تاريخ موجز للمعالجات الدقيقة الفضائية ، الجزء الثاني

هذا هو الجزء الثاني من المقالة حول تاريخ المعالجات الدقيقة للتطبيقات الفضائية. الجزء الأول هنا . في ذلك ، على أمثلة الدوائر الصغيرة الأمريكية والأوروبية ، نظرنا في تاريخ تطوير رقائق مقاومة للإشعاع من المعالجات أحادية البلورة الأولى إلى نهاية الألفين ، عندما كانت معايير التصميم لتطوير الفضاء تقترب من 100 نانومتر.

بدأت الخطوة الكبيرة التالية في ضمان مقاومة الإشعاع بالانتقال إلى أقل من 100 نانومتر ، حيث يجلب كل الجيل التالي تقريبًا أسئلة جديدة: تغيير المواد ، وتغيير متطلبات الهيكل ، ونمو الطاقة الساكنة (تسربات دون إشعاع ، والتي تصبح أسوأ تحت جرعة) ، أهمية الآثار الفردية ، والتي تتحول إلى تأثيرات متعددة ، تستمر في النمو. تطلبت هذه المهام تطوير أساليب جديدة ، وبشكل مفاجئ ، عودة جزئية إلى الأساليب القديمة ، لأن بعض الأشياء التي أثبتت أنها ممتازة في معايير 1-0.18 ميكرون لا تعمل وفقًا لمعايير أدق. على سبيل المثال ، في مثل هذه التقنيات ، لزيادة الإنتاجية ، يحظر تصنيع ترانزستورات رنين محببة من قبل مصممي الرقائق المقاومة للإشعاع. سأحكي كيف يتعامل المصممون مع التحديات الجديدة مع مثال روسيا - وفي الوقت نفسه سأقارن إنجازات مواطنينا مع نجاحات زملائهم الأجانب وأعرض ما يمكن توقعه في المستقبل المنظور.

الحداثة - مثال روسيا

اخترت روسيا لتوضيح المرحلة الحالية ، ليس لأن التطورات الروسية تبرز على نطاق عالمي ، ولكن لأنه لا معنى لكتابة شيء أقدم. كان هناك الكثير من الدوائر الدقيقة الرائعة في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، ولكن تم الاحتفاظ بسرية جميع المعلومات حول المنتجات ذات الاستخدام المزدوج ، والآن يمكنك العثور فقط على الدراجات من النموذج "بعد حادث تشيرنوبيل ، جاء غورباتشوف شخصيًا لمطوري الروبوتات للتعامل مع الأنقاض وأعادوا معالج VM6 المشع. (في الواقع ، فإن الكلمات الأساسية "تحافظ على قابلية التشغيل في مجموعة واسعة من العوامل الميكانيكية والمناخية وغيرها " ترد في الوصف لا "xxxxxBM6" ، ولكن 1806BM2). هناك أشياء صغيرة عشوائية: في سلسلة 1839 ، وفقًا للمقابلات المتاحة للمطورين التي تم إنشاؤها لتلبية الاحتياجات الصناعية ، هناك شريحة N1839VZh2 - عنصر تصويت. في أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، ليس هناك حاجة لعنصر الأغلبية لأي شيء ، ولكن إذا كنت google قليلاً ، فيمكنك معرفة أن سلسلة 1839 هي أجهزة كمبيوتر محمولة على الأقمار الصناعية GLONASS-M. إنه لأمر مؤسف أن مثل هذا الكم من البيانات لا يسمح لكتابة أي شيء. بالإضافة إلى ذلك ، في وقت ظهور المعالجات الدقيقة المشعة ، كان الاتحاد السوفيتي قد بدأ بالفعل بثبات على طريق نسخ التطورات الغربية ، لذلك لا يزال من غير المتوقع ابتكارات خاصة.

