Однако при создании полезных нагрузок с изображениями, обладающих достаточным разрешением для удовлетворения потребностей операторов спутников, разработчики сталкиваются с извечной проблемой ограничений пропускной способности нисходящего канала связи. Для спутников, работающих на низкой околоземной орбите (НОО), которые генерируют десятки гигабит в секунду данных и совершают околоземные витки примерно 16 раз в день, нецелесообразно передавать постоянный поток данных на Землю через космическую ретрансляционную сеть. Исторически данные изображений сжимались и хранились на борту спутника; однако более эффективное использование сети ретрансляции данных, обеспечивающей связь с наземной станцией, может быть достигнуто за счет выполнения большего объема обработки данных на борту спутников, чтобы информация могла передаваться на Землю, а не оставаться в виде необработанных данных. Это привело к резкому росту спроса на компоненты, способные обеспечить необходимую высокую скорость обработки данных при одновременном соблюдении строгих требований к радиационной стойкости.
Достижения в области искусственного интеллекта и машинного обучения (ИИ/МО) открыли захватывающие возможности для оптимизации использования полосы пропускания нисходящего канала связи, например, за счет исключения изображений, не содержащих релевантных данных (например, на спутнике, отслеживающем землепользование, изображения, где земля скрыта плотной облачностью, будут бесполезны; или на спутнике, отслеживающем морское движение, изображения океана, где не видны суда). Кроме того, ИИ/МО позволяет автоматизировать принятие решений на борту, сокращая или исключая человеческий анализ, который может добавлять дни или недели задержки в передаче данных изображений.
По мере развития требований к космическим миссиям возникает явная и постоянная потребность в новейших технологиях в космических средствах; однако любой продукт, развернутый в космосе, должен соответствовать основным требованиям для устойчивой и надежной работы.
Необходимость в более высокой частоте повторных наблюдений для получения изображений Земли определяет требования к спутниковым группировкам, что, в свою очередь, обуславливает необходимость снижения стоимости приобретения спутников.
Подготовка коммерческого компонента для использования в космических приложениях включает три ключевых этапа: оценку радиационного воздействия, проверку оболочки и квалификацию.
Оценка радиационного воздействия:
Воздействие радиации в космосе широко распространено и зависит от орбиты. Необходимо оценить воздействие радиации на любой компонент, предназначенный для использования в космосе, поскольку радиация может вызвать физические повреждения компонента и, как следствие, потерю функциональности критически важного оборудования спутника. В таблице 1 приведено краткое описание воздействия радиации на различных околоземных орбитах.
Таблица 1: Воздействие радиации на околоземной орбите.
Воздействие радиации в космосе делится на две основные категории: воздействие суммарной ионизирующей дозы и воздействие отдельных событий.
Суммарная ионизирующая доза (СИД) относится к долговременному накоплению радиации. В большинстве микроэлектронных устройств СИД приводит к ухудшению характеристик и увеличению тока утечки. СИД может даже привести к полной потере функциональности. Влияние СИД может варьироваться в зависимости от небольших изменений в процессе изготовления пластин, поэтому микросхемы, предназначенные для космических применений, часто предлагаются с тестированием СИД для каждой партии. Успешное развертывание любой микросхемы в космосе зависит от глубокого понимания влияния СИД на используемые устройства.
Эффекты одиночных событий (ЭОС) относятся к результату взаимодействия микросхемы с одной субатомной частицей. В космических приложениях это обычно протон или тяжелый ион; в авиационных приложениях — обычно нейтрон. Электрические ошибки одиночных событий (ЭОС) можно разделить на несколько подкатегорий: защелкивание одиночных событий, сбои одиночных событий, переходные процессы одиночных событий и функциональные прерывания одиночных событий.
Однократное защелкивание — это явление, при котором паразитная PNPN-структура смещается в прямом направлении из-за ионизации, вызванной тяжелым ионом, что приводит к повышению уровня тока до значений, способных вызвать необратимое повреждение интегральной схемы.
Однократные сбои происходят в триггерах и элементах интегральной памяти из-за скачка тока, возникающего в результате ионизации и последующей рекомбинации атомов кремния при прохождении тяжелого иона через микросхему. Разработчики имеют несколько методов смягчения последствий, таких как тройное модульное резервирование (TMR) для триггеров и кодирование и декодирование с обнаружением и коррекцией ошибок (EDAC) для памяти.
Хотя несоответствия отдельных битов в триггерах или встроенных ячейках памяти могут иметь ограниченные последствия, они могут быть катастрофическими, если возникают в конфигурационной памяти ПЛИС на основе SRAM. В этом случае один тяжелый ион может вызвать непреднамеренные изменения в функциональности ПЛИС (рис. 1). Для смягчения последствий этих изменений конфигурации требуются значительные системные затраты в виде очистки и восстановления конфигурации.
