Кроме того, космос открывает возможности для реализации высокозащищенных квантовых протоколов, которые трудно реализовать с помощью волоконно-оптических сетей.
Квантовое распределение ключей (QKD) является наглядным примером того, как космос открывает новые способы повышения безопасности и надежности. Эта технология может значительно улучшить защиту любой связи от прослушивания, предоставляя безопасный способ отправки одноразовых или ограниченно используемых ключей шифрования. Оптические каналы свободного пространства защищают квантовую запутанность, необходимую для работы QKD на расстояниях, превышающих возможности наземных волоконно-оптических сетей.
Создаваемые в космосе оптические сети свободного пространства также обеспечат альтернативные маршруты для международной связи, обеспечивая защиту от саботажа и повреждения подводных и подземных волоконно-оптических кабелей. Самые передовые спутники будут включать в себя сложные вычислительные системы для мониторинга условий на Земле, а другие будут выступать в качестве космических центров обработки данных.
Космические системы гораздо сложнее подвергнуть физическому нападению. Но спутники уязвимы по-разному. Кибератаки остаются возможными. Именно поэтому крайне важно защищать электронику внутри растущего числа стратегически важных спутников от сбоев. Последствия сбоя в космосе выходят далеко за рамки экономических потерь. Поврежденный или вышедший из строя спутник может нарушить глобальную связь, навигацию, мониторинг погоды или военные операции.
Электроника спутников подвержена воздействию других факторов: постоянной среды, состоящей из высокоэнергетических частиц, испускаемых далекими звездами и квазарами. К этим частицам космических лучей часто присоединяются высокоэнергетические протоны, образующиеся на Солнце во время периодических магнитных бурь. Объекты на орбите не защищены атмосферой Земли и на более высоких орбитах рискуют столкнуться с еще большим количеством этих частиц, проходя через магнитосферу и над ней. Если одна из этих частиц попадает в атом одного из электронных компонентов внутри спутника, результатом становится шлейф ионов и свободных электронов, который может нарушить работу цепей.
Некоторые частицы настолько энергичны, что могут привести к отказу устройства из-за эффекта защелкивания. Но чаще проблемы проявляются в виде однократных сбоев (SEU), при которых в цепи накапливается достаточно заряда, чтобы изменить состояние регистра или ячейки DRAM или SRAM. Все эти элементы зависят от накопления заряда для изменения состояния.
Использование кодов коррекции ошибок (ECC) наряду с очисткой памяти позволяет смягчить неизбежные последствия космических SEU. Однако устройства, использующие такие типы памяти для управления и настройки цепей, особенно уязвимы, поскольку они не могут применять тот же уровень программной коррекции.
Разработчики спутников стремятся использовать конфигурируемые логические устройства, такие как программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA), по нескольким причинам. FPGA позволяют реализовать высокоскоростную обработку данных на заказ для серийного производства спутниковых проектов. Даже крупные группировки редко оправдывают невозвратные инженерные затраты, необходимые для разработки специализированных интегральных схем (ASIC).
Дело не только в объеме производства. FPGA обеспечивают гибкость, необходимую современным спутниковым проектам. Их реконфигурируемость позволяет программировать на месте, что облегчает прототипирование и проверку конструкции. Благодаря возможности создания схем на заказ, разработчики могут создавать высокооптимизированные пути передачи данных, которые повышают вычислительную производительность в интенсивных арифметических операциях, необходимых для искусственного интеллекта и машинного обучения.
Кроме того, FPGA поддерживают возможность внесения изменений в схему после запуска, хотя для обеспечения безопасности требуется тщательное планирование.
FPGA на основе SRAM сталкиваются со специфическими проблемами, связанными с одновременными сбоями. В отличие от кратковременных изменений битов в регистрах и ячейках памяти, используемых программным обеспечением, блок обновления системы (SEU), затрагивающий ячейку конфигурации, нарушит логическую связь внутри ПЛИС. Разработчики должны решать эти проблемы на архитектурном уровне.
Изменения конфигурации обычно можно исправить путем переконфигурации или сброса FPGA, и они не имеют долговременных последствий. Однако изменения конфигурации могут создавать недопустимые условия внутри FPGA. Если их не исправить, они могут привести к одновременному срабатыванию подтягивающих и отключающих резисторов. Кроме того, они могут привести к серьезным конфликтам шин, которые могут физически повредить FPGA.
Для защиты от последствий одновременных сбоев (SEU) в проектах на базе FPGA с использованием SRAM необходимо применять дорогостоящее модульное тройное резервирование в сочетании с методами отладки для снижения риска изменений схемы при возникновении SEU. Без обширного резервирования один SEU может привести к катастрофическому сбою из-за изменения конфигурации схемы и, следовательно, функциональности. Технологии энергонезависимой памяти, такие как Flash, гораздо менее уязвимы к последствиям SEU. Хотя Flash-память работает за счет хранения заряда, она гораздо более устойчива к изменениям битов, вызванным излучением, чем SRAM, используемая в некоторых FPGA. Эта устойчивость приводит к меньшему количеству SEU и большей устойчивости к необратимым повреждениям, вызванным критическим ионизирующим излучением.