تميزت التسعينيات في مجال الإلكترونيات الدقيقة ببقاء العصائر الأخيرة من التراث السوفيتي والضغط عليها. حدث تحول مشروط في عام 2003 ، والذي تبين أنه حافل بالأحداث: في NIISI RAS ، تم إطلاق مصنعها الخاص بمعايير التصميم التي تبلغ 500 نانومتر ، وذهب أول معالجات من عائلة Multicor إلى سلسلة Angstrem ، تأسست شركة Digital Solutions في السابق قبل ذلك ، افتتح موزع ميلاندر مركز التصميم. ثم جاء البرنامج الفيدرالي المستهدف "تطوير المكونات الإلكترونية والإلكترونيات الراديوية" للفترة 2008-2015 ، والذي لم يحقق الأهداف المعلنة (45 نانومتر بحلول عام 2015 ، ومبيعات 300 مليار روبل ، وما إلى ذلك) ، ولكن لا يزال تمكنت على محمل الجد مساعدة الإلكترونيات الدقيقة الروسية. يوجد في روسيا في الوقت الحالي ما يقرب من 150-200 مركز تصميم يشارك في تطوير الدوائر المتكاملة ، من الشركات العملاقة مثل Micron إلى فرق من خمسة إلى ستة أشخاص يشاركون في أشياء متخصصة. الغالبية العظمى من هذه الفرق تعمل بطريقة أو بأخرى مع أوامر الحكومة وإنشاء منتجات ذات الاستخدام المزدوج. علاوة على ذلك ، لم يمر العقد بين عامي 2003 و 2014 فقط في تطوير دوائر روسية ميكروية جديدة وفي محاولات لسد الفجوة الكارثية بالفعل مع المصنعين الأجانب ؛ كانت مهمة إقناع مصنعي النظام ببدء تطبيقهم مهمة أكثر صعوبة من إنشاء دوائر مصغرة جديدة. بعد استنفاد الأعمال السوفيتية المتراكمة ، انتقل معظم فنيي النظام بكثافة إلى المكونات المستوردة التي تم تصنيعها بشكل أفضل وتوثيقها بشكل أفضل وأكثر موثوقية وأكثر سهولة - بشكل عام ، لم يكن هناك أي سبب يدعو إلى فعل ذلك. التالي - حلقة مفرغة من التوافق المتخلف وإعادة استخدام الأعمال المتراكمة الحالية ، والتي بفضل التطورات المحلية المشددة لا تزال مستمرة. في الإنصاف ، كانت هناك شركات بين الشركات المصنعة للأجهزة الراديوية على متن الطائرة من حيث المبدأ وتتعاون باستمرار مع المطورين المحليين للمكونات الإلكترونية ، ولكن بشكل عام ، بدا الوضع في الصناعة على هذا النحو:

اقتباس من مقابلة مع نيكولاي تيستويدوف ، مدير أكبر شركة روسية لصناعة المركبات الفضائية ISS سميت باسم ريشيتنيف:

- هل يمتلك القمر الصناعي للاتصالات العسكرية Blagovest نسبة كبيرة من المكونات الأجنبية؟
- هناك ، لم تكن النسبة جيدة جدًا أيضًا ، لأنه حتى عام 2014 ، عندما لم تكن هناك مخاطر أو قيود ، اشترينا عددًا كبيرًا من المكونات الأجنبية. كان توقيت إنشاء أقمار صناعية لوزارة الدفاع أكثر أهمية.

يبدو أنني لا أفهم شيئًا ما في تعريف كلمة "خطر". ولكن بمجرد استخدام المركبات العسكرية في المركبات العسكرية ، يمكننا أن نفترض أن "الإشارات المرجعية" في الدوائر الكهربائية المصغرة إما غير موجودة ، أو تسقط أثناء بدء التشغيل بسبب التحميل الزائد.

لقد حدث تغيير حاد في عام 2014 ، عندما أصبحت ، على نحو غير متوقع ، بسبب استخدام الرقائق الدقيقة المستوردة ذات الاستخدام المزدوج غير متوفرة. هنا ، على ما يبدو ، كانت لحظة عظيمة للالتقاء والانتقال إلى التطورات المحلية ، ولكن بدلاً من ذلك ، سقط الإلكترونيات الدقيقة الروسية مرة أخرى على القضبان الزلقة المتمثلة في النسخ أو ، كما يقولون الآن ، بدائل الاستيراد. ومع ذلك ، فقد تأثرت كثيرًا بكلمات الأغاني ، لذا دعنا نضيفها حتى قبل النظر في معايير التصميم دون 100 نانومتر ، وننظر بإيجاز إلى الوضع الراهن في المعالجات الدقيقة للفضاء الروسية والمتحكمات الدقيقة استنادًا إلى نتائج عشر سنوات من التطوير وخمس سنوات من بدائل الاستيراد.

