; считывание данных, проверка четности на наличие ошибок в данных, а затем запись всех исправлений в ОЗУ.

Избыточные элементы могут использоваться на системном уровне. Три отдельные микропроцессорные платы могут независимо вычислять ответ на расчет и сравнивать свои ответы. Любая система, которая дает меньшинство результатов, будет пересчитана. Логика может быть добавлена ​​так, что если в одной и той же системе происходят повторяющиеся ошибки, эта плата отключается.

Избыточные элементы могут использоваться на уровне цепи. [4] Один бит может быть заменен тремя битами и отдельной « логикой голосования » для каждого бита, чтобы непрерывно определять его результат. Это увеличивает площадь микросхемы в 5 раз, поэтому ее следует использовать для небольших конструкций. Но у него есть вторичное преимущество, поскольку он также «надежен» в режиме реального времени. В случае сбоя в одном бите (который может быть не связан с излучением) логика голосования будет продолжать давать правильный результат, не прибегая к сторожевому таймеру . Голосование на уровне системы между тремя отдельными процессорными системами, как правило, должно использовать некоторую логику голосования на уровне цепи для выполнения голосов между тремя процессорными системами.

Закаленные защелки могут быть использованы. [5]

Сторожевой таймер выполнит полный сброс системы, если не будет выполнена какая-либо последовательность, которая обычно указывает на работоспособность системы, например операция записи с встроенного процессора. Во время нормальной работы программное обеспечение планирует запись в сторожевой таймер через равные промежутки времени, чтобы предотвратить его срабатывание. Если излучение вызывает некорректную работу процессора, маловероятно, что программное обеспечение будет работать правильно, чтобы очистить сторожевой таймер. В конце концов, сторожевой таймер отключается и принудительно выполняет перезагрузку системы. Это считается последним средством других методов радиационного упрочнения.
Приложения для военной и космической промышленности

Радиационно-закаленные и радиационно-стойкие компоненты часто используются в военных и космических применениях. Эти приложения могут включать приложения для точки нагрузки (POL), источник питания спутниковой системы, понижающий импульсный регулятор , микропроцессор , FPGA [6] ), источник питания FPGA , высокоэффективный источник питания для низковольтной подсистемы.
Ядерная твердость для телекоммуникаций

В области телекоммуникаций термин ядерная твердость имеет следующие значения: 1) выражение степени, в которой производительность системы , установки или устройства, как ожидается, ухудшится в данной ядерной среде, 2) физические характеристики системы или электронный компонент , который позволит выживать в окружающей среде, которая включает ядерное излучение и электромагнитные импульсы (ЭМИ).
Примечания

Ядерная твердость может быть выражена с точки зрения восприимчивости или уязвимости .
Степень ожидаемого снижения производительности ( например, время простоя, потеря данных и повреждение оборудования) должны быть определены или указаны. Среда ( например, уровни излучения, избыточное давление, пиковые скорости, поглощенная энергия и электрическое напряжение) должны быть определены или определены.
Физические атрибуты системы или компонента, которые обеспечивают определенную степень выживаемости в данной среде, созданной ядерным оружием.
Твердость ядер определяется для определенных или фактических количественно определенных условий окружающей среды и физических параметров, таких как пиковые уровни излучения, избыточное давление, скорости, поглощенная энергия и электрические напряжения. Это достигается с помощью проектных спецификаций и проверяется методами испытаний и анализа.

Примеры радикальных компьютеров

SP0 и SP0-S производятся Aitech Defense Systems - это 3U cPCI SBC, который использует SOI PowerQUICC-III MPC8548E, способный обрабатывать скорости в диапазоне от 833 МГц до 1,18 ГГц. [1]
BRE440 PowerPC от Broad Reach Engineering. Система на кристалле с ядром IBM PPC440, 266 MIPS , PCI, 2x Ethernet, 2x UARTS, контроллер DMA, кэш-память L1 / L2 Веб-сайт Broad Reach Engineering
SBC Proton200k от Space Micro Inc , представленный в 2004 году, смягчает SEU благодаря своей запатентованной технологии с тройным модульным резервированием (TTMR) и прерываниям функции одного события (SEFI) с помощью технологии H-Core . Процессор - высокоскоростной цифровой сигнальный процессор серии Texas Instruments 320C6XXX . Proton200k работает на 4000 MIPS, одновременно смягчая SEU.
Proton 100k SBC от Space Micro Inc. , представленный в 2003 году, использует обновленную схему голосования под названием TTMR, которая уменьшает SEU в одном процессоре.
8-разрядный процессор RCA1802 , представленный в 1976 году, был первым серийно выпускаемым микропроцессором с радиационной стойкостью.
System / 4 Pi , сделанная IBM и используемая на борту космического корабля «Шаттл» (вариант AP-101 ), основана на архитектуре System / 360 .
Одноплатный компьютер RAD6000 (SBC), выпускаемый BAE Systems , включает в себя радикальный процессор POWER1 .
RAD750 SBC, также производимый BAE Systems и основанный на процессоре PowerPC 750 , является преемником RAD6000.
RH32 производится компанией Honeywell Aerospace.
RHPPC производится компанией Honeywell Aerospace. На основе закаленной PowerPC 603e .
SCS750 построен Maxwell Technologies , который голосует три ядра PowerPC 750 друг против друга, чтобы смягчить радиационные эффекты.
Компания Boeing через Центр разработки спутников выпускает очень мощный вариант космического компьютера с радиационной стойкостью на базе PowerPC 750.
ERC32 и LEON - это радиационно-стойкие процессоры, разработанные Gaisler Research и Европейским космическим агентством . Они описаны в синтезируемом VHDL, доступном в соответствии с GNU Lesser General Public License и GNU General Public License соответственно.
Одноплатный компьютер Gen 6 (SBC), выпускаемый компанией Cobham Semiconductor Solutions (ранее Aeroflex Microelectronics Solutions), поддерживает микропроцессор LEON . [7]
Процессор RH1750 изготовлен компанией GEC-Plessey .
Coldfire M5208, используемый General Dynamics, является альтернативой маломощной (1,5 Вт) радиационной защиты.
Mongoose-V, используемый НАСА, представляет собой 32-разрядный микропроцессор для бортовых компьютерных приложений космических аппаратов (т. Е. New Horizons ).
KOMDIV-32 - 32-разрядный микропроцессор, совместимый с MIPS R3000 , разработанный НИИСИ , выпускаемый Курчатовским институтом , Россия.
32-битный ARM Cortex-M0 . [8]
#4 | Андрей Рыбак »» | 12.04.2019 13:43
  
1
Кино ко дню Космонавтики. Салют - 7

Космическая станция «Салют-7», находящаяся на орбите в беспилотном режиме, неожиданно перестает отвечать на сигналы центра управления полетом. Принято решение об отправке на орбиту спасательной экспедиции. Космический экипаж должен найти «мертвую» станцию и впервые в мире провести стыковку с 20-тонной глыбой неуправляемого железа. Космонавты понимают, что шансов вернуться на Землю у них немного. Но этот рискованный путь – единственно возможный. Они должны не только проникнуть на «Салют-7», но и оживить его. Смогут ли два человека предотвратить неминуемую катастрофу и спасти планету от падения станции? Спасательная экспедиция превращается в опасное испытание. На орбите разворачивается настоящий космический детектив. Фильм основан на реальных событиях: полет к станции «Салют-7» в 1985 году считается самым сложным полетом в истории космонавтики.

Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2019, создание портала - Vinchi Group & MySites
ЧИСТЫЙ ИНТЕРНЕТ - logoSlovo.RU