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    杜塞尔多夫附近:抗幅照計算機的研究現狀

    2008-01-18

    杜塞尔多夫机场 www.grodx.com.cn

    一、概述

        現在幾乎在所有的系統中,都依賴計算機來完成系統控制和數據處理。因為工作環境的不同,研制了各種計算機來滿足應用的需求。如工業環境中使用的工控機,機載和船載環境中使用的機載計算機、船載計算機。它們都有各自的環境要求、如:溫度、濕度、體積、重量、功耗,對計算機有相應的抗高溫、抗低溫、防濕、防霉等等。本文要討論的是在有輻射的工作環境中工作的計算機的抗幅射問題。這在空間工作環境工作的計算機或在核輻照的工作環境工作的計算機有這個問題。

    l       輻照可能造成的星載計算機故障:

    (1) 總劑量效應(TID):

    總劑量效應是指在電子器件的特性發生重大變化前,器件所能承受的總吸收能量級,超過這個能量級后器件就不能正常工作,TID會給器件帶來永久性故障。

    (2) 單粒子效應(SEEs):

    按產生的影響又分為單粒子鎖定(SEL)和單粒子翻轉(SEU)

    SEL:高能帶電粒子穿過CMOS電路的PN/PN結構時,電離作用會使CMOS電路中的可控硅結構被觸發導通, 由此在電源與地之間形成低電阻大電流通路的現象。長時間的鎖定電流會燒毀器件,造成器件永久失效。

    SEU:是由高能粒子轟擊雙穩態單元.使原來記憶單元的0或1狀態翻轉,這種錯誤不是永久性的,也被稱為軟錯誤。

    l       故障危害的發生及防護:

    (1) 總劑量效應(TID):

    一旦一個器件因接受輻照而導致的能量積淀超過它的TID閾值,就會引起器件的永久性故障(在《星載計算機抗輻射加固技術研究》中也提到器件的TID效應在斷電后會有一定的退火現象,但是如果再加大劑量輻射,退火后的器件便很快就不能正常工作),因此衛星在軌期間應盡量避免TID效應的產生。

    星載器件在軌工作期間可能接受的輻照總劑量受多種因素影響:衛星軌跡、軌道高度、傾角,在軌時間,另外衛星在軌期間太陽活動的強弱也應該列入考慮范圍之內。

    在估計了衛星可能會受到的總輻射劑量的前提下,我們應該采取相應的防護措施,通常,針對TID的防護有以下幾種方法:

    A. 輻射屏蔽:

    即通過在衛星器件外加金屬防護罩或者蒙皮來減少器件所受到的輻射總劑量。通常,3~5mm等效鋁厚度的屏蔽能將輻射總劑量減小到2~3k rad/year。同時,輻射屏蔽的缺點也顯而易見:需要較大的質量開銷,以及對高能粒子的防護性不夠理想等。

    B. 選擇合適的器件工藝:

    SOS CMOS工藝的器件在抗TID及SEU,SEL方面有著上佳表現,但是制造成本過于昂貴;

           SOI CMOS作為新興的工藝,具有較高的抗輻照性能和相對較低的成本。

    C. 改進芯片版圖設計:

    10V電源相對5V電源有著更高的噪聲容限,目前我國星上的CMOS電路大多采用10~12V的電源。

    (2) 單粒子鎖定(SEL):

    單粒子鎖定效應會使系統的供電出現異常,同時也可能燒毀器件造成永久性損傷,因此我們也應該盡量避免SEL的產生。

    通常采用的單粒子鎖定加固技術有:

    A. 選用抗鎖定的器件:

    最重要的抗SEL手段,采用SOI CMOS工藝的器件可以避免受到SEL的影響。

    (3) 單粒子翻轉(SEU):

    星載計算機中最常見的錯誤,發生概率遠大于TID和SEL,但危害性也小于前兩者。

    最容易發生SEU的地方是RAM,其次是CPU,再其次是其它的接口電路。

    通常采用的SEU加固技術有:

