Применение COTS-технологий в разработках специального назначения является испытанным средством снижения временных и финансовых затрат. В статье рассматривается об опыте использования COTS для создания вычислителей эксплуатирующихся на борту космических аппаратов.
COTS (Commercial Off-The-Shelf — «готовые к использованию») – технология означает, что для построения систем специального назначения применяется специальный подход, согласно которому применяются промышленные вычислительные модули, а крейты, стойки, блоки коммутации и кабели выполняются в специальном исполнении и обеспечивают требуемые условия эксплуатации (например, устойчивость к климатическим, вибрационным, акустическим и др. воздействиям). В COTS-технологии применяются готовые аппаратные и программные технологии открытого типа, ранее широко апробированные и/или стандартизованные на рынке общепромышленных гражданских приложений.
Исторически концепция COTS возникла как инициатива министерства обороны США и оборонных ведомств ряда других западных стран, желающих сократить свои расходы за счет уменьшения доли дорогостоящих уникальных решений и технологий. Для российских разработчиков в настоящее время, в условиях усложнения экономической ситуации и введения санкций, перекрывающих доступ к элементной базе оборонного и двойного назначения, такой способ экономии средств на создание аппаратуры с высокими техническими характеристиками особенно актуален.
Общий тренд построения систем на базе стандартизованных COTS — компонентов проник и в космическую отрасль. Тому способствовали чрезвычайно бурный темп освоения космического пространства, усложнение решаемых задач, требования сокращения сроков разработки и модернизации систем, повышение их быстродействия и надёжности. В настоящий момент в космосе постоянно присутствует большое количество обитаемых и необитаемых летательных аппаратов различных стран. Эта отрасль превратилась в мощную индустрию, связанную с исследованиями, производством новых материалов, обороной и другими актуальными задачами [1].
Как влияет радиация на микросхемы
В «штуках частиц» космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов Водорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), ~1% более тяжелые атомы и ~1% электроны. Ну и звезды (включая солнце), ядра галактик, млечный путь — обильно освещают все не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением. Во время вспышек на солнце — радиация от солнца увеличивается в 1000-1'000'000 раз, что может быть серьёзной проблемой (как для людей будущего, так и нынешних космических аппаратов за пределами магнитосферы земли).
Вокруг земли есть 2 пояса заряженных частиц — так называемые радиационные пояса Ван Аллена: на высоте ~4000 км из протонов, и на высоте ~17 000 км из электронов. Частицы там движутся по замкнутым орбитам, захваченные магнитным полем земли. Также есть бразильская магнитная аномалия — где внутренний радиационный пояс ближе подходит к земле, до высоты 200км.
Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему — в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов — пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад).
На низкой орбите 300-500км (там, где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10'000-20'000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы.
Самой большой проблемой космической электроники является столкновение с тяжелыми заряженными частицами (ТЗЧ) — протоны, альфа-частицы и ионы больших энергий. ТЗЧ имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот), в худшем — привести к тиристорному защелкиванию. У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания — то все будет работать как обычно.
Тяжёлые заряженные частицы (ТЗЧ) космического пространства, воздействуя на интегральные микросхемы (ИМС), могут вызвать искажения отдельных битов данных или программы. Интенсивность сбоев зависит от типа используемой памяти, параметров орбиты и активности Солнца.
Бороться с защелкиванием можно несколькими способами:
1) Следить за потребляемым током, и быстро передергивать питание.
2) Использовать микросхемы на сапфировой подложке (Silicon-on-sapphire, SOS, в более общем виде Silicon-on-insulator, SOI) — это исключает формирование биполярных паразитных транзисторов и соответственно защелкивание. Программные ошибки тем не менее все равно могут быть. Пластины кремний-на-сапфире стоят дорого, обрабатывать их сложно, и они имеют ограниченное применение в гражданском секторе — соответственно производство получается дорогим.
3) Использовать так называемый triple-well процесс — он также очень сильно снижает возможность защелкивания микросхемы за счет дополнительной изоляции транзисторов pn-переходом, но не требует каких-то особенных пластин или оборудования и соответственно само производство намного дешевле кремния на сапфире.
Исторически, в СССР и России больше работали с кремнием на сапфире, а на западе — стараются как можно больше использовать обычный кремний с triple-well (чтобы совмещать с коммерческими продуктами и снижать стоимость), но и SOS/SOI тоже делают по необходимости.
В случае, когда из-за ТЗЧ в космической аппаратуре произошло искажение содержимого памяти или логика сработала неправильно. Бороться с этим остается только архитектурными способами, например:
— мажоритарной логикой (когда мы соединяем по 3 копии каждого нужного нам блока на некотором расстоянии друг от друга — тогда 2 правильных ответа «пересилят» один неправильный, использованием более стойких к ошибкам ячеек памяти (из 10 транзисторов, вместо обычных 6),
— использованием кодов коррекции ошибок в памяти, кеше и регистрах.
