Em missões onde a falha não é uma opção, os projetistas optam normalmente por FPGAs de custo mais elevado, resistentes à radiação desde a conceção (RHBD), que já são blindados e certificados de acordo com as normas QML (List of Qualified Manufacturers) Classe Q e V. A Classe V da QML é a norma mais exigente para semicondutores no espaço; missões tripuladas e de segurança crítica dependem de componentes QML-V para reduzir o risco de falha.
Alguns designers estão a trabalhar com sistemas que precisam de satisfazer a crescente necessidade de uma combinação complexa de desempenho melhorado, processamento de dados embebido superior e a capacidade de estabelecer comunicações de alta velocidade no espaço. Os FPGAs tolerantes à radiação (RT) oferecem uma solução que é tolerante à radiação por design e beneficia da experiência e conhecimento do fabricante em voos espaciais, bem como de soluções que passaram nos testes QML Classe V. Este artigo analisa as diversas tecnologias FPGA disponíveis para aplicações espaciais e o processo de desenvolvimento dos componentes.
Efeitos da Radiação no Espaço:
Os FPGA de tempo real são necessários porque os componentes COTS não são imunes aos diversos efeitos da radiação no espaço, que podem afetar o desempenho de um circuito integrado ou provocar o seu mau funcionamento.
Um desses efeitos da radiação é a dose total de ionização (TID), provocada pela radiação gerada por partículas carregadas e raios gama no espaço. Esta radiação deposita energia ionizando o material. A ionização pode alterar a excitação de carga, o transporte de carga, as junções e as propriedades de decaimento do material, impactando negativamente os parâmetros do dispositivo. A TID é a radiação ionizante cumulativa recebida por um dispositivo eletrónico durante um determinado período, normalmente a duração da missão. Os danos dependem da quantidade de radiação e são expressos como a dose de radiação absorvida (RAD). Dependendo da tolerância à radiação TID, um dispositivo pode sofrer falhas funcionais ou paramétricas. Entre os parâmetros tipicamente afetados pela radiação TID em FPGAs está o atraso de propagação, que reduz o desempenho do dispositivo. Outro mecanismo de falha é o aumento da corrente de fuga após uma elevada exposição à TID.
Outro efeito da radiação são os efeitos de evento único (SEE, na sigla em inglês). Trata-se de perturbações instantâneas, transientes ou danos permanentes causados pela radiação de partículas como protões, iões pesados e partículas alfa, que podem afetar regiões sensíveis do transístor e causar diversas falhas. Os SEE podem ser de diferentes tipos, como as perturbações de evento único (SEUs, na sigla em inglês), que podem ocorrer quando partículas ionizantes de alta energia, como iões pesados, partículas alfa ou protões, são irradiadas sobre um circuito ou passam por um circuito integrado. Isto interrompe a lógica do sistema.
Um crash por evento único (SEL, na sigla em inglês) também é problemático; esta perturbação resulta na perda de funcionalidade do dispositivo devido à elevada corrente provocada por um único evento. Um SEL pode ou não ser destrutivo: num bloqueio destrutivo, a corrente não regressa ao seu valor nominal, enquanto que num bloqueio não destrutivo, a corrente de nível alto regressa ao seu valor nominal após o FPGA ser desligado e reconectado.
Comparação entre tecnologias FPGA
Existem quatro tipos básicos de FPGA:
FPGAs baseados em SRAM:
Um FPGA baseado em SRAM armazena os dados de configuração das células lógicas em memória estática. A SRAM é volátil e não consegue reter a configuração do dispositivo sem energia. Portanto, estes FPGAs precisam de ser programados sempre que são ligados. A tecnologia baseada em SRAM tende a consumir mais energia e é mais sensível à radiação.
FPGAs baseados em Flash:
Os FPGAs reprogramáveis baseados em Flash utilizam a memória Flash como recurso principal para a configuração. A tecnologia Flash é imune aos SEUs (Sequence Environment Units), eliminando assim a ameaça de interferências induzidas pela radiação na memória de configuração do FPGA. Os FPGAs baseados em Flash RTG4 consomem até 50% menos energia do que os FPGAs baseados em SRAM. A tecnologia Flash simplifica o projeto de diversas formas, uma vez que não requer memória externa, redundância ou monitorização contínua da configuração. Elimina também a necessidade de um dissipador de calor, o que ajuda a reduzir o tamanho e o peso dos projetos, bem como o seu consumo de energia — algo que pode ser especialmente importante se um módulo eletrónico for alimentado por painéis solares.