حديقة الحيوان

بينما في الولايات المتحدة الأمريكية ، هناك احتكار فعلي للسلطة ، وفي أوروبا - SPARC ، في روسيا ، أزهرت جميع الأزهار على جميع الهياكل.

• ARM : يتم تصنيع ثلاثة نماذج من ميكروكنترولر المقاوم للإشعاع على أساس Cortex-M0 و Cortex-M4F من قبل Milander ، واحد آخر Cortex-M0 هو تحالف Angstrem و Digital Solutions ، وثلاثة Cortex-M4F أخرى هي NIIIS.
• MIPS : تتحكم النوى RISCore32 "المتوافقة مع MIPS" في أربعة معالجات متعددة الألواح غير متجانسة مقاومة للإشعاع طورتها شركة Elvis SPC ؛ KOMDIV التي تشبه MIPS في تطوير NIIISI و NIIIS و NIIMA "Progress".
• SPARC : المقاول الرئيسي لتطوير الروسي LEON4 (1906MB016) - فورونيج NIIET. ومن المثير للاهتمام ، أن مركز موسكو لتقنيات SPARC (ICST) لا علاقة له به. من الواضح أن تجربة فورونيج في تصميم الرقائق المقاومة للإشعاع أصبحت أكثر أهمية.
• AMCS-96 : بشكل عام ، فإن MCS-96 عبارة عن بنية ذات 16 بت ، لكن عباقرة فورونيج القاتمة من NIIET صنعوا امتدادًا 32 بت له وجمعوا متحكمًا مشعًا عليه.
• PowerPC (هناك تقريبًا): هناك شريحة من "الوحدة النمطية" الخاصة بشركة الاتصالات السعودية ، والتي لا تتمتع بمقاومة معلنة ، ولكنها مصممة "للمعدات الموجودة على متن الطائرة". على ما يبدو للالكترونيات الطيران.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك العديد من وحدات التحكم الدقيقة من 8 و 16 بت ، وبعض الخيارات من DSP / VLIW (نظائرها الخاصة بها وشخص آخر لها) ، ثم أي شيء تقريبًا: الذاكرة ، BMC ، FPGA ، FPAA ، ADC ، DAC ، ميكروويف ، الأجهزة المنفصلة. هناك بعض الدوائر المصغرة لتطبيق الفضاء لكل ذوق تقريبًا - ولكن الحقيقة هي أننا لا نحتاج إلى بعض ، ولكننا نحتاج إلى منافسين ، موثقين جيدًا ومدعومين جيدًا ، ومع النقاط الثانية والثالثة ، كان لدى المصنّعين الروس كل شيء تقليديًا (وهناك ، وهو بالفعل هناك) سيئة.


الشكل 11. ملاحظة أخرى حول مسألة تنوع المعالجات الدقيقة المحلية: هذا ما تبدو عليه عادة وحدة المعالج "المستبدلة للاستيراد". ولوحنا بالعلم "لدينا معالج محلي" ، ثم تابعنا في الوضع العادي. يمكن استخدام نفس الصورة ، من حيث المبدأ ، كدليل على حجم مقدار كل شيء يحتاج إلى استيراد.



الشكل 12. مقارنة حدوث التيارات التسرب في الترانزستورات الحجمي و SOI MOS. التسريبات هي السبب الرئيسي لفشل المعلمات الناجم عن جرعة كاملة من الإشعاع. يوضح الشكل بوضوح أن SOI لا يحل جميع المشكلات المتعلقة بمقاومة الإشعاع ، لكن الغياب الأساسي لتأثير الثايرستور بسبب العزلة الكاملة لكل ترانزستور يجعل الحياة أسهل للمطورين ، الذين كثير منهم مغرمون جدًا من SOI.

