Tuttavia, quando i progettisti creano payload di immagini con una risoluzione sufficiente a soddisfare le esigenze degli operatori satellitari, si imbattono nel problema ricorrente delle limitazioni di larghezza di banda in downlink. Per i satelliti di imaging in orbita terrestre bassa (LEO), che generano decine di gigabit al secondo di dati e completano orbite terrestri circa 16 volte al giorno, non è pratico inviare un flusso costante di dati a Terra tramite una rete di relay spaziale. Storicamente, i dati delle immagini venivano compressi e memorizzati a bordo del satellite; tuttavia, un utilizzo più efficiente della rete di relay dati che fornisce la connessione alla stazione di terra può essere ottenuto eseguendo una maggiore elaborazione dei dati a bordo dei satelliti, in modo che le informazioni possano essere trasmesse a Terra, anziché rimanere come dati grezzi. Ciò ha portato a un'esplosione della domanda di componenti in grado di raggiungere le necessarie elevate velocità di elaborazione dati, soddisfacendo al contempo i rigorosi requisiti di tolleranza alle radiazioni.
I progressi nell'intelligenza artificiale e nell'apprendimento automatico (IA/ML) hanno creato interessanti opportunità per ottimizzare l'utilizzo della larghezza di banda in downlink, ad esempio eliminando le immagini che non contengono dati rilevanti (ad esempio, su un satellite che monitora l'uso del suolo, le immagini in cui il terreno è oscurato da una fitta copertura nuvolosa sarebbero inutili; o su un satellite che traccia il traffico marittimo, le immagini oceaniche in cui non sono visibili navi). Inoltre, l'IA/ML consente l'automazione del processo decisionale a bordo, riducendo o eliminando l'analisi umana che può aggiungere giorni o settimane di latenza alla distribuzione dei dati delle immagini.
Con l'evoluzione dei requisiti delle missioni spaziali, emerge una chiara e costante necessità di tecnologie all'avanguardia per le risorse spaziali; tuttavia, qualsiasi prodotto dispiegato nello spazio deve soddisfare i requisiti fondamentali per un funzionamento sostenibile e affidabile.
La necessità di frequenze di rivisitazione più rapide per l'imaging dell'osservazione della Terra determina i requisiti per le costellazioni di satelliti da campo, che a loro volta impongono la necessità di ridurre i costi di acquisizione dei satelliti.
La preparazione di un componente commerciale per l'uso in applicazioni spaziali richiede tre fasi chiave: valutazione delle radiazioni, inviluppo e qualificazione.
Valutazione delle radiazioni:
Gli effetti delle radiazioni nello spazio sono diffusi e dipendono dall'orbita. Gli effetti delle radiazioni su qualsiasi componente destinato allo spazio devono essere valutati, poiché le radiazioni possono causare danni fisici al componente e la conseguente perdita di funzionalità di apparecchiature satellitari critiche. La Tabella 1 riassume gli effetti delle radiazioni in varie orbite terrestri.
Tabella 1: Effetti delle radiazioni in orbita terrestre.
Gli effetti delle radiazioni nello spazio si dividono in due categorie principali: effetti della dose ionizzante totale ed effetti di singoli eventi.
La dose ionizzante totale (TID) si riferisce all'accumulo a lungo termine di radiazioni. Nella maggior parte dei dispositivi microelettronici, la TID porta al degrado delle prestazioni e all'aumento della corrente di dispersione. La TID può persino causare una perdita completa di funzionalità. Gli effetti della TID possono variare con piccole variazioni nel processo di fabbricazione dei wafer, pertanto i microcircuiti destinati ad applicazioni spaziali vengono spesso offerti con test TID lotto per lotto. Il successo dell'impiego di qualsiasi microcircuito nello spazio dipende da una comprensione approfondita degli effetti della TID sui dispositivi da utilizzare.
Gli effetti da singolo evento (SEE) si riferiscono al risultato dell'interazione di un microcircuito con una singola particella subatomica. Nelle applicazioni spaziali, si tratta in genere di un protone o di uno ione pesante; nelle applicazioni aeronautiche, si tratta in genere di un neutrone. Gli errori elettrici da singolo evento (SEE) possono essere suddivisi in diverse sottocategorie: latch-up da singolo evento, disturbi da singolo evento, transitori da singolo evento e interruzioni funzionali da singolo evento.
