Inoltre, lo spazio offre la possibilità di implementare protocolli quantistici altamente sicuri, difficili da realizzare con le reti in fibra ottica.
La distribuzione di chiavi quantistiche (QKD) rappresenta un esempio concreto di come lo spazio permetta di migliorare la sicurezza e l'affidabilità. Questa tecnologia può potenziare notevolmente la capacità di proteggere qualsiasi comunicazione dalle intercettazioni, fornendo un metodo sicuro per l'invio di chiavi di crittografia monouso o a uso limitato. I canali ottici nello spazio libero proteggono l'entanglement quantistico necessario al funzionamento della QKD su distanze superiori a quelle possibili con le fibre ottiche terrestri.
Le reti ottiche nello spazio libero in fase di costruzione forniranno anche percorsi alternativi per le comunicazioni internazionali, offrendo protezione contro sabotaggi e danni ai cavi in fibra ottica sottomarini e interrati. I satelliti più avanzati integreranno sofisticati sistemi di calcolo per monitorare le condizioni sulla Terra, mentre altri fungeranno da centri dati spaziali.
I sistemi spaziali sono molto più difficili da attaccare fisicamente. Tuttavia, i satelliti sono vulnerabili in vari modi. Gli attacchi informatici rimangono una possibilità. Per questo motivo è essenziale proteggere i componenti elettronici all'interno del crescente numero di satelliti di importanza strategica da eventuali guasti. Le conseguenze di un guasto nello spazio vanno ben oltre le perdite economiche. Un satellite danneggiato o in deterioramento può interrompere le comunicazioni globali, la navigazione, il monitoraggio meteorologico o le operazioni militari.
L'elettronica satellitare è esposta ad altri fenomeni: un ambiente costante di particelle altamente energetiche emesse da stelle e quasar distanti. A queste particelle di raggi cosmici si aggiungono spesso protoni ad alta energia prodotti dal Sole durante le periodiche tempeste magnetiche. Gli oggetti in orbita non godono della protezione dell'atmosfera terrestre e, nelle orbite più elevate, rischiano di incontrare un numero ancora maggiore di queste particelle mentre attraversano e sorvolano la magnetosfera. Se una di queste particelle colpisce un atomo in uno dei componenti elettronici all'interno di un satellite, il risultato è una scia di ioni ed elettroni liberi che può interrompere il funzionamento dei circuiti.
Alcune particelle sono così energetiche da poter causare il malfunzionamento di un dispositivo per effetto latch-up. Tuttavia, i problemi si manifestano più comunemente come errori da singolo evento (SEU), in cui si accumula una carica sufficiente nel circuito da invertire lo stato di un registro o di una cella DRAM o SRAM. Tutti questi elementi si basano sull'accumulo di carica per cambiare stato.
L'utilizzo di codici di correzione degli errori (ECC), insieme alla pulizia della memoria, consente di mitigare le inevitabili conseguenze degli SEU spaziali. Tuttavia, i dispositivi che dipendono da questi tipi di memoria per il controllo e la configurazione dei circuiti sono particolarmente vulnerabili, poiché non possono utilizzare lo stesso livello di correzione basata su software.
I progettisti di satelliti desiderano utilizzare dispositivi logici configurabili, come i Field-Programmable Gate Array (FPGA), per diverse ragioni. Gli FPGA offrono la possibilità di implementare un'elaborazione hardware personalizzata ad alta velocità per i volumi di produzione dei progetti satellitari. Anche le costellazioni più grandi raramente giustificano i costi di ingegneria una tantum necessari per sviluppare circuiti integrati specifici per applicazioni (ASIC).
Non si tratta solo di una questione di volume di produzione. Gli FPGA offrono la flessibilità di cui i progetti satellitari odierni hanno bisogno. La loro riconfigurabilità consente la programmabilità in loco, che facilita la prototipazione e la validazione del progetto. Consentendo circuiti personalizzati, i progettisti possono realizzare percorsi dati altamente ottimizzati che migliorano le prestazioni di calcolo nelle operazioni aritmetiche intensive richieste per l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico.
Inoltre, gli FPGA supportano la possibilità di apportare modifiche ai circuiti dopo il lancio, sebbene sia necessaria un'attenta pianificazione per garantire la sicurezza.
Gli FPGA basati su SRAM presentano problemi specifici con gli SEU (Single Event Units). A differenza delle modifiche transitorie dei bit nei registri e nelle celle di memoria utilizzate dai programmi software, un'unità di aggiornamento di sistema (SEU) che interessa una cella di configurazione interrompe la connettività logica all'interno dell'FPGA. I progettisti devono affrontare questi problemi a livello architetturale.
Le modifiche alla configurazione possono in genere essere corrette riconfigurando o ripristinando l'FPGA e non hanno effetti permanenti. Tuttavia, possono creare condizioni non valide all'interno dell'FPGA. Se non corrette, possono causare l'attivazione simultanea di resistenze pull-up e pull-down. In alternativa, possono portare a gravi conflitti di bus, che possono danneggiare fisicamente l'FPGA.
Per proteggersi dagli effetti degli SEU (Single Entry Unit), i progetti basati su FPGA che utilizzano SRAM devono impiegare una costosa tripla ridondanza modulare combinata con tecniche di debug per mitigare il rischio di modifiche ai circuiti sotto l'effetto di un SEU. Senza un'ampia ridondanza, un singolo SEU può causare un guasto catastrofico a causa della modifica della configurazione del circuito e, di conseguenza, della funzionalità. Le tecnologie di memoria non volatile, come la Flash, sono molto meno vulnerabili agli effetti degli SEU. Sebbene la memoria Flash funzioni immagazzinando carica, è molto più resistente alle modifiche dei bit indotte dalle radiazioni rispetto alla SRAM utilizzata in alcuni FPGA. Questa resilienza si traduce in un minor numero di SEU e in una maggiore resistenza ai danni permanenti causati da radiazioni ionizzanti critiche.