    A. 硬件冗余:包括計算機冗余,存儲器冗余等

    B. EDAC: 對存儲器內容的檢錯和糾錯

    C. PROM:由于PROM受到SEU影響的可能性遠小于RAM,因此程序和重要數據可以考慮被固化在PROM中

    D. 看門狗電路:用以防止程序跑飛,系統無響應、死機等故障。

    二、國外研究現狀

    國外航天計算機經歷了從簡單到復雜,性能從低到高的發展過程。近年來,為了適應衛星技術的發展,國外航天計算機取得了較大的發展,高性能的星載計算機開始在航天器中使用,甚至開始研究超級計算技術在空間環境中的應用。

    2.1 冗余技術

    星載計算機的工作環境和在航天任務中的重要性,決定了星載計算機必須有非常高的可靠性。冗余技術是提高星載計算機可靠性的常規技術。目前高可靠的計算機系統已經從整機冗余向???、部件冗余和可重構的方向發展。為適應星載計算機愈來愈多的應用,星載計算機的可重構技術也從單純的容錯重構向容錯重構加功能重構的方向發展。

    近年來,隨著微電子技術的發展,歐美等航天發達國家將冗余容錯技術由??椴考斷蛐酒鍛平?。歐空局(ESA)的LEON CPU內部采用三模冗余(TMR)技術,存儲器接口和內部Cache采用檢錯糾錯技術,通過在器件級實現冗余容錯,大大降低了整機的體積和重量。

    2.2 CPU

    中央處理器(CPU)是星載計算機的關鍵部件。近年來,美國國家宇航局(NASA)和歐空局(ESA)研制、使用的星載計算機采用的CPU主要包括:1750系列、Intel 80X86系列、PowerPC系列、SUN SPARC、MIPS等。

    NASA近年來使用最多的是RAD6000和RAD750系列星載計算機,這些計算機使用PowerPC系列CPU。RAD6000 CPU是民品RS6000的抗輻照版本。目前,已經有近200個航天任務采用了基于該CPU的計算機系統。RAD750 CPU具有更強的處理能力,它是商用器件PowerPC750的抗輻照版本。

    ESA原來選用美國的CPU來設計和研制其航天計算機系統。由于商業競爭的關系,美國對歐洲也采取禁運措施。例如,美國對所有應用在ESA“伽俐略導航計劃”上的器件進行禁運,以保證美國GPS系統的競爭力。因此ESA認為,為了保持歐洲在國際商用航天市場的競爭力和滿足未來航天應用的需求,需要進一步開發高性價比的產品,提出了滿足ESA未來航天應用的處理器需求和研發計劃。ESA在二十世紀九十年代就開始研制使用SPARC指令集的抗輻照芯片,現在使用的有基于SPARC V7體系結構的ERC32和基于SPARC V8體系結構的AT697E(LEON)。AT697E的抗輻照能力達到100K Rad(Si),主頻達到100MHz,處理能力為100MIPS/25MFLOPS。

    2.3標準化技術和通用化設計

    歐美星載計算機普遍采用成熟的商用器件、體系結構、標準接口的設計,同時使用適應于航天工程的工藝,實現航天電子系統性能的提升。

    計算機整體結構采用基于冗余總線的??榛峁?,??櫚納璞附涌?、計算機的內部與外部接口均使用現有的商用標準接口,整個航天電子系統??榛?,電子系統的各種設備不僅易于重新配置,而且易于升級換代。在機械和電氣接口方面,90年代之前的星載計算機普遍采用VME標準,而2000年以后的產品,大部分采用Compact PCI標準,有些系列產品采用兩種不同的接口標準。BAE Systems的RAD750、Maxwell CSC750 和SpaceMicro Proton100K等典型星載計算機均采用Compact PCI接口。在外部接口方面,不論是NASA還是ESA,均采用標準串行數據總線,而且將中低速總線和高速總線分開。其中NASA采用MIL-STD-1553B(低速總線)和IEEE 1394(高速總線),而ESA采用CAN (低速總線)和 SPACE WIRE(高速總線)。