Но полностью от ошибок избавиться невозможно, ведь может случиться и ТЗЧ (вернее целый веер вторичных частиц) пройдет точно вдоль чипа, и чуть ли не 5% чипа могут сработать с ошибкой. Тут и нужна высоконадежная система из нескольких независимых компьютеров, и правильное их программирование.
В итоге, использование гражданских микросхем в космосе ограничено эффектом защелкивания, и возможно в лучшем случае на низких орбитах. На высоких орбитах и в дальнем космосе — нужны специальные радиационно-стойкие микросхемы, т.к. там мы лишены защиты магнитного поля земли, а от высокоэнергетических частиц космической радиации не спасет и метр свинца [2]. Сферы применения COTS-технологии должны быть четко очерчены, их неправомерное применение может привести к отрицательным результатам.
Примеры использования COTS-технологий в космосе
Подтверждением использования в космосе COTS-технологий и промышленной ЭКБ является растущая популярность спутников выполненных по стандарту CubeSat.
Кубсат, CubeSat — формат малых (сверхмалых) искусственных спутников Земли для исследования космоса, имеющих объем 1 литр и массу не более 1.33 кг или несколько (кратно) более (рис.1).
Рис.1 Спутник стандарта CubeSat компании «Даурия Аэроспейс»
Кубсаты обычно используют шасси-каркас спецификации CubeSat и покупные стандартные комплектующие — COTS-электронику и прочие узлы. Спецификации CubeSat были разработаны в 1999 году Калифорнийским политехническим и Стэнфордским университетами, чтобы упростить создание сверхмалых спутников.
Спецификация CubeSat включает в себя стандартизированные габариты и архитектуру. Все CubeSat подразделяются на размерности 1 unit (10×10×10 см), 2U (10×10×20 см), 3U (10×10×30 см) и так далее.
Стандарт CubeSat не ограничивает фантазию разработчиков и инженерные подходы для построения космических аппаратов. Внутри кубсата не существует общепринятых инструкций по сборке, то есть — универсальных стандартов, описывающих информационные, механические или электрические интерфейсы. Есть рекомендации типа соответствия габаритов электронных плат форм-фактору PC/104, некоторые подходы к распайке контактов, информационным шинам и шинам питания, но конкретная реализация у каждого разработчика может быть индивидуальной [3].
Создаются спутники CubeSat из электроники индустриального класса, т.е. той, которая предназначена для эксплуатации на Земле, и не готовилась к космосу. Несмотря на это, возможности современных чипов позволяют им работать в, казалось бы, непригодных условиях. Они могут быть недолговечны, но обеспечивают работоспособность аппаратов до года, а то и больше в несколько раз [4].
Другие COTS-стандарты
CompactPCI
Системы на базе стандарта CompactPCI имеют в своём составе механический конструктив, позволяющий устанавливать процессорные и периферийные модули в пассивную кросс-плату с определёнными стандартом интерконнектами обмена данными между модулями системы. Характеристики конструктивов, типы и топологии, используемых интерконнектов хорошо документированы в соответствующем стандарте, разработанном консорциумом международных компаний под эгидой PICMG (www.picmg.org) (рис.2).
Рис.2 Принцип стыковки модулей стандарта CompactPCI
Системы строятся в конструктиве Евромеханика 3U (рис.3), 6U
Основные преимущества стандарта CompactPCI:
— возможность построения многопроцессорных, гетерогенных вычислительных систем;
— высокая устойчивость к ударам и вибрациям;
— эффективное охлаждение;
— поддержка режима горячей замены;
— поддержка резервирования;
— применение стандартных шасси от разных производителей.
Рис.3 Корпус с модулями CompactPCI
Показательный пример надежности систем, выполненных по стандарту CompactPCI, – система управления марсохода Opportunity, который управляется двумя компьютерами на базе стандарта CompactPCI [5].
На красную планету марсоход Opportunity был высажен 24 января 2004 года и до сих пор продолжает функционировать.
Ядро системы управления – одноплатный компьютер RAD6000 (производитель BAE Systems), выполненный в формате СompactPCI 6U версии 2.0.
RAD6000 — радиационно-стойкий одноплатный компьютер, основанный на базе RISC-процессора, выпущенный подразделением IBM. Позже это подразделение стало частью BAE Systems.
Компьютер имеет максимальную тактовую частоту 33 МГц и быстродействие около 35 MIPS.
На плате установлено 128 МБ оперативной памяти с ECC. Обычно на этом компьютере работает ОСРВ VxWorks. Частота процессора может устанавливаться в 2.5, 5, 10 или 20 МГц.
