De plus, l'espace offre la possibilité de mettre en œuvre des protocoles quantiques hautement sécurisés, difficiles à implémenter sur les réseaux de fibres optiques.
La distribution quantique de clés (QKD) illustre parfaitement comment l'espace ouvre de nouvelles perspectives pour améliorer la sécurité et la fiabilité. Cette technologie renforce considérablement la protection des communications contre l'écoute clandestine en fournissant un moyen sécurisé d'envoyer des clés de chiffrement à usage unique ou limité. Les canaux optiques en espace libre préservent l'intrication quantique nécessaire au fonctionnement de la QKD sur des distances supérieures à celles accessibles par les fibres optiques terrestres.
Les réseaux optiques en espace libre déployés dans l'espace offriront également des itinéraires alternatifs pour les communications internationales, protégeant ainsi les câbles sous-marins et enterrés contre le sabotage et les dommages. Les satellites les plus avancés intégreront des systèmes informatiques sophistiqués pour la surveillance de la situation sur Terre, tandis que d'autres serviront de centres de données spatiaux.
Les systèmes spatiaux sont beaucoup plus difficiles à attaquer physiquement. Cependant, les satellites sont vulnérables à divers égards. Les cyberattaques demeurent une possibilité. C'est pourquoi il est essentiel de protéger l'électronique embarquée du nombre croissant de satellites d'importance stratégique contre toute panne. Les conséquences d'une défaillance dans l'espace vont bien au-delà des pertes économiques. Un satellite endommagé ou en fin de vie peut perturber les communications mondiales, la navigation, la surveillance météorologique ou les opérations militaires.
L'électronique des satellites est exposée à d'autres phénomènes : un environnement constant de particules hautement énergétiques émises par des étoiles et des quasars lointains. Ces rayons cosmiques sont souvent accompagnés de protons de haute énergie produits par le Soleil lors d'orages magnétiques périodiques. Les objets en orbite ne bénéficient pas de la protection de l'atmosphère terrestre et, sur des orbites plus élevées, risquent de rencontrer encore plus de ces particules en traversant et au-dessus de la magnétosphère. Si l'une de ces particules percute un atome dans un composant électronique d'un satellite, il en résulte une traînée d'ions et d'électrons libres susceptible de perturber le fonctionnement des circuits.
Certaines particules sont si énergétiques qu'elles peuvent provoquer une défaillance du dispositif par effet de verrouillage. Mais les problèmes se manifestent plus fréquemment sous forme de perturbations ponctuelles (SEU), au cours desquelles une charge suffisante s'accumule dans le circuit pour inverser l'état d'un registre ou d'une cellule DRAM ou SRAM. Tous ces éléments dépendent de l'accumulation de charge pour changer d'état.
L'utilisation de codes de correction d'erreurs (ECC), associée au nettoyage de la mémoire, permet d'atténuer les conséquences inévitables des SEU dans l'espace. Cependant, les dispositifs qui dépendent de ces types de mémoire pour le contrôle et la configuration des circuits sont particulièrement vulnérables, car ils ne peuvent pas utiliser le même niveau de correction logicielle.
Les concepteurs de satellites privilégient les circuits logiques configurables, tels que les FPGA (Field-Programmable Gate Arrays), pour plusieurs raisons. Les FPGA permettent un traitement matériel personnalisé et à haute vitesse, adapté aux volumes de production des projets satellitaires. Même les grandes constellations justifient rarement les coûts d'ingénierie non récurrents nécessaires au développement des ASIC (Application-Specific Integrated Circuits).
Au-delà du volume de production, les FPGA offrent la flexibilité indispensable aux projets satellitaires actuels. Leur reconfigurabilité permet une programmabilité sur site, facilitant le prototypage et la validation de la conception. Grâce à la personnalisation des circuits, les concepteurs peuvent créer des chemins de données hautement optimisés, améliorant ainsi les performances de calcul pour les opérations arithmétiques intensives requises par l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique.
De plus, les FPGA permettent de modifier les circuits après le lancement, moyennant une planification rigoureuse pour garantir la sécurité.
Les FPGA à base de SRAM sont confrontés à des problèmes spécifiques liés aux SEU (Security Units Effects). Contrairement aux modifications transitoires de bits dans les registres et les cellules mémoire utilisés par les logiciels, une unité de mise à jour système (SEU) affectant une cellule de configuration perturbe la connectivité logique au sein du FPGA. Les concepteurs doivent prendre en compte ces problèmes au niveau architectural.
Les modifications de configuration peuvent généralement être corrigées par une reconfiguration ou une réinitialisation du FPGA et n'ont pas d'effets permanents. Cependant, elles peuvent créer des conditions anormales au sein du FPGA. Si elles ne sont pas corrigées, elles peuvent entraîner l'activation simultanée des résistances de tirage vers le haut et vers le bas. Elles peuvent également provoquer de graves conflits de bus, susceptibles d'endommager physiquement le FPGA.
Pour se prémunir contre les effets des SEU (Single Effects Units), les conceptions basées sur FPGA utilisant de la SRAM doivent mettre en œuvre une redondance modulaire triple coûteuse, associée à des techniques de débogage, afin d'atténuer le risque de modifications de circuits sous l'effet d'une SEU. Sans une redondance étendue, une seule SEU peut provoquer une défaillance catastrophique en raison de la modification de la configuration du circuit et, par conséquent, de son fonctionnement. Les technologies de mémoire non volatile, telles que la mémoire Flash, sont beaucoup moins vulnérables aux effets des SEU. Bien que la mémoire Flash fonctionne en stockant des charges, elle est bien plus résistante aux modifications de bits induites par les radiations que la SRAM utilisée dans certains FPGA. Cette résilience se traduit par un nombre réduit de SEU et une meilleure résistance aux dommages permanents causés par les rayonnements ionisants critiques.