Il latch-up da singolo evento è un fenomeno in cui una struttura PNPN parassita si polarizza direttamente a causa dell'ionizzazione provocata da uno ione pesante, generando livelli di corrente che possono causare danni irreversibili al circuito integrato.
I malfunzionamenti da singolo evento si verificano nei flip-flop e negli elementi di memoria integrati a causa del picco di corrente risultante dall'ionizzazione e dalla successiva ricombinazione degli atomi di silicio quando uno ione pesante attraversa un microcircuito. I progettisti hanno a disposizione diversi metodi di mitigazione, come la tripla ridondanza modulare (TMR) per i flip-flop e la codifica e decodifica di rilevamento e correzione degli errori (EDAC) per le memorie.
Sebbene le discrepanze di un singolo bit nei flip-flop o nelle celle di memoria integrate possano avere conseguenze limitate, possono essere catastrofiche se si verificano nella memoria di configurazione di un FPGA basato su SRAM. In questo caso, un singolo ione pesante può causare modifiche indesiderate alla funzionalità dell'FPGA (Fig. 1). La mitigazione di queste alterazioni di configurazione richiede un notevole sovraccarico di sistema sotto forma di pulizia e riparazione della configurazione.
Figura 1: Effetto degli ioni pesanti sulla funzionalità dei FPGA.
Le variazioni transitorie dei segnali causate dagli effetti delle radiazioni a evento singolo nella logica combinatoria sono chiamate transitori a evento singolo (SET) e possono essere problematiche se il transitorio è presente all'ingresso dati di un registro nell'esatto momento in cui il registro viene sincronizzato. In questo caso, il transitorio viene conservato come disturbo a singolo bit. All'aumentare della frequenza di clock, aumenta anche la probabilità di catturare un transitorio.
Qualsiasi singolo evento di radiazione che causi una variazione nella funzione di un circuito integrato è chiamato interruzione funzionale a evento singolo. Con l'aumentare della complessità dei circuiti integrati, il numero di modi in cui possono verificarsi interruzioni funzionali a evento singolo aumenta drasticamente.
Il successo dell'impiego di qualsiasi microcircuito nello spazio dipende da una conoscenza approfondita degli effetti delle radiazioni sui dispositivi in volo. Pertanto, è importante che le organizzazioni che sviluppano hardware per il volo spaziale dispongano di dati di test per l'esatto lotto di wafer forniti con i componenti di volo. La valutazione degli effetti delle radiazioni richiede test distruttivi. Le unità di volo non possono essere sottoposte a test sugli effetti delle radiazioni, poiché ciò comprometterebbe gravemente la durata prevista dei componenti. I test sugli effetti delle radiazioni vengono eseguiti campionando ogni lotto di wafer. I test sugli effetti di un singolo evento vengono condotti nelle prime fasi del ciclo di vita del prodotto, poiché gli effetti di un singolo evento dipendono dalla progettazione del circuito integrato e tendono a essere meno variabili con il processo di produzione dei wafer. Particolare attenzione deve essere prestata ai componenti commerciali, poiché qualsiasi spedizione di componenti commerciali può provenire da lotti di wafer diversi, persino da revisioni diverse dei pellet o persino da fonderie diverse, il che può aumentare drasticamente la variabilità degli effetti delle radiazioni sui componenti. Senza una rigorosa tracciabilità, è impossibile essere certi che i componenti sottoposti a test di radiazione siano rappresentativi dei componenti in uso. Al contrario, i microcircuiti offerti per i voli spaziali in genere hanno una tracciabilità completa del lotto e il produttore del dispositivo può fornire i dati dei test TID per lo specifico lotto di wafer da cui provengono i componenti di volo.
