Las FPGA Tolerantes a la Radiación ofrecen Alta Fiabilidad y Reconfigurabilidad para resolver los Retos del Diseño de Naves Espaciales

Autor: Tim Morin Technical Fellow Microchip Technology

«El espacio, la última frontera». Dicho por James T. Kirk de la nave Enterprise durante la serie de televisión Star Trek de los años sesenta. La televisión lo hace parecer fácil. La realidad es muy distinta. El espacio es duro: un vacío frío y caliente, con radiación cósmica. A esto hay que añadir la distancia entre los objetos. La inmensidad del espacio es alucinante. La dureza y la distancia hacen que la autonomía y la fiabilidad sean críticas para los sistemas eléctricos y mecánicos. Con el renacimiento del espacio que se está produciendo, unido al afán por reducir costes, este artículo explicará algunas de las diferentes opciones de que dispone el diseñador eléctrico para cumplir los requisitos de fiabilidad y misión. Las FPGA o matrices de puertas programables en campo se utilizan mucho en el espacio porque 1. Permiten a los ingenieros espaciales diseñar circuitos resistentes a las inclemencias del espacio. No hay muchos componentes calificados para el espacio en el mundo para que un diseñador elija. Dos de las principales preocupaciones de los diseñadores de sistemas espaciales son los efectos de la radiación y el consumo de energía.

Efectos de la radiación en el espacio

La dosis ionizante total (TID – Total Ionizing Dose) está causada por la radiación de partículas cargadas y rayos gamma en el espacio. Esta radiación deposita energía causando ionización en el material. La ionización afecta a las propiedades de excitación de carga, transporte, enlace y descomposición del material. Esto afecta negativamente a los parámetros del dispositivo. La TID es la radiación ionizante acumulada que recibe un dispositivo electrónico durante un periodo determinado, normalmente el tiempo de misión. La dosis absorbida de radiación (RAD – Radiation Absorbed Dose) expresa la cantidad de radiación y determina el daño. Dependiendo de la tolerancia a la radiación o de la clasificación TID de un dispositivo, éste puede experimentar fallos funcionales o paramétricos. La radiación TID en FPGAs puede provocar un aumento del retardo de propagación, lo que reduce el rendimiento del dispositivo. Una alta exposición a TID también puede provocar un aumento de la corriente de fuga.

La radiación de partículas provoca efectos de evento único (SEE – Single Event Effects) como los desajustes de evento único (SEU – Single Event Upsets). Los protones, los iones pesados y las partículas alfa pueden alterar instantáneamente o dañar permanentemente los transistores, provocando fallos lógicos en el sistema. Dependiendo de la ubicación del impacto de la partícula, el siguiente ciclo temporal puede eliminar el error. Sin embargo, también puede provocar una interrupción funcional de evento único que altere el comportamiento del sistema,

El Single Event Latchup (SEL) es una condición que puede causar un mal funcionamiento del dispositivo debido a un estado de alta corriente causado por un único evento. Un SEL puede ser destructivo o no. En un evento destructivo, la corriente no se recuperará al valor nominal. En un evento SEL no destructivo, la corriente de alto nivel volverá al valor nominal después de un ciclo de alimentación de la FPGA.

Consumo de energía

Las prácticas comunes para transferir calor en tierra no se aplican en el espacio. No se puede mover aire a través de un disipador de calor para mover el calor de un semiconductor a la atmósfera. El calor debe ser conducido térmicamente lejos del dispositivo que genera la fuente de calor. Los dispositivos de menor potencia reducen la masa necesaria para conducir térmicamente el calor a una pared fría. Una masa menor reduce los costes de lanzamiento. La cantidad de requisitos de procesamiento a bordo para imágenes, automatización y comunicación para satélites espaciales, módulos de aterrizaje y rovers está aumentando rápidamente. Esto hace necesario un mayor procesamiento de señales, lo que agrava el problema de la energía. La definición definitiva de «borde inteligente» o «intelligent edge» son estos nuevos sistemas espaciales situados al borde de nuestra atmósfera y dentro de nuestro sistema solar, y todos ellos necesitan más procesamiento y menos potencia al mismo tiempo.