    軟件方面,原來用Ada語言,現在C語言開始應用較多。星載計算機軟件建立在統一標準的基礎上,力求軟件的源碼級兼容,以利于軟件的協同開發、測試和維護。軟件平臺的核心操作系統均采用實時多任務操作系統(VxWorks等)來管理計算機的資源。

    2.4 小型化

    小型航天器的發展,帶動了星載計算機向小型化的方向發展。小型化體現在:體積小、重量輕和功耗低。由于集成電路技術的發展,單片集成電路可以實現更多的功能。例如,SoC集成了CPU、各種外設等,單片SDRAM顆粒的容量更大,控制邏輯和一些外圍通信功能可以在單片或幾片FPGA中實現,使得星載計算機上的分立元器件數量大大減少,從而降低了星載計算機的體積,重量和功耗。由于計算機外部接口標準化的需要,小型化的星載計算機也需要滿足接口標準的要求,如上述幾種星載計算機,最小的使用3U尺寸的Compact PCI接口(100mm X 160mm)。

    目前國外FPGA廠商已經可以生產大容量的抗輻照FPGA。如Xilinx公司的QPro-R航天抗輻照系列FPGA,最大的容量達到600萬門;Actel公司的RTAX4000系列航天抗輻照FPGA的最大容量達到400萬門。這些大容量抗輻照FPGA的推出,進一步推動了星載計算機小型化技術的發展。

    Xilinx抗輻照FPGA

    Actel的RTAX系列抗輻照FPGA

     

    2.4 幾種典型的星載計算機

    l     BAE SYSTEMS RAD6000

    RAD6000是BAE SYSTEMS公司的航天計算機產品,是美國NASA的主流航天計算機。它采用RAD6000航天CPU,是一種單板計算機,目前已經有近200個航天任務采用了RAD6000計算機系統。RAD6000有幾種配置和實現模式,包括FPGA和ASIC兩種實現版本。它提供VME、Compact PCI兩種外部系統總線,并可以根據任務的不同,配置不同容量的內存容量。RAD6000支持VxWorks操作系統。下圖是6U Compact PCI RAD6000:

     

     

      6U Compact PCI RAD6000的主要技術指標為:

    n             CPU:主頻25MHz,性能25MIPS

    n             內存:8MB或16MB SRAM with EDAC,4MB EEPROM, 512K SUROM with EDAC

    n             系統總線:Compact  PCI,6U尺寸

    n             通信接口:UART、1553B

    n             功耗:<7.5w

    n             重量:0.849kg(6U CPCI)

    n             總劑量:>100KRad(Si)

    n             SEU:<1E-5 upsets/card-day

    n             操作系統:VxWorks

    l             BAE SYSTEMS RAD750

    RAD750是BAE SYSTEMS推出的新一代航天計算機,它的特點是性能高,內存容量大,接口豐富。它采用性能更高的RAD750 CPU,提供3U和6U尺寸的Compact PCI系統總線接口。下圖分別是3U尺寸和6U尺寸的RAD750航天計算機:

    3U Compact PCI RAD750

    6U Compact PCI RAD750

    3U Compact PCI RAD750 的主要技術指標為:

    n     CPU:主頻133-166MHz,性能240-300MIPS

    n     內存:128MB SDRAM,256K SUROM

    n     系統總線:Compact PCI,3U尺寸

    n     功耗:<10.8W

    n     重量:0.549kg

    n     總劑量:>100Krad(SI)

    n     SEU:<1.9E-4errors/card-day

    l     Maxwell SCS750A

           Maxwell SCS750A采用高性能的商用PowerPC750FX處理器,通過三模冗余技術,實現高可靠的星載計算機。它的主要外圍控制邏輯和通信接口,均使用抗輻照的FPGA實現。SCS750A的CPU主頻最高為800MHz,最大性能達到1800MIPS,但是它的功耗也較高,最大達到25W。它采用軟件可控功耗技術,根據應用的需求,調節系統的功耗。SCS750A有4種不同的產品型號,根據用途分為航天級、工程級、工程開發級和原型級。這些不同級別的型號,在體系結構上是相同的,但采用不同的芯片級別和型號。