نظرًا لأنه من المستحيل تمامًا ذكر كل شخص في روسيا دون مقاومة للإشعاع (ولا يعطون معلومات حول التطورات في كل زاوية) ، سأتحدث باختصار عن ثلاث شركات تتعامل مع دوائر الفضاء الدقيقة ليس من وقت لآخر ، ولكن بشكل منهجي و بالطبع ، هم يعملون في المعالجات الدقيقة و microcontrollers. هذه الشركات هي Elvis و Milander و NIISI. يسعدني أن أخبرني بالتفصيل عن تطور NIIET ، لكن عن طرق حمايتهم من الإشعاع ، تبين أنه من الصعب العثور على شيء أكثر تحديداً من الكلمات العامة مثل "الحلول الهيكلية والدوائر الخاصة المطبقة في المتحكم الدقيق التي تضمن تشغيلها المستقر على مستوى الجرعة المتراكمة ما لا يقل عن 250 Crad وفقدان الطاقة الخطية (TZZ) حتى 60 MeV ∙ cm2 / mg ". الاستثناء هو LEON الخاص بهم ، ولكن كل شيء هو نفسه كما في أي LEON-FT - مشغلات ثلاثية وترميز مقاوم للضوضاء في الذاكرة.

شريكة المساهمة المغلقة "الفيس"

تقوم شركة Elvis بتطوير نظام Multicor منذ بداية العقد الأول من القرن العشرين ، وهو مزيج من مجموعة التحكم RISC و DSP على رقاقة واحدة. بدأوا العمل المنهجي مع ضمان مقاومة الإشعاع في نفس الوقت تقريبا ، جنبا إلى جنب مع قسم الالكترونيات في MEPhI ، أولا باستخدام التقنيات الأجنبية. بعد ظهور تقنية Micron الخاصة بـ 180 نانومتر ، أصبح Elvis أحد أوائل العملاء الخارجيين من خلال تطوير مكتبة مشعة من البوابات المنطقية ومجموعة من كتل IP لإنشاء أنظمة على الرقاقة. في أوصاف غالبية الدوائر المصغرة من منصة Multibort (الإصدار المقاوم للإشعاع من Multicore) النقش "تم تصميم وتصنيع الدائرة الصغيرة في أراضي الاتحاد الروسي". تم تصميم مجموعة من الرقائق لبناء شبكات بيانات على متن الطائرة وفقًا لمعايير SpaceWire و SpaceFibre وتتضمن معالجات و SpaceWibre والتبديل.

منذ البداية ، شاركت Elvis بنشاط في وضع وتطوير المعيار الأوروبي لنقل البيانات على متن مركبة الفضاء SpaceWire (يستخدم الأمريكيون معيارهم الخاص - RapidIO) ، ويشاركون في اجتماعات مجموعة العمل الدولية ويكونون المحرك الرئيسي لتنفيذ معيار SpaceFiber الأسرع.


الشكل 13. رسم تخطيطي للمعالج 1892VM206. تردد تشغيل النواة RISC هو 120 MHz ، نوى DSP هي 140 MHz ، أربعة منافذ SpaceWire 300 ميجابت / ثانية لكل منها ، ومنافذ SpaceFibre 1.25 جيجابت / ثانية ومن ثم هناك تفاصيل تافهة مختلفة.

يُعتبر التنفيذ على مكتبتنا الخاصة المقاومة للبهجة في جميع الدوائر الطريقة الرئيسية لتحقيق مقاومة الإشعاع. التفاصيل حول بعض التقنيات المعمارية في الأوصاف على الموقع الرسمي قليلة ، والبحث عن المنشورات لم يجعل الصورة أكثر وضوحا لأن الفيس ينشر قليلا وبشكل رئيسي على مواضيع أخرى. بالنسبة لجميع المعالجات ، يتم الإعلان عن تشفير Hamming للذاكرة بالكامل ، وفي إحدى الرقائق يوجد حجز ثلاثي لملف التسجيل وشجرة الساعة. بالإشارة إلى اكتمال هذه المعلومات بشكوك صحية ، دعنا نفترض أن الدفاع المعماري في Multiborts أقل تطوراً إلى حد ما من LEON-FT.