Contenitori:
La maggior parte dei microcircuiti utilizzati nei satelliti ad alta affidabilità sono alloggiati in contenitori ceramici ermeticamente sigillati. L'utilizzo di contenitori ceramici è motivato principalmente da tre ragioni. La prima riguarda la facilità di ispezione. Gli standard militari che regolano la produzione e il collaudo dei componenti per i sistemi spaziali (ad esempio, Mil Prf 38534, Mil Prf 38535 e Mil Std 883 Classe B) richiedono l'ispezione da parte di terzi del circuito integrato all'interno del contenitore prima della sigillatura, al fine di verificarne la qualità. L'ispezione dei contenitori ceramici può essere facilmente eseguita prima della chiusura del coperchio.
Un altro vantaggio dei contenitori ceramici è che, a temperature estreme o sottovuoto, il materiale ceramico non emette vapori, un fenomeno noto come degassamento. Al contrario, i contenitori in plastica possono emettere vapori, che possono causare l'appannamento dei componenti ottici nello spazio.
L'ultimo vantaggio dei contenitori ceramici ermeticamente sigillati è la loro capacità di proteggere i componenti microelettronici interni dall'umidità dannosa o dai fluidi di pulizia delle schede durante l'assemblaggio e l'integrazione dell'hardware spaziale.
Per questi motivi, i package ceramici ermeticamente sigillati sono essenziali per le missioni più impegnative e di alto livello, come le missioni spaziali per la sicurezza nazionale e le missioni spaziali con equipaggio.
I package ceramici si trovano ad affrontare sfide sempre più significative con l'aumentare dei requisiti prestazionali. Il maggior numero di pin di I/O richiesti dai moderni circuiti integrati impone che i pin per segnali, alimentazione e massa siano montati in una matrice 2D sul lato inferiore del package, anziché in una disposizione lineare attorno al lato esterno, come implementato in alcuni package tradizionali come i package ceramici quad planari (CQFP). La differenza nel coefficiente di dilatazione termica tra il package e il circuito stampato causa stress meccanico che può tranciare le normali sfere di saldatura quando il circuito stampato attraversa l'ampio intervallo di temperatura. Per risolvere questo problema, si utilizzano colonne di saldatura al posto delle sfere di saldatura. Le colonne di saldatura sono meccanicamente flessibili e assorbono lo stress meccanico associato ai diversi tassi di dilatazione termica del circuito stampato e del package ceramico.
Un'ulteriore sfida per i package ceramici riguarda le loro proprietà elettriche. I più recenti sistemi di elaborazione del segnale a bordo vengono progettati con interconnettività seriale dei dati tra circuiti integrati e tra schede a circuito stampato, con velocità di trasmissione dati che raggiungono i 10-12 Gb/s. I package ceramici sono in grado di soddisfare queste esigenze. Tuttavia, la prossima generazione di sistemi supererà queste velocità di trasmissione dati, rappresentando una sfida per l'attuale tecnologia dei package ceramici. I fornitori di package ceramici stanno rispondendo a questa sfida con nuove tecnologie attualmente in fase di valutazione.
A causa delle difficoltà poste dall'utilizzo di package ceramici, alcuni programmi spaziali stanno pianificando l'utilizzo di circuiti integrati con package in plastica. I package in plastica hanno il vantaggio di avere minori effetti parassiti elettrici rispetto ai package ceramici, consentendo prestazioni superiori negli I/O ad alta velocità. Inoltre, il coefficiente di dilatazione termica dei package in plastica è molto più vicino a quello del materiale del circuito stampato, il che riduce drasticamente lo stress meccanico sulle sfere di saldatura, eliminando la necessità di colonne di saldatura e promuovendo quindi una maggiore efficienza.
Qualificazione:
I test eseguiti durante la qualificazione dei circuiti integrati per l'uso spaziale dipendono dal fatto che il circuito integrato sia integrato in un contenitore ceramico o in plastica.
Per i circuiti integrati con contenitori ceramici, la qualificazione viene eseguita secondo uno standard consolidato, come Mil Prf 38535 o una specifica ESA equivalente. La maggior parte dei fornitori con sede negli Stati Uniti è conforme a Mil Prf 38535. Le principali fasi di qualificazione sono elencate nella Tabella 1. Esistono due livelli di qualificazione specificati in Mil Prf 38535, noti come QML Classe Q e QML Classe V. La QML Classe Q è destinata ad applicazioni di difesa ad alta affidabilità, mentre la QML Classe V è destinata alle applicazioni spaziali più affidabili. La principale differenza tra le classi Q e V dello standard QML è che la classe V prevede i requisiti di qualificazione più rigorosi, come ad esempio un test di durata operativa ad alta temperatura di 4.000 ore per il campione di qualificazione, rispetto alle 1.000 ore previste per la classe Q.
