Además, el espacio ofrece la posibilidad de implementar protocolos cuánticos de alta seguridad que son difíciles de implementar mediante redes de fibra óptica.
La distribución de claves cuánticas (QKD – Quantum Key Distribution) ofrece un ejemplo relevante de cómo el espacio permite nuevas formas de mejorar la seguridad y la fiabilidad. Esta tecnología puede mejorar en mucho la capacidad de proteger cualquier comunicación contra el espionaje, al proporcionar una forma segura de enviar claves de cifrado de un solo uso o de uso limitado. Los canales ópticos en espacio libre protegen el entrelazamiento cuántico necesario para que la QKD funcione a distancias mayores de las que son posibles con la fibra óptica terrestre.
Las redes ópticas en espacio libre que se están construyendo en el espacio también proporcionarán rutas alternativas para las comunicaciones internacionales, ofreciendo protección contra el sabotaje y los daños a los cables de fibra óptica submarinos y enterrados. Los satélites más avanzados incorporarán sistemas informáticos sofisticados para ayudar a monitorizar las condiciones en la Tierra, mientras que otros actuarán como centros de datos espaciales.
Las redes de sistemas espaciales son mucho más difíciles de atacar físicamente. Pero los satélites están expuestos de diferentes formas. Los ciberataques siguen siendo posibles. Por eso es necesario proteger contra fallos la electrónica que se encuentra en el interior del creciente número de satélites de importancia estratégica. Las consecuencias de un fallo en el espacio van mucho más allá de la pérdida económica. Un satélite averidado o deteriorado puede interrumpir las comunicaciones globales, la navegación, la monitorización meteorológica o las operaciones militares.
La electrónica de los satélites está expuesta a otros eventos: a un entorno constante de partículas altamente energéticas emitidas por estrellas lejanas y cuásares. A estas partículas de rayos cósmicos se suman a menudo protones de alta energía producidos por el Sol durante tormentas magnéticas periódicas. Los objetos en órbita carecen de la protección de la atmósfera terrestre y, en órbitas más altas, corren el riesgo de encontrarse con más de estas partículas si se desplazan a través y por encima de la magnetosfera. Si una de estas partículas impacta en un átomo de uno de los componentes electrónicos del interior de un satélite, el resultado es una estela de iones y electrones libres que puede alterar el funcionamiento de los circuitos.
Algunas partículas son tan energéticas que pueden provocar el fallo de un dispositivo a través de efectos de latch-up. Pero los problemas se manifiestan más comúnmente a través de perturbaciones de evento único (SEU – Single Event Upsets), en las que se acumula suficiente carga en el circuito como para invertir el estado de un registro o de la celda de una DRAM o SRAM. Todos estos elementos dependen de la acumulación de carga para cambiar de estado.
El uso de la protección mediante códigos de corrección de errores (ECC), junto con el «memory scrubbing», permite hacer frente a las inevitables consecuencias de las SEU de origen espacial. Sin embargo, los dispositivos que dependen de estos tipos de memoria para el control y la configuración de los circuitos son especialmente vulnerables, ya que no pueden utilizar el mismo nivel de corrección basada en software.
Los diseñadores de satélites desean utilizar dispositivos lógicos configurables, como las matrices de puertas programables en campo (FPGA), por múltiples razones. Las FPGA ofrecen la capacidad de implementar procesamiento de hardware personalizado de alta velocidad para los volúmenes de producción de los proyectos de satélites. Incluso las grandes constelaciones rara vez justifican los costes de ingeniería no recurrentes necesarios para el desarrollo de circuitos integrados específicos para una aplicación (ASIC).
No es solo una cuestión de volumen de producción. Las FPGA proporcionan la flexibilidad que necesitan los proyectos de satélites actuales. Su reconfigurabilidad permite la programabilidad in situ, lo que facilita la creación de prototipos y la validación del diseño. Al permitir circuitos personalizados, los diseñadores pueden construir rutas de datos altamente optimizadas que mejoran el rendimiento informático en las operaciones aritméticas intensivas necesarias para la inteligencia artificial y el aprendizaje automático.
Además, las FPGA admiten la posibilidad de realizar cambios en los circuitos tras el lanzamiento, aunque se requiere una planificación cuidadosa para garantizar la seguridad.
Las FPGA basadas en tecnología SRAM se enfrentan a problemas específicos con laas SEU. A diferencia de los cambios transitorios de bits en los registros y las celdas de memoria utilizados por los programas de software, un SEU que afecta a una celda de configuración alterará la conectividad lógica dentro de la FPGA. Los diseñadores deben abordar esos problemas a nivel arquitectónico.
Normalmente, las alteraciones de configuración pueden solucionarse reconfigurando o reiniciando la FPGA y no tienen efectos duraderos. Sin embargo, las alteraciones de configuración pueden crear condiciones ilegales dentro de la FPGA. Si no se corrigen, pueden provocar que los pull-ups y los pull-downs se activen simultáneamente. Alternativamente, pueden dar lugar a graves conflictos de bus, lo que puede dañar físicamente la FPGA.
Para protegerse contra los efectos de las SEU, los diseños basados en FPGA con SRAM deben utilizar una costosa redundancia triple modular combinada con técnicas de depuración para combatir el riesgo de que los circuitos cambien bajo una SEU. Sin una amplia redundancia, una sola SEU puede provocar un fallo catastrófico debido al cambio en la configuración del circuito y, con ello, en la funcionalidad. Las tecnologías de memoria no volátil, como la Flash, son mucho menos vulnerables a los efectos que provocan las SEU. Aunque la memoria flash funciona almacenando carga, es mucho más resistente a los cambios de bits inducidos por la radiación que la SRAM utilizada en algunas FPGA. Esta resiliencia se traduce en menos SEU y una mayor resistencia al daño permanente causado por la radiación ionizante. crítica.