PC/104
Форм-фактор PC/104 был принят в 1992 году, в ответ на требования об уменьшении габаритных размеров и энергопотребления для компьютерных систем. Каждая из этих целей была достигнута без снижения аппаратной и программной совместимости с популярными компьютерными стандартами. Спецификация PC104 предлагает полную архитектурную, аппаратную и программную совместимость с компьютерными стандартами в компактных размерах плат 3,6«x3.8» (91,44 мм х 96,52 мм). Название стандарта было получено из-за применения 104-контактной шины ISA, расположенного в нижней части платы (рис. 4).
Рис.4 Стек модулей формата PC/104
Стандарты PC/104 описывают модульный принцип построения компактных встраиваемых систем в виде колонны состыкованных друг с другом плат. Стандарты семейства PC/104 прекрасно зарекомендовали себя среди разработчиков компактных бортовых компьютерных систем. Многие инженеры выбирают РС/104 из-за преимуществ, которые дают малый вес и габариты таких устройств, механическая надёжность как разъёмов, так и всего конструктива в целом.
Семейство стандартов PC/104 описывает обмен данных между модулями по параллельным шинам ISA 16 бит, PCI 32 бит и с использованием последовательных интерконнектов PCI-Express, USB 2.0 и SATA и со — стоит из 5 спецификаций. Помимо самого компактного размера 90×96 мм, в семейство стандартов входят форм-факторы EPIC и EBX.
Один из примеров применения – это использование модулей формата PC/104 для построения аппаратуры для космического эксперимента «Терминатор». В рамках космического эксперимента осуществлялось наблюдение в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра слоистых образований на высотах верхней мезосферы – нижней термосферы в окрестности солнечного терминатора» (рис.5).
Рис. 5 – НА «Терминатор».
Ядром блока электроники является процессорная плата формата CPC1600 (Производитель Fastwel)
MicroPC
MicroPC — форм-фактор IBM PC-совместимых (x86) промышленных компьютеров для жёстких условий эксплуатации.
Размер плат MicroPC 124×112 мм. Благодаря оригинальной концепции разработки изделия стандарта MicroPC являются одними из наиболее устойчивых к воздействию жестких внешних факторов на рынке встраиваемых компьютеров. Модули MicroPC позволяют оперативно строить недорогие высоконадежные встраиваемые системы и системы автоматизации из готовых «кирпичиков» (рис, 6).
Рис.6 Шасси с модулями формата MicroPC
Особенность конструкции:
• пассивная материнская плата (объединительная панель или шлейф);
• 4-точечное крепление плат расширения;
• возможно наличие дополнительных дискретных и аналоговых портов ввода-вывода или наличие расширения PC/104 у процессорных модулей;
• сторожевой таймер;
• расширенный температурный диапазон: от −40 до +85 °C;
• низкое энергопотребление и выделение тепла.
Ярким примером использования модулей формата MicroРС в космосе – является пульт космонавтов «НЕПТУН-МЭ» пилотируемого транспортного корабля «СОЮЗ ТМА-М».
В настоящее время доставка экипажей на околоземную орбиту осуществляется с помощью транспортных пилотируемых кораблей серии «Союз ТМА-М», являющихся модификацией кораблей «Союз ТМА». В кораблях устанавливаются пульты космонавтов нового поколения – «Нептун-МЭ» (рис7), разработанным НИИАО. Пульт представляет собой трехпроцессорную вычислительную систему, включающую два канала отображения информации на основе матричных жидкокристаллических индикаторов, средства обмена с бортовыми системами корабля, органы ручного управления бортовым комплексом.
Рис.7 Пульт «Нептун-МЭ» космического корабля «Союз ТМА».
Пульт космонавтов «Нептун-МЭ» предназначен для контроля и оперативного управления членами экипажа бортовыми системами космического корабля.
Технические средства разрабатывались и выбирались с учетом требований работоспособности в условиях невесомости и разгерметизации спускаемого аппарата, т.е. с учетом работы космонавтов в скафандре.
Вычислительная часть построена с использованием модулей MicroPC. [6].
Заключение
Использование COTS позволяет быстро разработать изделие в условиях высокой конкуренции. Как показали примеры, COTS применяются не только в западными компаниями-разработчиками, но и в РФ.
COTS позволяют создать конкурентоспособные вычислительные системы. Данная технология является гарантом долговременного успеха, обеспечивая применение новейших общемировых бизнес-тенденций и инженерных достижений в области современных встраиваемых компьютерных технологий.
Литература
1. SpaceVPX – космическая надёжность магистрально–модульных систем, МКА: ВКС №2/2016
2. Микроэлектроника для космоса и военных. Электронный ресурс
3. Осторожно, кубсаты! Электронный ресурс
4. Когда кубсаты стали большими. Электронный ресурс
5. CompactPCI – стандарт для построения космической вычислительной техники. СТА № 1/2017. Стр 30-31.
6. Интегрированная СОИ космического корабля «Союз-ТМА» и пульт ручного контура управления Российского сегмента МКС «Альфа». Электронный ресурс.
Автор: Alekseim
