تاريخ موجز للمعالجات الدقيقة الفضائية ، الجزء الأول

في 10 يوليو 1962 ، تم إطلاق صاروخ Tor مع أول قمر صناعي للاتصالات السلكية واللاسلكية على متنه من موقع الإطلاق في Cape Canaveral. كان Telstar-1 فجر حقبة جديدة من رواد الفضاء ، والتي أظهرت أن الفضاء يمكن أن يحقق فوائد حقيقية للناس. كان هذا الجهاز ينتظر مستقبلاً رائعًا ، ولكن في اليوم السابق للسماء فوق جونسون أتول ، الواقعة في الجزء الصحراوي من المحيط الهادئ ، انفجرت القنبلة الذرية لـ Starfish Prime. دمر الانفجار ثلاثمائة من إنارة الشوارع في هاواي الواقعة على بعد ألف ونصف كيلومتر ، وخلق أيضًا كمية هائلة من الإلكترونات الحرة ، التي التقطها المجال المغناطيسي للأرض في حزام الإشعاع من صنع الإنسان. في كل مرة تمر Telsat-1 عبر هذا الحزام ، كانت تعبئة الترانزستور المتقدمة تكتسب جرعة من الإشعاع ، وبحلول نوفمبر 1962 كانت قد توقفت عن العمل. بدأ تاريخ حماية إلكترونيات الفضاء من الإشعاع بدراسة عواقب هذا الحادث.

لحسن الحظ ، بدأوا الانخراط في انفجارات نووية على ارتفاعات عالية بسرعة كبيرة ، ولكن حتى بدونها هناك ما يكفي من العمل ، ومتطلبات الموثوقية والمتانة المقدمة إلى الأقمار الصناعية الحديثة أصبحت أكثر طموحًا. من المستحيل التحدث عن كل شيء ، لكنني سأحاول تغطية ماضي وحاضر المعالجات الدقيقة للفضاء من مختلف البلدان. لماذا بالضبط المعالجات الدقيقة؟ معظمهم معلومات عنهم وفهمهم بشكل أفضل من قبل غير المتخصصين. اتضح أن المقالة طويلة ، لذا قمت بتقسيمها إلى قسمين: تاريخ مبكر على مثال الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا (تحت القص) والحديث - على مثال روسيا ( هنا ). دعنا نذهب!

قواعد اللعبة

لنبدأ بالمصطلحات والتعاريف. أعني بكلمة "microprocessor" الدائرة المصغرة أو مجموعة من الدوائر المصغرة ذات درجة عالية من التكامل ، مصممة لتشغيل البرامج. أول معالج صغير أحادي الرقاقة كان Intel 4004 ذي الأربعة بتات ، والذي صدر في عام 1971 - بعد أن هبط الأمريكيون على سطح القمر ، لذلك مع هذا التعريف ، تسقط أجهزة الكمبيوتر الموجودة على متنها عصر الاستكشاف البطولي للفضاء من الصورة ، مما يتركنا فقط "منشئي العمل" المملين. ومع ذلك ، فقد كتب الكثير عن أجهزة الكمبيوتر على متن الطائرة من العصر البطولي ، بما في ذلك على Habré. هنا ، هنا وهناك . وكقاعدة عامة ، تم تصميمها لمهمة محددة ، وكان لديها نوع من نظام القيادة وعمق البت من 13 بت ، ثم 17 ، ثم 21 - بشكل عام ، لا تحاول تكرارها في المنزل. بدأ التوحيد بتخفيضات في الميزانية بعد نهاية السباق القمري وبنشر متزامن لمختلف الأبراج الساتلية. ونتيجة لذلك ، توصلت جميع الأطراف المهتمة تقريبًا إلى عدد محدود من الرقائق العالمية المستخدمة أينما تبين.

النقطة المهمة الثانية هي توافر المعلومات. صناعة الفضاء لم تكن أبدا مفتوحة بشكل خاص. أول قمر صناعي ، أو وصول رائد فضاء إلى القمر أو عدد الأقمار الصناعية في كوكبة GLONASS ، هو إعلان بسيط وواضح ، لكن من الصعب التباهي بميزات المستهلك لتصميم جهاز الإرسال اللاسلكي في Sputnik-3. أضف السرية التقليدية القريبة من الحرب من الأعلى - ونعرف عن معالج RAD750 أن "هناك أكثر من 150 منها" ، وعشرات الأقمار الصناعية فقط التي تقف عليها. يبدو الاقتباس النموذجي من المنشورات العلمية المتخصصة المكتوبة في السبعينيات كما يلي: "تم أيضًا إنشاء سجل تحويل PMOS / SOS ذي 32 بت من الصعب الإشعاع واختباره ؛ ومع ذلك ، يتم تصنيف بيانات الاختبار على هذه الدائرة. " حول البيانات المفتوحة على الأقمار الصناعية الروسية والدوائر الدقيقة (وأنا ، بالطبع ، استخدم فقط البيانات المفتوحة) لا أريد حتى البدء ؛ فتات القائمة عادة ما تذهب إلى الإنترنت عن طريق الرقابة. المنشورات العلمية تنقذنا قليلاً - خاصة إذا كنت تعرف ما تبحث عنه. قاعدة بيانات IEEE عبر الإنترنت هي ببساطة مخزن لمؤرخ الإلكترونيات ؛ مع محفوظات المجلات العلمية والمؤتمرات السوفيتية والروسية ، فإن الوضع أسوأ بشكل جذري من المجلات الأجنبية ، ولكن ليس ميئوسا منه. ناقص المنشورات هو أنه من خلالها من الصعب تتبع العلاقة بين الدوائر الصغيرة وتطبيقاتها ، ولكن يمكن العثور على معلومات مثيرة للاهتمام حول تصميم الدوائر الصغيرة. المجموع: المقال لا يدعي أنه مكتمل ، بل هو مجموعة من الأمثلة التي يمكن من خلالها متابعة التطور وتقديم الحالة الحالية للمعالجات الدقيقة ووحدات التحكم الدقيقة للتطبيقات الفضائية.

