Pour les missions où l'échec est inacceptable, les concepteurs privilégient généralement des FPGA durcis aux radiations (RHBD), plus coûteux, déjà blindés et certifiés conformes aux normes QML (Qualified Manufacturers List) de classe Q et V. La norme QML de classe V est la plus exigeante pour les semi-conducteurs spatiaux ; les missions habitées et critiques pour la sécurité s'appuient sur des composants QML-V afin de minimiser les risques de défaillance.
Certains concepteurs travaillent sur des systèmes devant répondre au besoin croissant d'une combinaison complexe de performances accrues, de traitement de données embarqué supérieur et de capacité à établir des communications à haut débit dans l'espace. Les FPGA résistants aux radiations (RT) offrent une solution conçue pour résister aux radiations et bénéficient de l'expérience et de l'expertise du fabricant dans le domaine spatial, ainsi que de solutions ayant passé avec succès les tests QML de classe V. Cet article passe en revue les différentes technologies FPGA disponibles pour les applications spatiales et le processus de développement des composants.
Effets des rayonnements spatiaux :
Les FPGA temps réel sont indispensables car les composants COTS ne sont pas à l’abri des divers effets des rayonnements spatiaux, susceptibles d’affecter les performances d’un circuit intégré ou de provoquer un dysfonctionnement.
Parmi ces effets, on trouve la dose ionisante totale (DIT), due aux rayonnements générés par les particules chargées et les rayons gamma dans l’espace. Ce rayonnement dépose de l’énergie en ionisant la matière. L’ionisation peut modifier l’excitation des charges, le transport de charges, les jonctions et les propriétés de décroissance de la charge, impactant négativement les paramètres du dispositif. La DIT correspond au rayonnement ionisant cumulé reçu par un dispositif électronique sur une période donnée, généralement la durée de la mission. Les dommages dépendent de la quantité de rayonnement et sont exprimés en dose de rayonnement absorbée (DRA). Selon la tolérance aux rayonnements pour la DIT, un dispositif peut subir des défaillances fonctionnelles ou paramétriques. Parmi les paramètres généralement affectés par les rayonnements DIT dans les FPGA figure le temps de propagation, qui réduit les performances du dispositif. Un autre mécanisme de défaillance est l’augmentation du courant de fuite suite à une forte exposition à la DIT.
Un autre effet des rayonnements est l'effet d'événement unique (EEU). Il s'agit de perturbations instantanées, de transitoires ou de dommages permanents causés par le rayonnement de particules telles que les protons, les ions lourds et les particules alpha, qui peuvent affecter les zones sensibles du transistor et provoquer diverses défaillances. Les EEU peuvent être de différents types, comme les perturbations dues à un événement unique (PEU), qui peuvent survenir lorsque des particules ionisantes de haute énergie, telles que des ions lourds, des particules alpha ou des protons, irradient un circuit ou le traversent. Cela perturbe la logique du système.
Un verrouillage dû à un événement unique (LEU) est également problématique ; cette perturbation entraîne une perte de fonctionnalité du dispositif en raison du courant élevé provoqué par un événement unique. Un LEU peut être destructif ou non : dans le cas d'un verrouillage destructif, le courant ne revient pas à sa valeur nominale, tandis que dans le cas d'un verrouillage non destructif, le courant de niveau élevé revient à sa valeur nominale après la déconnexion et la reconnexion du FPGA.
Comparaison des technologies FPGA
Il existe quatre types de base de FPGA :
FPGA à base de SRAM :
Un FPGA à base de SRAM stocke les données de configuration des cellules logiques dans une mémoire statique. La SRAM étant volatile, elle ne conserve pas la configuration du dispositif en cas de coupure de courant. Par conséquent, ces FPGA doivent être reprogrammés à chaque mise sous tension. La technologie à base de SRAM a tendance à consommer davantage d'énergie et est plus sensible aux radiations.
FPGA à mémoire Flash :
Les FPGA reprogrammables à mémoire Flash utilisent la mémoire Flash comme ressource principale pour la configuration. La technologie Flash est insensible aux SEU (Sequence Environment Units), éliminant ainsi le risque de perturbations induites par les radiations sur la mémoire de configuration du FPGA. Les FPGA RTG4 à mémoire Flash consomment jusqu'à 50 % d'énergie en moins que les FPGA à mémoire SRAM. La technologie Flash simplifie la conception à plusieurs égards : elle ne nécessite ni mémoire externe, ni redondance, ni surveillance continue de la configuration. Elle supprime également le besoin d'un dissipateur thermique, ce qui contribue à réduire la taille et le poids des circuits, ainsi que leur consommation d'énergie – un avantage particulièrement important pour les modules électroniques alimentés par des panneaux solaires.