هيئة الأوراق المالية PKK "Milander"

الشركة المصنعة الأخرى التي تتعامل مع الكثير من الدوائر الدقيقة المقاومة للأمطار هي ميلاندر. تم تصميم معظم رقائقها المقاومة للبهجة بطريقة ما لأنظمة القياس عن بُعد الموجودة على متن الطائرة - إنها شرائح معالجة الإشارات من المستشعرات ، والمفاتيح التناظرية والرقمية ، و ADC ، والذاكرة ، وبالطبع ، موضوع اهتمامنا هو ثلاثة ميكروكنترولر. بتعبير أدق ، ليس ثلاثة ، ولكن سنتين ونصف ، لأن كلا من 1986BE8T و 1986BE81T كلاهما على متن ARM Cortex-M4F ، مجموعات طرفية متطابقة ويختلفان فقط في نوع ذاكرة البرنامج - ROM في الحالة الأولى و SRAM في الثانية. افترض أن متغير SRAM مطلوب فعلاً لتصحيح متغير ROM. تم تجهيز 1923-1014 بنواة ARM Cortex-M0 الأكثر تواضعًا وجزء من مجموعة الشرائح لتنظيم نظام استشعار متعدد القنوات ، وهذه الرقاقة ليست متحكم دقيق بالمعنى المعتاد ، ولكن وحدة تحكم متخصصة ، تم شحذها لتطبيق معين.

في مواصفات 1986BE8T و 1986BE81T (لديهم واحد مشترك) ، يمكنك العثور على وصف "وحدة التحكم لمعالجة أحداث الفشل والفشل والأخطاء" ، بما في ذلك ، من بين أمور أخرى ، وظيفة لحذف حالات الفشل الفردية ، على غرار تلك المذكورة أعلاه باستخدام معالج ERC32 كذلك وصفا مفصلا لتشغيل الترميز تصحيح الخطأ (كود هامينغ SECDED) في أنواع مختلفة من الذاكرة. لم أتمكن من العثور على أي معلومات مفتوحة حول ، على سبيل المثال ، الحجز الثلاثي لمشغلات أو شجرة ساعة ، لذلك دعونا نفترض أنه من وجهة نظر التسامح مع فشل الهندسة المعمارية 1986-1998 بين ERC32 و LEON-FT.


الشكل 14. الشكل B SOI BCD مع ترانزستور LDMOS عالي الجهد في جيب معزول

الأساس التكنولوجي لمعظم شرائح Milander المقاومة للإشعاع هو المكتبات ومجموعة IP خاصة من 180 عملية نانومتر BCD SOI من المصنع الألماني XFAB. تحتوي هذه التقنية ، بخلاف SOI التقليدية ، على طبقة سميكة من أدوات السيلكون (بترتيب ميكرون) وتتصرف في معظم الحالات مثل تقنية السائبة التقليدية. يتيح وجود أكسيد كامن لأحد أن ينظم عزل المواد العازلة عن بعضها البعض وبالتالي يضمن عدم وجود تأثير الثايرستور ، وحقيقة أنه على عمق كبير يسمح لك بعدم القلق بشأن التسريبات في واجهة السيليكون والعزل الخفي ، مما يقلل من مقاومة الجرعة لتكنولوجيا SOI التقليدية.


الشكل 15. مقارنة بين عنصرين OR.

يوضح الشكل عنصرين منطقيين متطابقين (مُدخلين OR) من مكتبات Milander تم تصنيعهما باستخدام طرق مختلفة لزيادة مقاومة الإشعاع. على اليسار ، يمكنك رؤية ترنزستورات n-channel ring التي تعمل على تحييد تسرب الترانزستور تمامًا. ومع ذلك ، غالبًا ما يكون هذا الإجراء الجذري مفرطًا ، نظرًا لأن الترانزستورات الخطية التقليدية (مع تغييرات طفيفة في بعض الأحيان) كافية تمامًا للجرعات المعتدلة من الإشعاع ، وبسبب تطبيقها ، يمكن تحقيق مقاومة كافية باستخدام مساحة أصغر واستهلاك للطاقة - وهو ما يظهر بوضوح في الشكل.