الشيء الثالث الذي يجب الاتفاق عليه - لن أقارن أداء المعالج من روفر بجهاز iPhone. هناك بعض المرح في هذا ، لكن الفرق في الأداء ليس من الحياة الجيدة ، بل له أسباب موضوعية: دورة تطوير طويلة ، ومتطلبات موثوقية أخرى ، وإصدار شهادات طويلة واختبار كل شيء بدءًا من تكنولوجيا تصنيع الرقاقات إلى تجميع القمر الصناعي. بالطبع ، يرغب مطورو الفضاء دائمًا في الحصول على الحد الأقصى من طاقة الحوسبة - لمعالجة المعلومات على متن الطائرة ، وتوفير النطاق الترددي للقناة الراديوية - ولكن في الغالب تكون الأولويات الأخرى أكثر أهمية. هذا هو السبب في أن عشر سنوات يمكن أن تنتقل من الانتهاء من التطوير إلى الرحلة الأولى ، وبالتالي يحب الجميع الحلول التي طارت بالفعل - هناك مشكلة أقل بكثير معهم. نتيجة لذلك ، يمكن أن تتراوح مساحة الفضاء للدوائر الدقيقة للفضاء ما بين ثلاثين إلى أربعين عامًا ، ويمكن أن يبدأ تطوير جيل جديد حتى قبل أول رحلة من الجيل السابق ، وما زالت المعالجات المطورة في التسعينيات تبدأ. ستلاحظ على الفور أن تصميم المركبة الفضائية أصبح أكثر تعقيدًا ، والآن يمكن أن يكون هناك العشرات من أجهزة الكمبيوتر على متنها لديها متطلبات مختلفة للغاية: تحتاج إلى معالجة صفيفات الصور على مدار الساعة واستطلاع بضع مجسات مرة واحدة في الساعة.

رابعا ، تذكير موجز جدا للآثار الإشعاعية للفضاء الخارجي. هناك تذكير بالطول المتوسط هنا ، ولكنه طويل جدًا - هنا .

ترتبط الآثار المترتبة على جرعة كاملة من الإشعاع بتراكم الشحنة الكهربائية في المواد العازلة وعند الواجهة بين عازل أشباه الموصلات ؛ نحن مهتمون بشكل رئيسي بأكسيد البوابة والعزل الجانبي لترانزستورات MOS. تتجلى هذه التأثيرات كتحول في جهد عتبة الترانزستورات (للقنوات p ، زيادة في القيمة المطلقة ، للقنوات n عادة ما تتناقص ، لكن في وقت لاحق سترى الفروق الدقيقة) ، انخفاض في حركة ناقلات الشحن (انخفاض في سرعة الدائرة) وتسريبات في الترانزستورات n- قناة ( سواء بين التصريف ومصدر الترانزستور الواحد ، وبين الترانزستورات المختلفة) ، مما يؤدي إلى زيادة في استهلاك الطاقة الساكنة.

تعود التأثيرات الفردية إلى حقيقة أنه عندما تدخل جسيمات مفردة مشحونة الترانزستور ، يتم نقل جزء من طاقة هذا الجسيم إلى مادة الدائرة الدقيقة ، ويتم تشكيل أزواج من ثقب الإلكترون الحر فيها. يتم فصل بعض هذه الأزواج في الدائرة الدقيقة بواسطة مجال كهربائي ، وهي "ترى" نبضة تيار قصير "يتم إحضارها" بواسطة جسيم خارجي. علاوة على ذلك ، يمكن لهذا النبض الحالي تغيير القيمة المسجلة في خلية الذاكرة ، أو الانتقال إلى إدخال العنصر المنطقي أو القيام بشيء كارثي على الإطلاق ، على سبيل المثال ، لاختراق بوابة الترانزستور أو فتح بنية الثايرستور الطفيلي وإنشاء خطأ أرضي محلي مع السلطة.
ترجع تأثيرات الإزاحة إلى حقيقة أن الجسيمات الواردة لا يمكن أن تخلق أزواجًا من ثقب الإلكترون فحسب ، بل تتفاعل أيضًا أيضًا مع ذرات مادة ما ، وتخرجها من المواضع الصحيحة في الشبكة البلورية. بالنسبة إلى الترانزستورات العادية ، هذه العيوب المحلية ليست فظيعة ، ولكنها تؤدي إلى أضرار كبيرة للأجهزة الإلكترونية البصرية وأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد والترانزستورات النانوية.

لا تزال هناك آثار لمعدلات الجرعة ، ولكن لديها تطبيقات غير تجارية في الغالب ، لذلك أنا لا أتحدث عنها.

المرحلة الأولية - مثال الولايات المتحدة

حقيقة أنني لم أستطع أن أعرف بشكل موثوق أي المعالج الدقيق كان أول من على متن المركبة الفضائية كان متوقعا للغاية. لا تتوفر البيانات العامة إلا في مهام علمية معروفة ، وعادةً ما يتم وضعها على أكثر موثوقية ويمكن التحقق منها ، أي تم إعدادها بهدوء مسبقًا على أقمار صناعية أقل تكلفة. من المعروف أن أجهزة كمبيوتر Viking و Voyager التي تم تجميعها تم تجميعها وفقًا لمنطق منفصل ، ولكن بدأ عليها توحيد المكونات وإعادة استخدامها. من المثير للاهتمام أن Voyager كانت أول جهاز يستخدم ذاكرة أشباه الموصلات بدلاً من النوى المغناطيسية. علاوة على ذلك ، كانت CMOS SRAM متقلبة ، أي تم مسح المعلومات الموجودة بها إذا فقدت الطاقة. كيف تمكن المهندسون من إقناع الإدارة بالمخاطرة؟ أولاً ، بدون ذاكرة جديدة ، لن يكون من المنطقي تطبيق منطق CMOS السريع. في الفضاء ، كانت تكنولوجيا CMOS أكثر من مناسبة: على الرغم من حقيقة أن دوائر CMOS كانت أبطأ من نظيراتها ثنائية القطب وأكثر حساسية للتصريف الكهربائي ، فقد تحملت درجات الحرارة القصوى ، وحساسية الضوضاء المنخفضة واستهلكت طاقة أقل جذريًا ، والتي عادة ما تكون على متنها كان هناك نقص. ثانياً ، كنسخ احتياطي لمصدر الطاقة ، تم إحضار الجهد من إخراج RTG مباشرة إلى الذاكرة ، مع المنطق المعقول أنه إذا حدث شيء للمولد ، فلن تكون مشاكل الذاكرة ذات صلة.