Calidad

Los diseñadores de sistemas de satélites y naves espaciales tienen varias opciones a la hora de seleccionar semiconductores FPGA (Field Programmable Gate Arrays). Una opción son los componentes comerciales disponibles en el mercado (COTS), que reducen el coste unitario de los componentes y el plazo de entrega, pero no suelen ser lo bastante fiables, deben ser apantallados (lo que aumenta el coste y los recursos de ingeniería) y requieren redundancia modular triple (TMR) blanda y dura para mitigar los efectos de la radiación en el espacio. En las misiones en las que el fallo no es una opción, los diseñadores suelen elegir FPGAs de mayor coste que están tratadas contra la radiación por diseño (RHBD – Radiation Hardened By Design), que ya han sido cribadas y cualificadas según las normas Q y V de la Lista de Fabricantes Cualificados (QML).  QML Clase V es la norma de cualificación más exigente para semiconductores espaciales. Las misiones tripuladas y críticas para la seguridad confían en los componentes QML-V para mitigar el riesgo de fallos.

Los diseñadores deben satisfacer la creciente necesidad de una combinación exigente de mayor rendimiento y mayores capacidades de procesamiento de datos y comunicaciones de alta velocidad a bordo en el espacio. Estas FPGAs RT tolerantes a la radiación, proporcionan una solución tolerante a la radiación por diseño, respaldada por la herencia y experiencia en vuelos espaciales de su fabricante y con soluciones que se someten a las pruebas QML Clase V. Este artículo examina las distintas tecnologías FPGA disponibles para aplicaciones espaciales y el proceso de desarrollo de los componentes.

Comparación de tecnologías FPGA

Existen cuatro tipos básicos de FPGA:

FPGAs basadas en SRAM

Las FPGAs basadas en SRAM almacenan los datos de configuración de las celdas lógicas en memoria estática. La SRAM es volátil y no puede retener la configuración del dispositivo sin alimentación. En su lugar, las FPGA deben programarse al encenderse. La tecnología basada en SRAM consume más energía y es muy sensible a la radiación. Por ejemplo, la célula de configuración de la FPGA, lo que la hace programable, no es inmune a las perturbaciones de un solo evento. Los diseñadores tienen que tener muy en cuenta la tasa de alteración de la CRAM para verificar si una FPGA SRAM puede cumplir los requisitos de fiabilidad de la misión.

FPGAs basadas en Flash

Las FPGA reprogramables basadas en Flash utilizan Flash como recurso principal para la memoria de configuración. La tecnología Flash es inmune a SEU, eliminando la amenaza de alteraciones inducidas por la radiación en la memoria de configuración de la FPGA. Las FPGAs RTG4 basadas en Flash utilizan hasta un 50 por ciento menos de energía en comparación con las FPGAs basadas en SRAM. La tecnología Flash simplifica el diseño de múltiples maneras, ya que no hay necesidad de memoria externa, redundancia o monitorización continua de la configuración, también llamada scrubbing. También elimina la necesidad de un disipador de calor, lo que reduce el tamaño y el peso de los diseños al tiempo que reduce el consumo de energía, lo que puede ser especialmente importante si un módulo electrónico se alimenta con paneles solares.