Рис. 1: Влияние тяжелых ионов на функциональность ПЛИС.
Переходные изменения сигналов, вызванные воздействием однократного излучения в комбинационной логике, называются однократными переходными процессами (SET) и могут представлять проблему, если переходный процесс присутствует на входе данных регистра в тот самый момент, когда регистр синхронизируется. В этом случае переходный процесс сохраняется как однобитовое возмущение. С увеличением тактовой частоты возрастает и вероятность обнаружения переходного процесса.
Любое однократное событие излучения, вызывающее изменение функционирования интегральной схемы, называется однократным функциональным прерыванием. По мере усложнения интегральных схем количество способов возникновения однократных функциональных прерываний резко возрастает.
Успешное развертывание любой микросхемы в космосе зависит от тщательного понимания воздействия излучения на используемые устройства. Поэтому для организаций, разрабатывающих космическое оборудование, важно иметь данные испытаний для каждой партии пластин, поставляемых с компонентами для космических полетов. Оценка воздействия излучения требует разрушающих испытаний. Экземпляры для космических полетов не могут быть подвергнуты испытаниям на воздействие излучения, поскольку это серьезно повлияет на ожидаемый срок службы компонентов. Проверка на воздействие радиации проводится путем отбора проб из каждой партии кремниевых пластин. Тестирование на воздействие отдельных событий проводится на ранних этапах жизненного цикла продукта, поскольку последствия одного события зависят от конструкции интегральной схемы и, как правило, не так сильно зависят от процесса производства пластин. Особую осторожность следует проявлять с коммерческими компонентами, поскольку любая партия коммерческих компонентов может поступать из разных партий пластин, даже из разных модификаций гранул или даже с разных заводов-изготовителей, что может значительно увеличить вариативность воздействия радиации на компоненты. Без строгой прослеживаемости невозможно быть уверенным в том, что компоненты, подвергнутые радиационному тестированию, являются репрезентативными для компонентов, используемых в настоящее время. В отличие от этого, микросхемы, предлагаемые для космических полетов, обычно имеют полную прослеживаемость партий, и производитель устройства может предоставить данные испытаний на воздействие радиации для конкретной партии пластин, из которой происходят компоненты для полетов.
Корпуса:
Большинство микросхем, используемых в высоконадежных спутниках, размещаются в герметичных керамических корпусах. Использование керамических корпусов обусловлено тремя основными причинами. Первая связана с возможностью контроля качества. Военные стандарты, регулирующие производство и тестирование компонентов для использования в космических системах (например, Mil Prf 38534, Mil Prf 38535 и Mil Std 883 Class B), требуют независимой проверки интегральной схемы внутри корпуса перед герметизацией для подтверждения качества сборки. Проверка керамических корпусов легко выполняется до герметизации крышки.
Еще одно преимущество керамических корпусов заключается в том, что при экстремальных температурах или в вакууме керамический материал не выделяет паров, явление, известное как дегазация. В отличие от этого, пластиковые корпуса могут выделять пары, которые могут вызывать запотевание оптических компонентов в космосе.
Последнее преимущество герметичных керамических корпусов заключается в их способности защищать микроэлектронные компоненты внутри от вредной влаги или жидкостей для очистки печатных плат во время сборки и интеграции космического оборудования.
По этим причинам герметичные керамические корпуса необходимы для самых сложных и высокотехнологичных задач, таких как космические миссии в сфере национальной безопасности и пилотируемые космические полеты.
По мере роста требований к производительности керамические корпуса сталкиваются с рядом растущих и значительных проблем. Большее количество выводов ввода/вывода, необходимых для современных интегральных схем, требует размещения выводов для сигналов, питания и заземления в двумерном массиве на нижней стороне корпуса, а не в линейном расположении выводов по периметру корпуса, как это реализовано в некоторых традиционных корпусах, таких как керамические четырехплоскостные корпуса (CQFP). Несоответствие коэффициентов теплового расширения между корпусом и платой вызывает механическое напряжение, которое может срезать обычные шарики припоя по мере того, как печатная плата переходит в широкий температурный диапазон. Для решения этой проблемы вместо шариков припоя используются столбики припоя. Столбики припоя обладают механической гибкостью и поглощают механическое напряжение, связанное с различными коэффициентами теплового расширения платы и керамического корпуса.
Дополнительная проблема для керамических корпусов связана с их электрическими свойствами. Новейшие бортовые системы обработки сигналов разрабатываются с использованием последовательной передачи данных между интегральными схемами и между печатными платами, при этом скорость передачи данных достигает 10–12 Гбит/с. Керамические корпуса способны удовлетворить эти требования. Однако системы следующего поколения превзойдут эти скорости передачи данных, что создаст проблемы для существующих технологий керамических корпусов. Производители керамических корпусов отвечают на этот вызов, разрабатывая новые технологии, которые в настоящее время проходят оценку.