الشكل 1. لوحة مع ذاكرة أشباه الموصلات مع فوياجر.

الأول - RCA 1802

المركبة الفضائية الأولى التي اكتشفت فيها والتي لم تكن دوائر متناهية الصغر ذات درجة تكامل متوسطة ، لكن المعالج الصغري الأحادي (8 بت RCA 1802) هو القمر الصناعي Magsat الذي تم إطلاقه في 30 أكتوبر 1979. وبالنظر إلى أن أول RCA 1802s التجارية قد تم إصدارها في عام 1975 ، فإن هذا يجب أن يعني أنهم ضربوا وكالة ناسا في وقت مبكر من أرفف المتاجر - والتي كانت بشكل عام ممارسة طبيعية في الأيام الأولى من وادي السيليكون.

وكمثال صغير من تلك الحقبة ، سأقتبس مقالًا للملك EE King بعنوان "تأثيرات الجرعة الكلية على 1802 معالج دقيق" ، ومعاملات IEEE على العلوم النووية ، 1977. تقارن المقالة تأثير الجرعة الإشعاعية على أربعة 1802 متغير: نموذجان تجريبيان ، عينة واحدة تم إنتاجها على ركيزة السيليكون على الياقوت (SPS) ، وعينة واحدة تنتجها عملية خاصة تهدف إلى زيادة مقاومة الإشعاع.


الشكل 2. تحول الجهد العتبة لكلا النوعين من الترانزستورات تحت تأثير جرعة الإشعاع. C1 و C2 هي رقائق تجارية ، S عبارة عن شريحة على SPS ، X هي عينة خاصة.

يمكن أن نرى من الشكل أن كلا من العينات التجارية ورقاقة KNS بجرعات إشعاعية صغيرة (8-15 crad (Si)) ، تصبح عتبة الترانزستورات n-channel أقل من الصفر ، وتتوقف الدوائر المنطقية ببساطة عن التبديل. في الوقت نفسه ، أتاحت العملية التقنية الخاصة تحقيق مقاومة تزيد عن 1 Mrad (Si) ، أي طلبيتي الحجم. مرة أخرى ، ألاحظ أن العام 1977 فقط ، وقد تم تطوير وإنتاج رقائق خاصة بالفعل. ومع ذلك ، كان RCA 1802 الموصوف على الأرجح هو العلامة الأولى ، لأنه في ذكريات المشاركين في تطوير جهاز NASA الكبير التالي - Galileo - لقد وجدت قصة أنه في وقت اختيار هندسة التحكم الإلكترونية في عام 1977 ، كان 1802 المعالج الدقيق الوحيد المتآلف المقاوم للاشعاع.

من المهم أن نلاحظ أنهم حاولوا استخدام رقائق الأكثر شيوعا في الفضاء بالفعل - ومواصلة القيام بذلك بنجاح الآن. بالنسبة للعديد من التطبيقات ، لا توجد حاجة إلى الموثوقية الشديدة ، أو المقاومة العالية للإشعاع ، أو الغياب التام للفشل - فقط عدم وجود فشل في فترة زمنية معقولة أمر مهم ، والعديد من الرقائق التجارية تتعامل مع هذا المتطلب ، في حين أن عدة أوامر من حيث الحجم أرخص من المصممة خصيصًا لها نظرائهم. بالنسبة إلى كوكبة ساتلية مكونة من عدة مئات من الأجهزة في مدار منخفض ، فإن وجود حالات فشل غير متكررة ليس أمرًا بالغ الأهمية ، على عكس التكلفة. وحيثما يعتمد أمن البلد على عمل الدوائر الدقيقة ، فإن حياة رواد الفضاء ، أو على الأقل مصير مهمة علمية تمتد إلى عدة ملايين من السنين ، أمر مستحيل بدون رقائق مقاومة للإشعاع. هناك ، بالطبع ، طرق مختلطة ، عندما يتم تشغيل الأنظمة الأكثر أهمية على رقائق مقاومة للإشعاع ، والباقي على الأنظمة التقليدية ، وأيضًا يموت جيدًا ، عندما تأخذ الشركة المصنعة نفس البلورات المستخدمة في منتجات باهظة الثمن مقاومة للإشعاع ، تقوم بتغليفها في حقائب بلاستيكية رخيصة ولا تجري اختبارات شاملة ، مما يوفر السعر عدة مرات. هناك شركات تعمل على وجه التحديد في اختبار الرقائق التجارية لتكتشف فيما بينها تلك التي تبين أنها مقاومة بطريق الخطأ. لكن العودة إلى غاليليو و 1802.


الشكل 3. إطلاق غاليليو مع مكوك الفضاء. أجهزة الكمبيوتر المحمولة على متن المكوك ، التي تم إنشاؤها في السبعينيات ، عملت على دوائر كهربائية صغيرة بدرجة تكامل صغيرة ، وفقط خلال ترقية كبيرة ، تم تصنيعها بالفعل في الألفين ، حصلت على متنها PowerC 750 و 386 e و 1802 e و civil PowerCit.

نظرًا لوجود العديد من المشكلات ، فقد طار Galileo فقط في عام 1989 ، ولكن تم تصميمه مباشرةً بعد Voyagers مباشرةً واستخدام أفضل ممارساته. "1802 لم يعجب أحد في فريق التطوير حقًا" ، لأن الحلول المنفصلة ، وإن كانت أكثر تعقيدًا ، كانت أسرع بكثير. كنتيجة لذلك ، لا تزال سلبيات مزاياها تفوقت ، وتم التحكم في نظام القيادة والبيانات الفرعي للجهاز (نظام القيادة والبيانات الفرعي) في عام 1802 ، وتم التحكم في النظام الفرعي للتحكم في المناورة الأقل تحميلًا ولكن الأكثر تطلبًا (النظام الفرعي للتحكم في الموقف والمفصلية) بواسطة جهاز كمبيوتر 16 بت تجميعها من رقائق بت أربعة القطب ثنائي شرائح Am2900 (نظيره السوفياتي - 1802 سلسلة).