Un esempio di circuiti integrati in package ceramici sono gli FPGA RTG4 di Microchip, resistenti alle radiazioni, che hanno ottenuto le qualifiche QML di classe Q e V nel 2018 (Fig. 2).
Figura 2: FPGA resistente alle radiazioni Microchip RTG4.
Per i circuiti integrati in contenitori di plastica, non esiste uno standard di qualificazione concordato dall'intero settore spaziale. Quando i contenitori di plastica vengono offerti per applicazioni spaziali, le attività di qualificazione si basano sugli standard JEDEC. I principali fornitori e consumatori di circuiti integrati nel settore spaziale stanno collaborando alla definizione di uno standard di Linea di Gestione della Qualità (QML) per la qualificazione e il controllo dei circuiti integrati in contenitori di plastica per uso spaziale, nell'ambito di un comitato JEDEC. Una volta concordato uno standard QML per la qualificazione e il collaudo dei microcircuiti in contenitori di plastica per uso spaziale, è probabile che molti fornitori di circuiti integrati che attualmente supportano prodotti spaziali offrano microcircuiti qualificati e collaudati secondo tale standard.
Nuove alternative:
i fornitori di servizi satellitari cercano di aprire nuovi mercati o creare nuove capacità, come reti di comunicazione globali e immagini di superficie ad alta frequenza di rivisitazione. Queste operazioni richiedono costellazioni satellitari. Per mantenere gestibili i costi di dispiegamento di un gran numero di satelliti, i progettisti di satelliti spesso utilizzano componenti non specificamente progettati per ambienti con radiazioni o per il dispiegamento nello spazio. Il rischio è che i componenti standard (COTS) spesso non abbiano esperienza nel settore spaziale, qualifiche spaziali o persino tracciabilità o omogeneità dei lotti di wafer, pertanto i dati sulle radiazioni raccolti da un campione non sono necessariamente rappresentativi delle parti destinate al volo spaziale.
In risposta, alcuni produttori di microcircuiti stanno offrendo componenti resistenti alle radiazioni senza la suite completa di test QML di livello spaziale. Ad esempio, la famiglia di FPGA resistenti alle radiazioni RTG4 di Microchip è attualmente disponibile in un package a matrice di sfere in plastica, che è in fase di qualificazione secondo gli standard JEDEC. Lo sviluppo di un prodotto "Sub-QML" come questo offre ai progettisti di costellazioni satellitari su larga scala un approccio alternativo che elimina lo screening QML, consentendo di risparmiare sui costi. L'utilizzo di microcircuiti resistenti alle radiazioni offre un elevato livello di sicurezza contro le radiazioni e di protezione a lungo termine per le missioni spaziali, evitando al contempo la mancanza di tracciabilità associata ai componenti COTS (Commercial Off-The-Shelf).
Le esigenze in continua evoluzione dei progettisti spaziali stanno alimentando la domanda di circuiti integrati ad alta densità e ad alte prestazioni. L'ambiente ostile dello spazio richiede un elevato livello di tolleranza alle radiazioni e una solida affidabilità nei componenti destinati alle applicazioni spaziali. Indipendentemente dal fatto che si utilizzino contenitori in plastica o in ceramica, un insieme ben definito di requisiti di qualificazione e selezione è essenziale per garantire il successo delle future missioni spaziali. I produttori affermati di microcircuiti per applicazioni spaziali stanno raccogliendo la sfida e offrendo una gamma di prodotti ampliata che include componenti tradizionali qualificati QML e dispositivi Sub-QML che combinano i vantaggi della tolleranza alle radiazioni e della tracciabilità con costi di confezionamento e selezione inferiori.
Autore: Ken O'Neill, Direttore Associato, Marketing Spazio e Aeronautica, Business Unit FPGA, Microchip Technology