Fig. 2. FPGA RT PolarFire de Microchip
Las FPGA no volátiles modernas, como las de las familias PolarFire y RT PolarFire de Microchip, demuestran una inmunidad a las SEU de configuración superior a un umbral de transferencia lineal de energía (LET – Linear Energy Transfer) de 80 MeV·cm²/mg y una tolerancia a la dosis ionizante total superior a 100 krad. Esta resiliencia permite misiones prolongadas en órbitas sometidas a altas densidades de partículas energéticas, como las que atraviesan los cinturones de Van Allen.
Las condiciones térmicas extremas agravan el desafío que plantean las condiciones ambientales. En órbita, los satélites suelen alternar entre una intensa radiación solar, que aumenta la temperatura ambiente del sistema, y grandes descensos de temperatura durante los eclipses. Los dispositivos Flash consumen mucha menos energía que sus homólogos basados en SRAM. Los dispositivos que combinan la tolerancia a la radiación con un consumo de energía estático y dinámico intrínsecamente bajo simplifican los diseños térmicos al minimizar la disipación de calor.
Más allá de los factores ambientales, es esencial la protección contra los ciberataques dirigidos al sistema de comunicaciones. La ciberseguridad debe diseñarse desde el silicio hacia arriba. Aunque protocolos como el QKD permiten el máximo nivel de protección contra el espionaje, los atacantes siempre apuntarán al eslabón más débil de la cadena. Eso significa intentar comprometer los sistemas subyacentes.
Las modernas FPGA tolerantes a la radiación integran protecciones de hardware en capas que establecen tanto la confianza operativa como la ciberresiliencia. Una raíz de confianza de hardware garantiza que solo se carguen flujos de bits autenticados y no manipulados al encenderse el sistema. Este mecanismo evita configuraciones maliciosas o la inserción de código de tipo «caballo de Troya».
El cifrado integrado de flujos de bits, mediante aceleradores criptográficos dedicados, mantiene la confidencialidad y la integridad tanto durante el almacenamiento como durante la transmisión. Los métodos de autenticación implementados por las FPGA garantizan que los datos de configuración interceptados no puedan utilizarse para realizar ingeniería inversa de los circuitos internos.
Estas características permiten a los diseñadores de misiones crear procedimientos que permitan actualizaciones autenticadas sobre el terreno. A medida que aumentan las amenazas, que van desde intentos de comprometer las cadenas de suministro hasta ataques remotos persistentes, estas protecciones mantienen la integridad del sistema: requisitos fundamentales para misiones de larga duración o autónomas.
La propia criptografía aprovechará la reconfigurabilidad. A medida que la computación cuántica va madurando, los sistemas criptográficos más antiguos se vuelven vulnerables. La implementación de motores criptográficos de hardware programables dentro de las FPGA los posiciona para admitir los cambiantes estándares poscuánticos. Eso ayuda a garantizar la capacidad de las misiones a largo plazo.
La implementación de seguridad de hardware ayuda a cumplir los requisitos gubernamentales en materia de ciberseguridad. El uso de FPGAs que implementan de forma nativa funciones de arranque seguro, cifrado y calificación de resistencia a la radiación puede reducir bastante la complejidad de la certificación, al tiempo que se ajusta a las directrices del NIST (National Institute of Standards and Technology) y del DoD (Department of Defense) sobre el cumplimiento de la ciberseguridad en el espacio.
Fig. 3. El edge computing en órbita está impulsando la demanda de FPGAs seguras y tolerantes a la radiación
El cumplimiento de los estándares de grado militar ofrece una garantía adicional. Los dispositivos certificados según los estándares de la QML (Qualified Manufacturers List) Clase Q y Clase V se someten a un exhaustivo proceso de selección conforme a la norma MIL-STD-883 para garantizar su durabilidad frente a la radiación y las condiciones térmicas extremas. El enfoque de Microchip también incluye la oferta de dispositivos tolerantes a la radiación en encapsulados tanto de cerámica como de plástico optimizados en cuanto a costes, que son compatibles en cuanto a pines. Este enfoque permite a los diseñadores crear prototipos utilizando los componentes en encapsulado de plástico antes de pasar al de cerámica para las unidades de vuelo. La flexibilidad de las FPGA acelera los ciclos de diseño y reduce los costes de ingeniería no recurrentes, lo que beneficia tanto a los desarrolladores de satélites pequeños como a los grandes programas espaciales que buscan garantías probadas.
La intersección entre la resiliencia física y la ciberseguridad se encuentra en la vanguardia de la electrónica de grado espacial. Las FPGA resistentes a la radiación permiten cumplir ambos requisitos. Estos dispositivos resisten el duro entorno de la órbita y los ataques procedentes de la Tierra u otros satélites mediante defensas digitales. Al combinar inmunidad a la radiación, confianza garantizada por el hardware y funcionamiento con consumo ultrabajo, estos dispositivos permiten crear naves espaciales duraderas y seguras. Esta filosofía de diseño se extiende más allá del espacio a los sistemas de defensa, energía e infraestructuras críticas que necesitan garantizar un funcionamiento constante en condiciones adversas y que pueden ofrecer una alta resistencia a los ataques digitales defenderse.
Por Minh Nguyen, Senior Technical Staff Engineer, FPGA Product Marketing, Microchip Technology Inc. – https://www.microchip.com