بالإضافة إلى ذلك ، يعد نظام غاليليو مهمًا لتاريخنا لأنه أول جهاز يتم فيه مراعاة مشكلة الإخفاقات الفردية في التصميم. في الدوائر الصغيرة المصنوعة وفقًا لمعايير التصميم التقريبية ، لم تظهر تقريبًا ، ولم يكن أحد يعلم بوجودها حتى وصلت الأبحاث إلى أحزمة الإشعاع الخاصة بالمشتري. الغلاف المغناطيسي لكوكب المشتري كبير لدرجة أن جزءًا من أقمارها (أوروبا ، Io و Ganymede) داخله! تعمل الحقول المغناطيسية لكوكب المشتري على تسريع الأيونات الثقيلة إلى طاقة هائلة ، يكون مصدرها نشطًا بركانيًا. تحولت هذه الظروف الرهيبة إلى ما يكفي لإحداث أعطال حتى في دوائر بايونير الصغيرة ، ولكن كلما كانت معايير التصميم أصغر ، كانت الطاقة اللازمة لتبديل الذاكرة في الذاكرة أصغر!


الشكل 4. صورة للإشعاع حول كوكب المشتري. المصدر: Hans Huybrighs ، "جدوى الرصدات الموقعية لأعمدة بخار الماء في Europa" ، 2015

بحلول عام 1977 ، عندما بدأ تصميم Galileo ، لم يصل Voyagers بعد إلى المشتري ، وجميع بيانات الإشعاع المتاحة المتعلقة فقط بالرواد. تم تصنيف بعض الأخطاء الغامضة فيما بعد على أنها حالات فشل فردية ، ولكن هذا حدث لاحقًا ، وحتى الآن ، لم يتم دمج أكواد التصحيح الذاتي ، أو أي طرق أخرى للعثور على الأخطاء وتصحيحها في المعدات الموجودة على متن Galileo. بعد العثور على السبب المحتمل للفشل في بايونيرز و فوياجرز (1982) ، تم إرسال جميع المكونات الإلكترونية لجاليليو ، التي تم اختيارها لتكون مقاومة لجرعة الإشعاع ، على وجه السرعة إلى المعجل: اكتشف كيف ستتعامل مع مشكلة جديدة. كانت النتائج مخيبة للآمال: إذا تصرف 1806 ، باستخدام تقنية قديمة نسبيًا ، بشكل طبيعي ، ثم في المعالجات الدقيقة ثنائية القطب المتقدمة 2901 ، تسببت نسبة 20 إلى 50٪ من إصابات الجسيمات المشحونة في حدوث خلل ، وكان من المستحيل البدء به. ما يجب القيام به تم العثور على خيارين:

1. جرب أحدث كمبيوتر داخلي مقاوم للفرح استنادًا إلى بنية 1750A وأعد ترجمة جميع البرامج ، بعد كتابة برنامج التحويل البرمجي. قدرت تكلفة هذا الخيار بـ 20 مليون دولار (ثم كانت الدولارات آنذاك ، كانت أغلى بكثير من تلك الحالية).
2. للطلب على وجه السرعة تطوير نظائر تتسامح مع الأخطاء لرقائق المشكلات 2901. في هذه الحالة ، لا يمكن إعادة إنشاء كافة البرامج التي تم اختبارها بشكل متكرر. قدرت Sandia Labs تطوير الرقائق الجديدة بـ 5 ملايين واتخذ قرار.

تقدم NASA Tech Briefs ، المجلد 10 ، العدد 3 بعض التفاصيل حول الرقائق التي طورتها Sandia Labs: لم تكن ثنائية القطب مثل الأصل ، ولكن CMOS ، كان هناك تسعة أنواع منها (من أصل أربعين رقاقة من السلسلة الأصلية) ، وكانت تستخدم لتحقيق التسامح مع الخطأ أوسع من الترانزستورات اللازمة ، وكذلك المقاومات في دوائر التغذية المرتدة لعناصر التخزين.

تصميم SA3000 - مقاومة للإشعاع 8085

بدت عملية تطوير الدوائر الدقيقة المقاومة للإشعاع في ذلك الوقت كما لو كنت تستطيع متابعة المنشورات العلمية. على سبيل المثال ، أخذت مقال بقلم دبليو كيم إت. al., «Radiation-Hard Design Principles Utilized in CMOS 8085 Microprocessor Family», 1983 IEEE Transactions on Nuclear Science. Sandia Labs , SA3000 – Intel 8085 ( SA3001 SA3002 RAM Intel 8155 ROM Intel 8355). , Intel , . , . RHBP , – - , n+- . , – RHBD .

NMOS- , , . 700 (Si) 30 (Si). , . Sandia Labs ( ), -. , -, . , .

.

1. n- 2 ( 1 ) p- -0.5 -4 ( -1 ). - , , , , .
2. , -4 5 p- , , Sandia Labs , 10 . , , NMOS CMOS , .
3. , p- , NAND ( p- ) NOR ( ).
4. , . , , . , , , .

( ) , , 10 , , . , 10 5 .

«» : – , – , , – , - . Sandia Labs pin-to-pin 18000 6500, . : , . , , , - .

زرنيخيد الغاليوم

إن التغيير أو حتى إنشاء تكنولوجيا خاصة لإنتاج رقائق مقاومة للإشعاع في ذلك الوقت كان شيئًا ليس فقط أمراً مفروغًا منه ، ولكنه ضروري أيضًا. لذلك ، فمن المنطقي أنه بالتوازي مع البحث عن طرق لجعل تكنولوجيا CMOS السيليكونية أكثر استقرارًا ، كان هناك بحث عن خيارات بديلة. وكان الرئيسي واحد زرنيخيد الغاليوم.

, , JFET , . 1984 , DARPA GaAs MIPS — RCA, McDonnell Douglas CDC-TI. 30 , “ ”. , GaAs- Am2900, 1802 , .

, 1984-1994 GaAs , «» 6500 . , GaAs , 6500 , - (). GaAs – - , . .

RISC-

GaAs RISC-, CISC . , RISC- , . « » – ARM, MIPS, SPARC, POWER – , -, - , -, , – , .