FPGAs baseados em SONOS:
Um exemplo é o FPGA RT PolarFire da Microchip, que oferece componentes com dados de radiação caracterizados, baixo consumo de energia, imunidade aos SEUs e alta fiabilidade, estando atualmente em processo de certificação QML-V. Estes FPGA são construídos utilizando a tecnologia SONOS de silício-óxido-nitreto-óxido-silício não volátil (NV) num nó de 28 nm. O desempenho das tecnologias de 28 nm e da anterior de 65 nm foi comparado medindo o atraso de propagação de um inversor. Estes testes demonstram que a tecnologia SONOS de 28 nm oferece 2,5 vezes o desempenho da tecnologia Flash de 65 nm. Estes FPGAs baseados em SONOS também proporcionam uma excelente resposta à radiação e imunidade aos SEUs, juntamente com uma solução de baixo consumo de energia. Os FPGAs baseados em SONOS, para além de estarem em processo de certificação QML-V, são ideais para aplicações que exijam um processamento de sinal de alta velocidade.
A Figura 1 mostra a arquitetura dos FPGAs baseados em Flash e SONOS para fornecer imunidade contra os SEUs.
FPGAs com antifusíveis:
Os FPGAs com antifusíveis são programados apenas uma vez, evitando a reprogramação, uma vantagem fundamental dos FPGAs baseados em Flash e SONOS. Os antifusíveis não conduzem corrente inicialmente, mas queimam para conduzir corrente (o funcionamento do antifusível é o oposto do de um fusível). A tecnologia de antifusíveis é muito robusta contra os efeitos da radiação.
Como são desenvolvidos os FPGAs de tempo real:
Os FPGAs de tempo real são desenvolvidos utilizando tecnologias de processo com excelentes níveis de TID (inibição térmica da radiação). Podem ser RHBD (dispositivos de controlo de temperatura) com flip-flops que possuem TMR (redução de modulação térmica) integrada ao nível do circuito. A TMR baseada em software pode ser implementada caso ainda não tenha sido implementada ao nível do silício. Uma vez desenvolvido o silício, os FPGA de tempo real podem passar por um rigoroso processo de certificação.
Para que os dispositivos obtenham a certificação de acordo com os mais elevados padrões, devem estar em conformidade com a norma MIL-PRF-38535 do Departamento de Defesa dos EUA, que criou um conjunto abrangente de normas de certificação, teste e fiabilidade para circuitos integrados destinados a aplicações militares e espaciais. A norma MIL-PRF-38535 estabelece os requisitos para os fabricantes destes circuitos integrados que pretendam ser incluídos na Lista de Materiais Qualificados (QML) da Agência de Logística de Defesa (DLA).
Outro aspeto relacionado com o desenvolvimento do produto é a caracterização da resposta SEE, que não varia entre diferentes lotes de wafers se o design de silício for o mesmo. Após o congelamento do projeto, os fabricantes de FPGA podem iniciar o processo de caracterização do SEE. Uma vez que o dispositivo esteja em produção, não é necessário nenhum teste SEE adicional, uma vez que não foram introduzidas alterações de design e o componente foi totalmente caracterizado.
Algumas tecnologias de processo podem oferecer uma resposta TID que varia consoante o lote de wafers. Como resultado, os testes TID devem ser realizados na produção, utilizando um lote de wafers como referência, para garantir que um dispositivo cumpre o nível TID especificado (25 krad, 100 krad, 300k rad).
Impacto dos RT-FPGAs no Projeto de Veículos Espaciais:
Os RT-FPGAs mais recentes oferecem inúmeras vantagens que possibilitam a simplificação destes projetos, ao mesmo tempo que melhoram significativamente as capacidades de processamento de dados a bordo. Para satisfazer estas necessidades, os nós tecnológicos dos RT-FPGAs estão a ser reduzidos em tamanho para alcançar um maior desempenho e um processamento de sinal mais rápido, com mais memória e maiores capacidades de processamento digital de sinal (DSP). Os RT-FPGAs também oferecem outras vantagens importantes, como a reprogramabilidade e um tempo de desenvolvimento mais rápido em comparação com um ASIC. Os FPGA não são normalmente reprogramados no espaço, mas esta é uma opção viável à medida que a complexidade do projeto aumenta, desde que os projetistas de sistemas sigam as diretrizes e avaliem minuciosamente os benefícios e riscos associados à reprogramação em órbita.
Julian Di Matteo, Engenheiro de Marketing de Produto, Espaço e Aviação Sénior, Microchip