Fig. 2. FPGA PolarFire RT de Microchip
Les FPGA non volatils modernes, tels que ceux des familles PolarFire et RT PolarFire de Microchip, sont immunisés contre les configurations d'unités électroniques super-électriques (SEU) dépassant un seuil de transfert d'énergie linéaire (TEL) de 80 MeV·cm²/mg et une dose ionisante totale supérieure à 100 krad. Cette résilience permet des missions prolongées sur des orbites soumises à de fortes densités de particules énergétiques, comme celles traversant les ceintures de Van Allen.
Les conditions thermiques extrêmes accentuent les difficultés liées aux conditions ambiantes. En orbite, les satellites alternent généralement entre un rayonnement solaire intense, qui augmente la température ambiante du système, et d'importantes chutes de température lors des éclipses. Les mémoires flash consomment beaucoup moins d'énergie que leurs homologues à base de SRAM. Les dispositifs alliant résistance aux radiations et faible consommation d'énergie statique et dynamique simplifient la conception thermique en minimisant la dissipation de chaleur.
Outre les facteurs environnementaux, la protection contre les cyberattaques ciblant le système de communication est essentielle. La cybersécurité doit être intégrée dès la conception au niveau du silicium. Bien que des protocoles comme la distribution quantique de clés (QKD) offrent le plus haut niveau de protection contre l'écoute clandestine, les attaquants ciblent toujours le maillon le plus faible de la chaîne, c'est-à-dire les systèmes sous-jacents.
Les FPGA modernes résistants aux radiations intègrent des protections matérielles multicouches qui garantissent à la fois la fiabilité opérationnelle et la cyber-résilience. Une racine de confiance matérielle assure que seuls des flux de données authentifiés et intègres sont chargés lors de la mise sous tension du système. Ce mécanisme empêche les configurations malveillantes et l'insertion de chevaux de Troie.
Le chiffrement intégré du flux binaire, utilisant des accélérateurs cryptographiques dédiés, garantit la confidentialité et l'intégrité des données lors du stockage et de la transmission. Les méthodes d'authentification mises en œuvre par les FPGA empêchent l'utilisation des données de configuration interceptées pour la rétro-ingénierie des circuits internes.
Ces fonctionnalités permettent aux concepteurs de missions de définir des procédures de mise à jour authentifiées sur le terrain. Face à la multiplication des menaces, allant des tentatives de compromission des chaînes d'approvisionnement aux attaques distantes persistantes, ces protections préservent l'intégrité du système, condition essentielle pour les missions de longue durée ou autonomes.
La cryptographie elle-même tirera parti de la reconfiguration. À mesure que l'informatique quantique mûrit, les anciens systèmes cryptographiques deviennent vulnérables. L'intégration de moteurs cryptographiques matériels programmables au sein de FPGA leur permet de prendre en charge l'évolution des normes post-quantiques, garantissant ainsi la continuité des missions à long terme.
La mise en œuvre de la sécurité matérielle contribue à satisfaire aux exigences gouvernementales en matière de cybersécurité. L'utilisation de FPGA intégrant nativement le démarrage sécurisé, le chiffrement et la résistance aux radiations permet de réduire considérablement la complexité de la certification, tout en se conformant aux directives du NIST (National Institute of Standards and Technology) et du DoD (Department of Defense) relatives à la cybersécurité dans le domaine spatial.
Fig. 3. L'informatique de périphérie en orbite stimule la demande en FPGA sûrs et résistants aux radiations
La conformité aux normes militaires offre une garantie supplémentaire. Les dispositifs certifiés QML (Qualified Manufacturers List) de classe Q et V sont soumis à un processus de sélection rigoureux selon la norme MIL-STD-883 afin de garantir leur résistance aux radiations et aux conditions thermiques extrêmes. L'approche de Microchip consiste également à proposer des dispositifs tolérants aux radiations dans des boîtiers céramiques et plastiques compatibles broche à broche et optimisés en termes de coûts. Ceci permet aux concepteurs de réaliser des prototypes avec des composants en boîtier plastique avant de passer aux boîtiers céramiques pour les unités de vol. La flexibilité des FPGA accélère les cycles de conception et réduit les coûts d'ingénierie non récurrents, ce qui profite aussi bien aux développeurs de petits satellites qu'aux grands programmes spatiaux en quête de garanties éprouvées.
L'alliance de la résilience physique et de la cybersécurité est au cœur de l'électronique spatiale. Les FPGA résistants aux radiations permettent de satisfaire ces deux exigences. Grâce à leurs défenses numériques, ces dispositifs supportent l'environnement extrême de l'orbite et les attaques provenant de la Terre ou d'autres satellites. En combinant immunité aux radiations, fiabilité matérielle garantie et fonctionnement à très faible consommation, ils permettent la création de vaisseaux spatiaux robustes et sécurisés. Cette philosophie de conception s'étend au-delà du spatial aux systèmes de défense, d'énergie et d'infrastructures critiques qui doivent garantir un fonctionnement continu dans des conditions difficiles et offrir une haute résistance aux cyberattaques.
Par Minh Nguyen, ingénieur technique senior, marketing produit FPGA, Microchip Technology Inc. – https://www.microchip.com