FPGA basadas en SONOS

Un ejemplo es la FPGA RT PolarFire de Microchip, que ofrece rendimiento con datos de radiación caracterizados, bajo consumo, inmunidad a la configuración SEU y componentes de alta fiabilidad. Las FPGA RT PolarFire cuentan con la cualificación QML-Q y una ruta hacia la cualificación QML-V. Estas FPGA se han desarrollado sobre una tecnología no volátil (NV) de silicio-óxido-nitruro-óxido-silicio (SONOS) en un nodo tecnológico de 28 nm. Se ha comparado el rendimiento de las tecnologías de 28 nm y las anteriores de 65 nm midiendo el retardo de propagación de un inversor. Estas pruebas demuestran que la tecnología SONOS de 28 nm ofrece un rendimiento 2,5 veces superior al de la tecnología Flash de 65 nm. Estas FPGA basadas en SONOS también presentan un rendimiento excepcional frente a la radiación e inmunidad SEU, al tiempo que ofrecen una solución de bajo consumo. Con un camino hacia la cualificación QML-V, las FPGA basadas en SONOS son ideales en aplicaciones que requieren un procesamiento de señales de alta velocidad. Además, consumen hasta un 50 por ciento menos que las FPGAs SRAM similares.

La figura 1 muestra cómo las FPGA basadas en Flash y SONOS están diseñadas para proporcionar inmunidad SEU.

Figura 1: Las FPGA basadas en Flash y SONOS son inmunes a los SEU en la memoria de configuración

FPGAs basadas en antifusibles

Las FPGAs basadas en antifusibles se programan una vez, lo que limita una ventaja clave de reprogramabilidad en comparación con las FPGAs basadas en Flash y SONOS. Los antifusibles no conducen corriente inicialmente, sino que se queman para conducir corriente (el comportamiento del antifusible es el opuesto al de un fusible). La tecnología antifusible es muy robusta frente a los efectos de la radiación.

Cómo se desarrollan las FPGA RT

Las FPGAs RT se desarrollan en tecnologías de proceso que tienen un excelente rendimiento TID frente a la radiación. Pueden ser RHBD, con flip-flops que tienen TMR incorporada a nivel de circuito o pueden ser Tolerantes a la Radiación con TMR desplegada en software, también conocida como TMR suave, para lógica específica que necesita la fiabilidad adicional de una topología TMR. Las FPGA RT se someten a un riguroso proceso de cualificación.

Para que los dispositivos alcancen el máximo nivel de cualificación, deben cumplir la norma MIL-PRF-38535, publicada por el Departamento de Defensa, que creó normas coherentes de cualificación, pruebas y fiabilidad para circuitos integrados militares y espaciales. La norma MIL-PRF-38535 define los requisitos que deben cumplir los fabricantes de circuitos integrados si desean figurar en la lista de fabricantes cualificados (QML) de la DLA (Defense Logistics Agency o Agencia Logística de Defensa). Una vez obtenida la certificación QML, se asigna un número de referencia SMD (Standard Military Drawing). Los números de referencia SMD garantizan que los diseñadores de sistemas espaciales reciban el dispositivo de alta calidad que necesitan para sobrevivir en la dureza del espacio.

Tan importante como la cualificación QML es la caracterización del rendimiento SEE real bajo diferentes fuentes de radiación. Los informes de las pruebas de radiación resultantes son esenciales para los diseñadores de sistemas y les permiten diseñar sus sistemas para los entornos de radiación específicos que experimentarán los satélites, el módulo de aterrizaje o el vehículo explorador.

Algunas tecnologías de proceso pueden tener un rendimiento TID que varía entre obleas de un lote a otro. En consecuencia, las pruebas de rendimiento de TID deben realizarse en la producción, por lotes de obleas, para garantizar que un dispositivo cumpla su especificación de nivel de TID objetivo (25 krad, 100 krad, 300 krad).

Impacto de las FPGAs RT en el diseño de naves espaciales

Las FPGA RT de Microchip ofrecen dos ventajas fundamentales para simplificar la electrónica diseñada para la dureza del espacio. Celdas de configuración inmunes a SEU y hasta un 50 por ciento menos de potencia. La FPGA RT PolarFire ha obtenido recientemente la certificación QML-Q. RT PolarFire ofrece más ancho de banda de DSP, RAM y transceptor con 6 veces más recursos que nuestra FPGA RTG4 anterior, permitiendo a los diseñadores de sistemas espaciales productos de alta calidad y bajo consumo para llevarnos a la última frontera.