1980 US Air Force Mil-Std-1750A, 16- . , , USAF . , , JOVIAL (Mil-Std-1589) (Mil-Std-1815A). JOVIAL, , ( , , ).

USAF, NASA, ESA . 1750- ( , , , bit-slice 2901 , Galileo) , Cassini . Mil-Std-1750A MA31750 Dynex Plessey - . IT , 1750A USAF 1996 , , 16 32- , . , , 1750 . , Rosetta, 2004 , “”, 2013.

, : «1802+8085» «1750+386», 386 Sandia Labs Intel; 386 , Hubble , Space Shuttle. - MIPS-, Mongoose-V, New Horizons, - RAD, POWER. Phoenix, Opportunity, Spirit Curiosity, Spitzer Kepler – , NASA . – RAD5500 – 2016 . – HPSC (High Performance Spaceflight Computing), Boeing ARM-, NASA USAF. , (RTEMS ), , – Yocto Linux.

, , – HPSC , , , . Mongoose-V – MIPS , RAD6000 , PowerPC601. , , ; . , , , .


الشكل 6. مقارنة بلورات PowerPC750 و RAD750. يتم تصنيع الرقائق وفقًا لمعايير التصميم نفسها ، حيث تتضاعف مساحتها في نفس الوقت. انتبه إلى تخطيط الكتلة المتطابق تقريبًا - وهذا هو ما يحدث عند ضمان التوافق على مستوى منخفض. تشير الاختلافات الكبيرة في أحجام كتل الذاكرة إلى استخدام خلايا ذاكرة متعددة المقاومة للترانزستور (10T بدلاً من 6T) مع تكرار مدمج.

تحول نموذجي - حالة وكالة الفضاء الأوروبية

يرتبط تاريخ هندسة معالج الفضاء الأوروبي ارتباطًا وثيقًا باسم المهندس السويدي جيري جايسلر. انضم إلى وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) في منتصف الثمانينيات وبدأ تطوير أول معالجات فضائية أوروبية خاصة. في البداية ، كانت 1750A الأمريكية مرخصة ، ثم تطويرها الخاص على أساس نظام القيادة نفسه (المنتج في إنجلترا) - للحفاظ على التوافق مع البرامج المكتوبة بالفعل. ونظرًا لأن هذا هو موقع لتكنولوجيا المعلومات ، فلنرى نوع البرامج:

أدوات الملكية
مترجم آدا من TLD (الولايات المتحدة الأمريكية)

المصدر المفتوح
يتكون نظام تجميع جنو لعام 1750 مبدئيًا من جزأين رئيسيين.
مجموعة من الأدوات التي طورتها CNS بموجب عقد الوكالة:

• مترجم جنو سي (gcc-2.7.2)
• رابط ، مجمّع ، أرشيفي ، إلخ (binutils-2.7)
• مكتبة ج المستقلة
• مكتبة سلاسل POSIX (IEEE 1003.1c-1995) (مدير تنفيذي وقائي في الوقت الفعلي)
• GNU Debugger (gdb-4.16) لعام 1750

مجموعة من الأدوات إما المطورة داخليًا في الوكالة أو متوفرة من مصادر خارجية ، وهي:

• CRTX (SmartCom صغير تنفيذي متزامن دوري / متزامن - خارجي)
• محاكي مستقل 1750 (O. Kellogg sim1750-2.3b - خارجي)
• wxIDE (بيئة تطوير متكاملة محمولة تستند إلى J. Smart wxWindows 2.65 - داخلي)

هناك نقطة مهمة تميز عمل وكالة الفضاء الأوروبية فيما يتعلق بالبرمجيات وهي الدعم المستهدف والسداد المنتظم لإنشاء منتجات مفتوحة المصدر ، وكذلك إنشاء أنظمة بيئية لإعادة استخدام التطوير وخفض التكاليف. ليس فقط للبرامج: بالنسبة للدوائر الميكروية المقاومة للإشعاع ، يقوم معهد IMEC البلجيكي بإنشاء ودعم منصات تطوير DARE للمصالح ESA (التصميم ضد تأثيرات الإشعاع) ، والتي تشمل طرق التصميم ، PDKs المكيفة ومجموعات كبيرة من كتل IP الرقمية والتناظرية على ست عمليات تصنيع مختلفة (350 ، 180) ، 90 و 65 نانومتر). هذه الأنظمة الأساسية ليست مفتوحة المصدر ، ولكنها مرخصة لجميع فناني الاتصال بالإيسا إذا لزم الأمر.

ERC32 - أول الأوروبي بالكامل

عاد الآن إلى جيري جيسلر. تم تطوير الجيل الأول من معالجاتها الأوروبية 1750A في الهندسة المعمارية (تم الانتهاء من مجموعة من ثلاث شرائح في عام 1989 ، MA31750 متكاملة بالكامل في عام 1991) مع التركيز على مهمة Rosetta ، والتي كانت لتصبح واحدة من أبرز البرامج العلمية الأوروبية الأمريكية الواسعة ، والتي تضمنت التلسكوب " هابل "والبعثات لدراسة الشمس والكواكب.

"رشيد" جهاز ذو مصير طويل ومعقد. بدأ المشروع في عام 1986 ، مع الولايات المتحدة وكان من المفترض أن يعيد استخدام أجزاء كثيرة من أجهزة Mariner MkII (تنمو أرجل 1750A من هنا) ، ولكن بعد فترة من الوقت ألغى الكونغرس الأمريكي تمويل الجزء الأمريكي من البرنامج (تم تحويله لاحقًا إلى ميزانية أقل من مسبار كاسيني) ، بقيت أوروبا بمفردها. في عام 1994 ، عندما أصبح من الواضح أن المهمة الأصلية ، التي تضمنت تسليم المادة الكوميتية إلى الأرض ، وحدها لا يمكن سحبها ، فقد تمت إعادة صياغة مهام المهمة ؛ بعد عشر سنوات ، في عام 2004 ، بدأت Rosetta رحلتها إلى المذنب Churyumov-Gerasimenko ، وفي عام 2014 ، عندما وصلت إليها ، يمكن قراءة الأخبار بما في ذلك حول الدوائر القديمة مع أداء آلة حاسبة الجيب. ولا تزال هذه الأخبار غير كافية في الأخبار حول معالجات المكدس في وحدة الهبوط Philae التي تقوم الأجهزة بتطبيق اللغة Forth.