      

    Maxwell CSC750星載計算機

    SCS750A的主要技術指標為:

    n       CPU:PowerPC750FX,采用TMR容錯

    n       主頻:400-800MHz, 性能最大1800MIPS

    n       內存:256MB SDRAM with EDAC ,8MB  EEPROM with ECC

    n       通信接口:1553B, UART,32 GPIO

    n       系統總線:Compact PCI,6U尺寸

    n       功耗:7-25W

    n       重量:<1.5kg

    n       溫度范圍:-40℃-+70 ℃

    n       操作系統:VxWorks

    三、國內研究現狀及主要差距

      我國的星載計算機技術與西方發達國家相比有較大的差距。我國的星載計算機的處理能力一直是阻礙衛星發展的一個重要因素,國內星上數據處理系統大都采用80c86、1750A或性能相近的處理器,其性能只有幾個MIPS。目前,我國最高性能星載計算機的CPU為引進的基于SPARC V7內核的ERC32,處理能力為25MIPS,而ESA的LEON2 CPU處理能力為100MIPS, NASA的RAD750 CPU處理能力達到300 MIPS。顯然,目前國內星載計算機的現狀很難滿足我國星上高性能的數據處理需要。

    目前國內有多個研究所、公司、企業在研制航天用的CPU,如航天772所正在研制基于SPARC V8的CPU,深圳國微電子技術股份公司在研制基于1750A的CPU,中科院計算所正在研制基于龍芯的抗輻照SoC。但是到現在為止,還沒有真正實用化的高性能航天級CPU。

     我國航天工程使用的元器件,其中大多數DC/DC器件和中、小規模的集成電路、以及全部的大規模集成電路(包括存儲器、CPU、FPGA)都依賴進口。同時,受政治、技術的限制,引進器件在性能、數量上均有限制。這對我國的航天事業有極大的威脅。

    目前,我國星載計算機采用的CPU包括8086、80186、80386、1750A、ERC32等,這些計算機無統一標準,任務適應性差,可維護性不好。而ESA和NASA的高性能計算機基本上采用Compact PCI標準的機械、電氣結構,采用標準的內部外部總線,計算機具有功能和容錯重構的能力,可實現對不同任務的支持,且具有較高的可靠性和可維護性。

    在計算機系統結構方面,我國航天工程中使用的星載計算機缺少統一的規劃,沒有形成系列化的星載計算機產品,每個衛星使用的計算機都是根據該衛星的需要和接口要求進行特別設計,一顆星一個樣,而且多采用整機冗余的方法提高系統的可靠性,硬件沒有內部、外部的接口標準,各個型號項目之間及同一型號項目的不同部分之間的計算機接口關系復雜,可重用率低,造成星載計算機的低水平重復開發、開發效率低、成本高、周期長、可靠性差等問題。

    由于計算機處理能力低,必須使用多機處理,才能實現星上數據處理,使得整體的體積、功耗、重量增加。如載人航天一期工程中,飛船上的數據管理、姿軌控、電源管理計算機均為三機冗余。我國第一顆合成孔徑雷達遙感衛星上也是衛星平臺使用一臺計算機、合成孔徑雷達使用一臺計算機,再加上冗余,臺數更多。由于一個型號一個樣,研制工作量大、周期長。如果使用高性能的、標準化的星載計算機,則可大大減少整機冗余的數量,減小體積、功耗和重量。

    我國的星載計算機由于受硬件處理能力的限制,軟件只能完成簡單的測控任務,大多不使用操作系統且系統軟件和應用軟件不分,常常是一個型號一臺專用計算機,每一計算機根據任務,單獨設計和配置軟件。軟件的可重用率低,維護性差。同時大量的重復開發導致成本上升,研制周期加長。




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