Из-за сложностей, связанных с использованием керамических корпусов, некоторые космические программы планируют использовать интегральные схемы в пластиковых корпусах. Пластиковые корпуса обладают преимуществом меньшего количества электрических паразитных эффектов по сравнению с керамическими корпусами, что позволяет достичь более высокой производительности при высокоскоростном вводе-выводе. Кроме того, коэффициент теплового расширения пластиковых корпусов гораздо ближе к коэффициенту теплового расширения материала печатной платы, что значительно снижает механическое напряжение на припое, устраняя необходимость в припое и, таким образом, повышая эффективность.
Квалификация:
Испытания, проводимые в ходе квалификации интегральных схем для использования в космосе, зависят от того, интегрирована ли интегральная схема в керамический или пластиковый корпус.
Для интегральных схем в керамических корпусах квалификация проводится в соответствии с установленным стандартом, таким как Mil Prf 38535 или эквивалентной спецификацией ESA. Большинство поставщиков из США соответствуют стандарту Mil Prf 38535. Основные этапы квалификации перечислены в таблице 1. В стандарте Mil Prf 38535 указаны два уровня квалификации: QML Class Q и QML Class V. QML Class Q предназначен для высоконадежных оборонных приложений, а QML Class V — для наиболее надежных космических приложений. Основное различие между классами QML Q и V заключается в том, что класс V имеет самые строгие квалификационные требования, такие как 4000-часовое испытание на долговечность при высоких температурах для квалификационного образца, по сравнению с 1000 часами для класса Q.
Примером интегральных схем в керамических корпусах являются радиационно-стойкие ПЛИС RTG4 компании Microchip, которые получили квалификацию классов QML Q и V в 2018 году (рис. 2).
Рис. 2: Радиационная ПЛИС Microchip RTG4.
Для интегральных схем в пластиковых корпусах отсутствует общепринятый стандарт квалификации, согласованный всей космической отраслью. Когда пластиковые корпуса предлагаются для космических применений, мероприятия по квалификации основаны на стандартах JEDEC. Крупнейшие поставщики и потребители интегральных схем в космической отрасли сотрудничают в рамках комитета JEDEC над определением стандарта линии управления качеством (QML) для квалификации и контроля интегральных схем в пластиковых корпусах для космического применения. После того, как будет согласован стандарт QML для квалификации и проверки микросхем в пластиковых корпусах для космического применения, многие поставщики ИС, в настоящее время поддерживающие космическую продукцию, вероятно, будут предлагать микросхемы, квалифицированные и проверенные в соответствии с этим стандартом.
Новые альтернативы:
Поставщики спутниковых услуг стремятся открыть новые рынки или создать новые возможности, такие как глобальные сети связи и высокочастотная съемка поверхности Земли. Для этих операций необходимы спутниковые группировки. Чтобы снизить стоимость развертывания большого количества спутников, разработчики спутников часто используют компоненты, не предназначенные специально для работы в условиях радиации или в космосе. Риск заключается в том, что стандартные (COTS) компоненты часто не имеют опыта работы в космосе, космической квалификации или даже прослеживаемости партий пластин или однородности, поэтому данные о радиации, полученные от образца, не обязательно являются репрезентативными для компонентов, предназначенных для космических полетов.
В ответ на это некоторые производители микросхем предлагают радиационно-стойкие компоненты без полного набора испытаний QML на космическом уровне. Например, семейство радиационно-стойких FPGA RTG4 от Microchip в настоящее время доступно в пластиковом корпусе с шариковой матрицей, который проходит квалификацию в соответствии со стандартами JEDEC. Разработка такого продукта «Sub-QML» предлагает разработчикам крупномасштабных спутниковых группировок альтернативный подход, исключающий проверку QML и позволяющий сэкономить средства. Использование радиационно-стойких микросхем обеспечивает высокий уровень радиационной безопасности и защиты от устаревания в космических миссиях, а также позволяет избежать проблем с отслеживаемостью, связанных с коммерчески доступными компонентами.
Растущие потребности разработчиков космических систем стимулируют спрос на высокоплотные и высокопроизводительные интегральные схемы. Суровые условия космоса требуют высокой радиационной стойкости и надежности компонентов, предназначенных для космических применений. Независимо от того, используются ли пластиковые или керамические корпуса, четко определенный набор требований к квалификации и отбору имеет важное значение для обеспечения успеха будущих космических миссий. Известные производители микросхем космического класса принимают этот вызов и предлагают расширенный ассортимент продукции, включающий традиционные компоненты, прошедшие квалификацию QML, и устройства, прошедшие квалификацию Sub-QML, которые сочетают в себе преимущества радиационной стойкости и прослеживаемости с более низкой стоимостью упаковки и проверки.
Автор: Кен О'Нил, заместитель директора по маркетингу в сфере космической и авиационной техники, подразделение FPGA, Microchip Technology.