أظهر مصير رشيد بوضوح لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) أن الاعتماد على الشركاء الأمريكيين ليس هو أفضل فكرة ، وبدأت الوكالة في استثمار الكثير من المال في برامج لتحقيق الاستقلال التكنولوجي أو ، في رأينا ، في استبدال الواردات. بعد مرور ثلاثين عامًا ، لا تزال هذه البرامج موجودة ، حيث تلقت قوة دفع جديدة نسبيًا تتعلق برغبة أوروبا في الوصول إلى سوق الفضاء الروسي ، والأهم من ذلك ، بغض النظر عن قيود التصدير الأمريكية والعقوبات والحروب التجارية الأمريكية مع الصين.

بعد أن اكتسب خبرة كافية ، قام فريق ESA بمهمة أكثر طموحًا: معالج 32 بت. في ذلك الوقت ، كان لا يزال من المألوف التوصل إلى تصميمات RISC الخاصة بك ، لكن وكالة الفضاء الأوروبية لم تخصص أموالًا لمثل هذا الترفيه ، مما يوحي للمطورين باختيار واحدة من المعايير الدولية الحالية ، علاوة على ذلك ، ليست مملوكة ، ويفضل أن يكون لديها نظام بيئي جيد للبرامج. بعد إجراء بعض الدراسات والمناقشات اللاحقة مع بضع عشرات من مقاولي ESA المحتملين ، وقع الاختيار على SPARC ، التي تمتلك جميع الصفات الضرورية وتم توزيعها بالفعل بحرية في أوائل التسعينات من قبل كونسورتيوم حسن السمعة بقيادة Sun و Fujitsu. حقيقة مضحكة: تم اعتبار ARM ، لكن تم رفضه نظرًا لقلة عدد البرامج. من بين المتطلبات الأخرى المهمة للمعالج دعم الأجهزة للغة Ada لتسريع عمل البرنامج المكتوب بالفعل من أجل 1750A ، وكذلك وجود نماذج VHDL لتسريع تطوير النظم القائمة على المعالج.

كانت النقطة الجديدة في متطلبات التطوير هي أن المعالج الصغري نفسه لم يتم تطويره كرقاقة ، ولكن كنموذج معالج عالي المستوى في VHDL. تم ذلك حتى لا يعتمد على الشركة المصنعة للرقاقة المعينة ولضمان توفر المعالج لسنوات عديدة قادمة ، حتى لو حدث شيء ما للمصنع المحدد. وفقًا للتقاليد الأمريكية ، اعتمد التصميم الأساسي على المعالج التجاري Cypress CY601 ، وكان المصنع الفرنسي Temic Semiconductor (عملية التصنيع الحجمي المقاومة للإشعاع مع معايير التصميم 800 نانومتر) مسؤولاً عن مقاومة الإشعاع. بدلاً من السنوات الثلاث المخطط لها ، استمر المشروع خمس سنوات (1992-1997) ، تم الانتهاء من التصميم في العاشر (!) التكرار لرقائق الاختبار ، تم التخلي عن Ada - لكن كنتيجة لذلك اعتبر المشروع ناجحًا. تم تصميم التصميم الناتج باسم ERC32 ، وهي مجموعة من المعالجات الدقيقة ثلاثية الشرائح دخلت السوق تحت أسماء TSC691-693 ، وحتى وقت لاحق ، تم تنفيذ المشروع على شريحة واحدة مثل TSC695 (20 ميجاهرتز ، 14 MIPS ، 4 MFLOPS ، 0.5 واط).

بالإضافة إلى التنفيذ المعتاد لـ SPARC ، تنفذ ERC32 اكتشاف الأخطاء وتصحيح البرامج. 99 ٪ من المشغلات في سجلات Integer Unit ، و 100 ٪ من المشغلات في FPU والحافلات الخارجية مجهزة بتكافؤ. تتسبب الأخطاء المكتشفة في ستة أنواع من المقاطعات ، يتم تحديد الاستجابة لها برمجيًا. في أبسط الحالات ، تتمثل معالجة المقاطعة في تكرار التعليمات الفاشلة ؛ وفي أسوأ الحالات ، يمكن إعادة تشغيل الكمبيوتر الموجود على اللوحة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تعديل تعليمة NOP بطريقة ، وبدلاً من عدم القيام بأي شيء ، فإنها تتحقق من المجموع الاختباري الذي تم استلامه كرموز XOR لجميع التعليمات السابقة. إذا كان المجموع لا يتطابق مع القيمة المتوقعة (التي تم الحصول عليها عند التحويل البرمجي) ، يتم استدعاء المقاطعة أيضًا. في الختام وصف ERC32 ، لاحظت أنه لا توجد ذاكرة تخزين مؤقت على الإطلاق ، أي أن مطوري المعالج دفعوا هذه المشكلة الكبيرة إلى أشخاص آخرين.

التدابير المقترحة للكشف عن الفشل أدت إلى زيادة في المنطقة بنسبة 15 ٪. أو 130٪ ، إذا أخذنا في الاعتبار تضمين اثنين من ERC32 في تكوين مكرر ، وكان هناك أيضًا دعم للأجهزة.

ERC-32 والجزء ISS الروسي

الجهاز الأول الذي استخدم ERC32 يستحق بلا شك قصة منفصلة ، لأنه كان أول حالة لاستخدام وحدة أجنبية في المعدات المهمة للبعثة الروسية ، وأيضًا لأنه يوضح بوضوح كيف لا ينبغي القيام بالمشروعات المهمة.