Рис. 2. ПЛИС Microchip PolarFire RT
Современные энергонезависимые ПЛИС, такие как семейства PolarFire и RT PolarFire от Microchip, демонстрируют устойчивость к одновременным сбоям (SEU), превышающим порог линейной передачи энергии (LET) в 80 МэВ·см²/мг, и устойчивость к суммарной ионизирующей дозе, превышающей 100 крад. Такая устойчивость позволяет осуществлять длительные миссии на орбитах, подверженных воздействию высокой плотности энергетических частиц, например, пересекающих пояса Ван Аллена.
Экстремальные тепловые условия усугубляют проблему, создаваемую условиями окружающей среды. На орбите спутники обычно чередуют интенсивное солнечное излучение, которое повышает температуру окружающей среды, с резкими перепадами температуры во время затмений. Флэш-память потребляет значительно меньше энергии, чем её аналоги на основе SRAM. Устройства, сочетающие радиационную стойкость с изначально низким статическим и динамическим энергопотреблением, упрощают тепловые схемы за счет минимизации тепловыделения.
Помимо факторов окружающей среды, защита от кибератак, направленных на систему связи, имеет важное значение. Кибербезопасность должна проектироваться начиная с уровня кремния. Хотя такие протоколы, как квантовое распределение ключей (QKD), обеспечивают высочайший уровень защиты от прослушивания, злоумышленники всегда будут нацеливаться на самое слабое звено в цепочке. Это означает попытку скомпрометировать базовые системы.
Современные радиационно-стойкие ПЛИС интегрируют многоуровневую аппаратную защиту, которая обеспечивает как операционное доверие, так и киберустойчивость. Аппаратный корень доверия гарантирует, что при включении системы загружаются только аутентифицированные и неизмененные битовые потоки. Этот механизм предотвращает вредоносные конфигурации или внедрение кода троянского коня.
Интегрированное шифрование битового потока с использованием специализированных криптографических ускорителей обеспечивает конфиденциальность и целостность как при хранении, так и при передаче. Методы аутентификации, реализованные в ПЛИС, гарантируют, что перехваченные данные конфигурации не могут быть использованы для обратного проектирования внутренней схемы.
Эти функции позволяют разработчикам миссий создавать процедуры для аутентифицированных обновлений в полевых условиях. По мере роста угроз, от попыток скомпрометировать цепочки поставок до постоянных удаленных атак, эти средства защиты поддерживают целостность системы — критически важное требование для длительных или автономных миссий.
Сама криптография будет использовать преимущества реконфигурируемости. По мере развития квантовых вычислений старые криптографические системы становятся уязвимыми. Внедрение программируемых аппаратных криптографических механизмов в ПЛИС позволяет им поддерживать развивающиеся постквантовые стандарты. Это помогает обеспечить долгосрочную работоспособность.
Внедрение аппаратной защиты помогает соответствовать требованиям правительства в области кибербезопасности. Использование ПЛИС, изначально реализующих функции безопасной загрузки, шифрования и защиты от излучения, может значительно упростить сертификацию, одновременно соответствуя рекомендациям NIST (Национального института стандартов и технологий) и Министерства обороны США по обеспечению кибербезопасности в космосе.
Рис. 3. Периферийные вычисления на орбите стимулируют спрос на безопасные и радиационно-стойкие ПЛИС
Соответствие военным стандартам обеспечивает дополнительную гарантию. Устройства, сертифицированные по стандартам Qualified Manufacturers List (QML) Class Q и Class V, проходят строгий процесс отбора в соответствии с MIL-STD-883, чтобы гарантировать их устойчивость к радиации и экстремальным температурным условиям. Подход Microchip также включает в себя предложение радиационно-стойких устройств в экономичных, совместимых по выводам керамических и пластиковых корпусах. Это позволяет разработчикам создавать прототипы с использованием компонентов в пластиковых корпусах, прежде чем переходить к керамическим корпусам для летных образцов. Гибкость FPGA ускоряет циклы проектирования и снижает невозвратные инженерные затраты, что выгодно как разработчикам малых спутников, так и крупным космическим программам, стремящимся к гарантированным результатам.
Взаимодействие физической устойчивости и кибербезопасности находится на переднем крае космической электроники. Радиационно-стойкие ПЛИС позволяют удовлетворить оба требования. Эти устройства выдерживают суровые условия орбиты и атаки с Земли или других спутников благодаря цифровой защите. Сочетая радиационную невосприимчивость, гарантированную аппаратную надежность и сверхнизкое энергопотребление, эти устройства позволяют создавать долговечные и безопасные космические аппараты. Эта философия проектирования распространяется не только на космос, но и на оборонные, энергетические системы и системы критической инфраструктуры, которые должны обеспечивать стабильную работу в неблагоприятных условиях и обладать высокой устойчивостью к цифровым атакам.
Автор: Мин Нгуен, старший технический инженер отдела маркетинга FPGA-продуктов, Microchip Technology Inc. – https://www.microchip.com