Figura 2. FPGA Microchip PolarFire RT
I moderni FPGA non volatili, come quelli delle famiglie PolarFire e RT PolarFire di Microchip, dimostrano immunità alle configurazioni SEU che superano una soglia di trasferimento lineare di energia (LET) di 80 MeV·cm²/mg e una tolleranza alla dose ionizzante totale superiore a 100 krad. Questa resilienza consente missioni di lunga durata in orbite soggette ad alte densità di particelle energetiche, come quelle che attraversano le fasce di Van Allen.
Le condizioni termiche estreme aggravano la sfida posta dalle condizioni ambientali. In orbita, i satelliti alternano tipicamente intense radiazioni solari, che innalzano la temperatura ambiente del sistema, e forti cali di temperatura durante le eclissi. I dispositivi flash consumano molta meno energia rispetto alle loro controparti basate su SRAM. I dispositivi che combinano la tolleranza alle radiazioni con un consumo energetico statico e dinamico intrinsecamente basso semplificano la progettazione termica riducendo al minimo la dissipazione di calore.
Oltre ai fattori ambientali, la protezione contro gli attacchi informatici mirati al sistema di comunicazione è essenziale. La sicurezza informatica deve essere progettata a partire dal livello del silicio. Sebbene protocolli come QKD offrano il massimo livello di protezione contro le intercettazioni, gli aggressori cercheranno sempre di colpire l'anello più debole della catena, ovvero di compromettere i sistemi sottostanti.
I moderni FPGA resistenti alle radiazioni integrano protezioni hardware a più livelli che garantiscono sia l'affidabilità operativa che la resilienza informatica. Una radice di fiducia hardware assicura che all'accensione del sistema vengano caricati solo flussi di bit autenticati e non manomessi. Questo meccanismo impedisce configurazioni dannose o l'inserimento di codice Trojan.
La crittografia integrata del flusso di bit, che utilizza acceleratori crittografici dedicati, garantisce la riservatezza e l'integrità sia durante l'archiviazione che durante la trasmissione. I metodi di autenticazione implementati dagli FPGA assicurano che i dati di configurazione intercettati non possano essere utilizzati per decodificare i circuiti interni.
Queste funzionalità consentono ai progettisti di missioni di creare procedure per aggiornamenti autenticati sul campo. Con l'aumento delle minacce, che vanno dai tentativi di compromettere le catene di approvvigionamento agli attacchi remoti persistenti, queste protezioni mantengono l'integrità del sistema, un requisito fondamentale per missioni di lunga durata o autonome.
La crittografia stessa trarrà vantaggio dalla riconfigurabilità. Con la maturazione del calcolo quantistico, i sistemi crittografici più datati diventano vulnerabili. L'implementazione di motori crittografici hardware programmabili all'interno di FPGA consente di supportare gli standard post-quantistici in continua evoluzione. Ciò contribuisce a garantire la capacità operativa a lungo termine.
L'implementazione della sicurezza hardware contribuisce a soddisfare i requisiti di cybersicurezza governativi. L'utilizzo di FPGA che implementano nativamente l'avvio sicuro, la crittografia e la resistenza alle radiazioni può ridurre significativamente la complessità della certificazione, allineandosi al contempo alle linee guida del NIST (National Institute of Standards and Technology) e del DoD (Department of Defense) per la conformità alla cybersicurezza nello spazio.
Figura 3. L'edge computing in orbita sta alimentando la domanda di FPGA sicuri e resistenti alle radiazioni
La conformità agli standard di livello militare offre un'ulteriore garanzia. I dispositivi certificati secondo gli standard QML (Qualified Manufacturers List) di Classe Q e Classe V sono sottoposti a un rigoroso processo di selezione in conformità con la norma MIL-STD-883 per garantirne la resistenza alle radiazioni e alle condizioni termiche estreme. L'approccio di Microchip prevede anche l'offerta di dispositivi resistenti alle radiazioni in package ceramici e plastici ottimizzati in termini di costi e compatibili a livello di pin. Ciò consente ai progettisti di realizzare prototipi utilizzando componenti in package plastico prima di passare ai package ceramici per le unità di volo. La flessibilità degli FPGA accelera i cicli di progettazione e riduce i costi di ingegneria non ricorrenti, a vantaggio sia degli sviluppatori di piccoli satelliti che dei grandi programmi spaziali alla ricerca di garanzie comprovate.
L'intersezione tra resistenza fisica e sicurezza informatica è al centro dell'elettronica per applicazioni spaziali. I FPGA resistenti alle radiazioni consentono di soddisfare entrambi i requisiti. Questi dispositivi resistono all'ambiente ostile dell'orbita e agli attacchi provenienti dalla Terra o da altri satelliti grazie a sistemi di difesa digitali. Combinando immunità alle radiazioni, affidabilità garantita dall'hardware e funzionamento a bassissimo consumo energetico, questi dispositivi permettono la realizzazione di veicoli spaziali durevoli e sicuri. Questa filosofia progettuale si estende oltre lo spazio, ai sistemi di difesa, energetici e alle infrastrutture critiche, che devono garantire un funzionamento costante in condizioni avverse e offrire un'elevata resistenza agli attacchi digitali.
A cura di Minh Nguyen, Ingegnere Tecnico Senior, Marketing di Prodotto FPGA, Microchip Technology Inc. – https://www.microchip.com