في عام 1992 ، نظرًا لصعوبات أخرى في بناء محطة فريدوم الأمريكية-الأمريكية طويلة المدى ، بدأت وكالة الفضاء الأوروبية مفاوضات حول إمكانية مشاركتها في مشروع المحطة المدارية الروسية مير -2. وافق الجانب الروسي ، لكن ليس لديه ميزانية في عام 1992. بعد عامين من المفاوضات المكثفة (انتهى التصويت في الكونغرس الأمريكي بنتيجة 216-215) ، تحولت مشاريع Mir-2 و Freedom إلى محطة الفضاء الدولية (ISS) ، كما نعرفها اليوم. في غضون ذلك ، ظلت الاتفاقيات الأوروبية الروسية سارية ، وأطلقت وكالة الفضاء الأوروبية مشروعًا لنظام معالجة البيانات للوحدة الروسية "الفجر" (DMS-R ، نظام إدارة البيانات - الروسي).

المعالجات المتوفرة في عام 1995 - 1750 و 386 - مقاومة للإشعاع - لم تستوف متطلبات الأداء ، وفي الحمل على RAD6000 ، كان من الضروري شراء لوحات المعالجات بالكامل ، والتي لم تمنح مرونة في التطوير. كان هناك خيار آخر هو ERC32 ، ولكن بحلول ذلك الوقت كان موجودًا فقط في شكل نماذج ، ولم يتم تصنيع رقاقة اختبار واحدة في السيليكون. لا أعرف ما الذي دفع هؤلاء الأشخاص ، لكن من الواضح أنه لم يكن فكرة أن هناك شيئًا ما يمكن أن يحدث خطأ مع معالج متقدم غير موجود . ومعه ، بالطبع ، كان هناك تأخير في الجدول الزمني (الذي تم تجاوزه لبعض الوقت باستخدام نظائرها التجارية) وبحرًا من الأخطاء (والذي كان متوقعًا لأول مشروع كبير لفريق تطوير صغير) ، وكانت الأخطاء موثقة بشكل سيئ ، حتى في ظل التوجيه المباشر المستمر الاتصال مطوري DMS-R والمطورين ERC32. أحد الأخطاء في FPU ، والتي لم يتمكن مطوروها من RSC Energia من التعريب بأي شكل من الأشكال ، كان لا بد من التحايل عليها في نهاية المطاف ببقع في نظام التشغيل.

كان هناك مزيد من التأخير (في عام 1998 ، لم يكن تمويل المساحة في روسيا جيدًا مرة أخرى) ، ولكن في عام 2000 تم وضع أجهزة الكمبيوتر المدمجة التي طورتها وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) بنجاح في مدارها ومنذ ذلك الحين تعمل داخل كتلة زاريا الروسية.


الشكل 7. الكمبيوتر الموجود على متن وحدة ISS Zarya استنادًا إلى معالج ERC32.

في عام 1996 ، حتى قبل انتهاء مشروع ERC32 ، بدأ تطوير متطلبات ورثته. نمت شهية المبرمجين إلى 100-500 MIPS بدلاً من 10 ، والنجاح الكبير للمشروع الأصلي يعني أن أوروبا ستواصل العمل مع بنية SPARC في المستقبل المنظور. كانت المهمة الأساسية هي إنشاء نسخة أحادية الشريحة من ERC32 ، وكانت المهمة الواعدة هي جوهر المعالج الجديد.

LEON-FT

كانت السمة الرئيسية لمشروع LEON-FT هي المهمة الأولى المتمثلة في عدم إنتاج منتج نهائي في شكل شريحة ، بل نواة مرخصة في شكل رمز vhdl ، وضمان تحمل الأخطاء بدلاً من صلابة الإشعاع. لقد أثبتت تجربة ERC32 أنها تتطلب ازدواجية للتشغيل الموثوق ، والخطوة المنطقية التالية هي تطوير نظام لا يحتاج إليها. لا يتطلب حل هذه المشكلة الكشف فحسب ، بل يتطلب أيضًا تصحيح الأخطاء على مستوى الأجهزة ، دون استخدام البرامج. بطبيعة الحال ، لم يخترع مؤلفو LEON-FT أفكار تسامح الأعطال وتصلب الإشعاع حسب التصميم ، لكن قبلهم تم النظر في هذا النهج بشكل أساسي على مستوى الترانزستور ، وكانوا أول من قام بفك كامل لمحاربة الأعطال الفردية من التنفيذ الفعلي للرقاقة ووضع هدف المشروع لإنشاء شريحة مستقرة على التكنولوجيا التجارية ، وعلى أي المتاحة في لحظة معينة - وبالتالي حل مشكلة تقادم العمليات التكنولوجية وإغلاق المصانع. وهكذا ، تم تسجيل تحول نموذجي: قبل عشرين عامًا من رؤيته بمثال شرائح SA3000 ، كانت المشكلة الرئيسية هي الجرعة الكاملة من الإشعاع ، التي خاضتها الطرق التكنولوجية ، وتم النظر في حالات الفشل الفردية وفقًا للمبدأ المتبقي. بحلول عام 2000 ، تغير التركيز ، وأصبحت حالات الفشل المفردة هي المشكلة الرئيسية ، وبدأ النظر إلى التعلق بتقنية معينة على أنه عيب ، وليس كميزة ، حتى لو تم اختبار المصنع وموثوقيته. بالمناسبة ، الآن Dynex Semiconductor الإنجليزية (وليس كلمة حول Brexit) ينتمي إلى الصينيين ، وأصبحت تيميك الفرنسية جزءًا من الرقائق الأمريكية.