FPGA basés sur SONOS :
Le FPGA RT PolarFire de Microchip en est un exemple. Il offre des composants aux données de rayonnement caractérisées, une faible consommation d'énergie, une immunité aux SEU (erreurs transitoires) et une haute fiabilité, et est actuellement en cours de certification QML-V. Ces FPGA sont construits à l'aide de la technologie non volatile (NV) silicium-oxyde-nitrure-oxyde-silicium de SONOS, gravée en 28 nm. Les performances des technologies 28 nm et 65 nm précédentes ont été comparées en mesurant le temps de propagation d'un inverseur. Ces tests démontrent que la technologie 28 nm de SONOS offre des performances 2,5 fois supérieures à celles de la technologie Flash 65 nm. Ces FPGA basés sur SONOS offrent également une excellente réponse aux rayonnements et une immunité
aux SEU, tout en étant basse consommation. En plus d'être en cours de certification QML-V, les FPGA basés sur SONOS sont parfaitement adaptés aux applications nécessitant un traitement du signal à haute vitesse. La figure 1 illustre l'architecture des FPGA Flash et basés sur SONOS assurant l'immunité aux SEU.
FPGA à antifusibles :
Les FPGA à antifusibles ne sont programmés qu’une seule fois, ce qui empêche toute reprogrammation, un avantage clé des FPGA Flash et SONOS. Les antifusibles ne conduisent pas le courant initialement, mais finissent par le conduire (leur fonctionnement est inverse à celui d’un fusible). La technologie des antifusibles est très robuste face aux effets des radiations.
Développement des FPGA RT :
Les FPGA RT sont développés à l’aide de procédés de fabrication offrant d’excellents niveaux de TID de radiation. Ils peuvent être RHBD avec des bascules intégrant une TMR au niveau du circuit. Une TMR logicielle peut être implémentée si elle n’a pas été implémentée au niveau du silicium. Une fois le silicium développé, les FPGA RT peuvent être soumis à un processus de certification rigoureux.
Pour obtenir la certification aux normes les plus exigeantes, les dispositifs doivent être conformes à la norme MIL-PRF-38535 du Département de la Défense des États-Unis, qui a établi un ensemble complet de normes de certification, de test et de fiabilité pour les circuits intégrés destinés aux applications militaires et spatiales. La norme MIL-PRF-38535 définit les exigences pour les fabricants de ces circuits intégrés souhaitant figurer sur la liste des matériaux qualifiés (QML) de la Defense Logistics Agency (DLA).
Un autre aspect lié au développement produit est la caractérisation de la réponse aux émissions d'énergie des particules (SEE), qui reste constante d'un lot de plaquettes à l'autre si la conception du silicium est identique. Après la finalisation de la conception, les fabricants de FPGA peuvent entamer le processus de caractérisation des SEE. Une fois le dispositif en production, aucun test SEE supplémentaire n'est nécessaire, car aucune modification de conception n'a été apportée et le composant a été entièrement caractérisé.
Certaines technologies de fabrication peuvent présenter une réponse à la dose d'ionisation thermique (TID) variable selon le lot de plaquettes. Par conséquent, des tests TID doivent être effectués en production, en utilisant un lot de plaquettes de référence, afin de garantir que le dispositif respecte le niveau de TID spécifié (25 krad, 100 krad, 300 krad).
Impact des FPGA temps réel sur la conception des véhicules spatiaux :
Les FPGA temps réel de dernière génération offrent de nombreux avantages qui permettent de simplifier la conception des véhicules spatiaux tout en améliorant considérablement leurs capacités de traitement des données embarquées. Pour répondre à ces besoins, la taille des nœuds technologiques des FPGA temps réel est réduite afin d’obtenir des performances accrues et un traitement du signal plus rapide grâce à une mémoire plus importante et à des capacités de traitement numérique du signal (DSP) supérieures. Les FPGA temps réel offrent également d’autres avantages clés, tels que la reprogrammation et un temps de développement plus court qu’avec un ASIC. La reprogrammation des FPGA n’est généralement pas effectuée dans l’espace, mais elle reste possible lorsque la complexité de la conception augmente, à condition que les concepteurs de systèmes respectent les bonnes pratiques et évaluent soigneusement les avantages et les risques liés à la reprogrammation en orbite.
Julian Di Matteo, ingénieur marketing produit senior, secteur spatial et aéronautique, Microchip