تمت كتابة الأساسية LEON-FT بلغة VHDL ومزودة بمكون يسمح لك باختيار خيارات مختلفة للحماية من الأعطال الفردية لأجزاء مختلفة من الشريحة: لملف التسجيل وذاكرة التخزين المؤقت (ظهرت ذاكرة التخزين المؤقت!) ملكة جمال ذاكرة التخزين المؤقت ، بالنسبة لمشغلات datapath ، وجود أو عدم وجود التكرار الثلاثي ، لخط أنابيب (يظهر خط أنابيب) - القدرة على إعادة التعيين وإعادة المحاولة بدءًا من تعليمة فاشلة. وبالتالي ، فإن الاعتماد الوحيد على التنفيذ الفعلي هو فقط في ميزات الواجهة مع كتل الذاكرة المخصصة التي تشكل ملف التسجيل. نمو المنطقة الأساسية مع أقصى قدر من الحماية باستثناء المخابئ حوالي 100 ٪ ، مع الأخذ في الاعتبار - حوالي 40 ٪ ؛ مع تعطيل جميع الخيارات ، اتضح أن هذا هو SPARC V8 core الذي تم إصداره في Open Source كـ LEON (بدون بادئة -FT). استمرت هذه الممارسة أكثر من ذلك ، وتم طرح الإصدارات اللاحقة من LEONx في إصدار غير مستقر في المجال العام ، وتم ترخيص الإصدارات الآمنة القابلة للتلف من LEONx-FT مقابل المال لإنشاء شرائح أو IP Soft للبرامج الثابتة في FPGAs. في الواقع ، نظرًا لأن LEONx-FT غير مرتبط بالتكنولوجيا بأي حال من الأحوال ، فلا شيء يمنعها من الاستخدام في FPGAs - بالطبع ، إذا تم استيفاء الشرط (الصارم إلى حد ما) لغياب الأعطال في الذاكرة التي تتحكم في اتصالات العناصر الموجودة في الشريحة. ومع ذلك ، إذا لم تكن هذه الذاكرة SRAM ، ولكنها فلاش أو EEPROM ، فهذه فكرة واقعية تمامًا ، حتى بدون مراعاة وجود FPGAs التي تتحمل الأخطاء حيث تكون ذاكرة التهيئة مغطاة بالأجهزة برموز تصحيح ذاتي.


الشكل 8. الزناد المدمر.

ملاحظة تصميم المكتبة: للتوافق مع أي مكتبات ، يتم تجميع عنصر التصويت هنا من بوابات المنطق العادية. بالطبع ، هو نفسه ليس محميًا من حالات الفشل الفردية بأي شكل من الأشكال ، لكنه أقل بكثير من مجرد مشغل عادي ، مما يعني أن احتمال الدخول إليه أقل ، والفشل قصير ، ولكن ليس مغلقًا. إذا لم يكن هذا كافيًا ، فهناك تطبيقات خاصة لعنصر التصويت على مستوى الترانزستور ، أكثر مقاومة للفشل من الخيار الموضح في الشكل ، ويمكن إضافتها إلى المكتبة كأولويات. في معايير التصميم من 1000-100 نانومتر ، هناك الكثير من التطبيقات المثيرة للاهتمام للعناصر المنطقية مع زيادة التسامح مع الخطأ ، مما يسمح بتغيير الحد الأدنى للتصميم المنطقي للدائرة الصغيرة وعدم تقديم تصميمات ثلاثية معقدة. الخيارات الأكثر شيوعًا هي الازدواجية الداخلية في العناصر والتصفية المدمجة (على سبيل المثال ، في شكل مقاومات في دوائر التغذية المرتدة في الذاكرة).


الشكل 9. خلية ذاكرة DICE مع الازدواجية المدمجة ؛ نظرًا للتقاطعات المتقاطعة ، يكون الفشل في ذلك ممكنًا فقط إذا أصاب مقلوبان في وقت واحد ، وهو أمر سهل المنع نسبيًا. على اليمين هي طبولوجيا خلية ذاكرة عادية و DICE.

كان LEON-FT مشروع اختبار ولم يكن مخصصًا للتسويق ؛ تم تطوير هذا التطوير ، بالإضافة إلى المنتجات التجارية اللاحقة - قلب LEON2-FT - بواسطة Geisler في شركته الخاصة Gaisler Research ، الموجودة في Gothenburg. تم الحصول على الحقوق الحصرية لـ LEON2-FT من قبل Atmel ، التي استحوذت على Temic ، وهي شركة ERC32 ؛ المنتج الناتج هو شريحة AT697 ، المعروفة على نطاق واسع بما في ذلك في روسيا ، والتي يتم تنفيذها على تقنية Atmel الإشعاعية الخاصة وبسبب حقيقة أن Atmel هي شركة أمريكية تخضع لقيود التصدير والعقوبات. في عام 2008 ، تم بيع شركة Gaisler Research إلى الأميركيين من شركة Aeroflex ، ثم اشترتها شركة English Cobham ، ثم بدأت Brexit ، والآن تشتري Cobham بعض المستثمرين الأمريكيين تحت وطأة عدم جواز تبديد الكنز الوطني والدفاع الوطني. هذه هي قصة استبدال الواردات والاستقلال التكنولوجي في أوروبا.

يحتوي الإصدار الحالي - LEON5 - على خط أنابيب من ثماني مراحل ، ومؤشر للفروع وميزات أخرى للمعالجات الدقيقة الحديثة ، وبدءًا من الإصدار الثالث ، لا يقدم Gaisler فقط نوى المعالج ، ولكن أيضًا مكتبة كبيرة تضم كتل IP مختلفة ، مما يسمح للمستخدمين بإنشاء أنظمة على شريحة مناسبة لذاتهم المتطلبات ، بالإضافة إلى مجموعة واسعة إلى حد ما من البرمجيات الاحتكارية ، والجهات الخارجية والمفتوحة المصدر (يمكن العثور على وصف تفصيلي هنا ، وتشمل أنظمة التشغيل VxWorks 6.9 و 7.0 ، RTEMS 4.10 و 5 ، وكذلك Linux على أساس kernel 3.10 و 4.9).

تقسيم العمل

كما قلت أعلاه ، لا تعمل حلّ LEONx-FT IP فقط على حل مشكلة الإخفاقات الفردية ؛ تقع الحماية ضد الجرعة الكاملة وتأثير الثايرستور على عاتق المستخدم ، الذي يجب عليه اختيار إما FPGA مستقر ، أو مزيج من التكنولوجيا والمكتبات.دعونا نلقي نظرة فاحصة على مثال شريحة Gaisler GR712 المستخدمة في مهمة قمر برشيت الإسرائيلية الأخيرة.

. GR712 – LEON3-FT. – 180 TowerJazz. – RadSafe, Ramon Chips ( , «»). RadSafe . GR716 – LEON3-FT – IMEC, IP 180 UMC. GR740 – , LEON4-FT – 65 ST Microelectronics, . , , , .


10. , MA31750 , GR740 ( 65 STM, , 250 , 459 MIPS/, 22.7 MFLOPS).

, . -, , , . -, , , . -, ( ), , .

– . , , , .