تتمثل إحدى الميزات المهمة للتكنولوجيا التي اختارتها Milander في وجود ترانزيستورات وعناصر أخرى مصممة للعمل مع الفولتية العالية - ما يصل إلى 200 فولت. يتيح لك دمج المنطق الرقمي وأجهزة الطاقة على شريحة واحدة إنشاء محولات DC / DC فعالة للغاية ومحركات رئيسية وأجهزة تحكم دقيقة مع مدمجة السائقين وأشياء أخرى كثيرة في الطلب. في الوقت الحالي ، لا يتم استخدام هذه الفرص ، ولكن عندما تبدأ ، سيحصل Milander على مزايا تنافسية جادة على مطورين آخرين ، لأنه لا توجد نظائر مماثلة لهذه التكنولوجيا في روسيا ؛ أو 180 نانومتر عند الجهد 3.3 فولت ، أو الفولتية العالية في معايير التصميم 1-3 ميكرون. تم نشر الأعمال المتعلقة بموضوع LDMOS ذات الجهد العالي (وحتى بهجتها) من قبل NIIIS خلال العامين الماضيين ، ولكن حتى الآن هذه منشورات علمية فقط ، ولا يوجد حديث عن الإنتاج الضخم. مرة أخرى في الربيع ، كانت هناك أخبار تفيد بأن معايير التصميم البالغة 500 نانومتر "للدوائر الدقيقة لمصادر الطاقة الثانوية" قد تم إتقانها في Bryansk "Silicon-L" ، ولكن لم يتم تقديم تفاصيل.


الشكل 16. خريطة طريق لتطوير تطورات Milander المقاومة للإشعاع باستخدام تقنية BCD SOI 180 نانومتر. ونعم ، سترى كلمة "FPGA" بشكل صحيح في الركن الأيمن السفلي ، إنها تمتلكها بالفعل وتعمل.

مركز البحوث العلمية التابع لمؤسسة الدولة الفيدرالية لأبحاث النظام التابع للأكاديمية الروسية للعلوم

يستكشف NIISI بشكل منهجي الحوسبة ، بما في ذلك المعالجات الدقيقة المشعة للتطبيقات الفضائية. البحث المنهجي ، كما يلائم المعهد الأكاديمي ، يعني ضمنيًا KPI في عدد المنشورات ، وبالتالي ، فإن مراقبة تقدم المعهد أسهل بكثير من الشركات التجارية. نحن مهتمون بالجزء "space" من خط "COMDIV" (يوجد أيضًا جزء "عالي الأداء").

إن بنية KOMDIV هي عبارة عن مراجعة إبداعية لـ MIPS32 ، مرخصة من قبل NIIIS في أوائل التسعينات. في البداية ، عمل المعهد مع المصانع الأجنبية ، وبعد ظهور إنتاجه الخاص ، بدأ العمل على جبهتين ، حيث نقل معظم خطوط مقاومة الفرح. يقع المصنع NIIIS في موسكو ، في معهد كورشاتوف. تم إطلاقه في عام 2003 وهو إنتاج تجريبي صغير الحجم يقع في مجموعات مغلقة في منطقة متواضعة جدًا. في الواقع ، أدركت جهود الأكاديميين Betelin و Valiev و Velikhov مفهوم Minimal Fab الذي هو عصري اليوم ، والذي كان يعمل بشكل طبيعي قبل خمسة عشر عامًا من اليابانيين (وقد اخترع V.A. Labunov الأول في مينسك عام 1983). في البداية ، كان المصنع يعمل وفقًا لمعايير التصميم البالغة 500 نانومتر ، وتم فيما بعد إتقان معايير 350 و 250 نانومتر ،وكذلك السيليكون على تقنية عازل ، والتي أصبحت أساس خط NIIIS المقاوم للإشعاع.

ميزتان أساسيتان للمعالج 1890VM1T (تقنية الحجمي 500 نانومتر ، 50 ميجاهرتز) - إنه يعمل وهو محلي. لكن الدوائر الكهربائية الروسية شديدة الشدة لدرجة أنه بالنسبة إلى مدار منخفض (بالتحديد لأجهزة الكمبيوتر الموجودة على متن المركبة الفضائية "الرقمية" الجديدة Soyuz-TMA و Progress-M) ، فهذا يكفي ، على الرغم من الغياب التام لأي حماية خاصة ضد الإشعاع. للتشغيل العادي ، يحتاج الطراز 1890BM1T إلى شريحة مصاحبة مسؤولة عن العمل مع الواجهات الخارجية (على غرار طريقة صنع ERC32 على ثلاث شرائح). لظروف أكثر خطورة ، تم تطوير نظائرها (سلسلة 5890 ، 1900 و 1907) باستخدام تقنية SOI للتخلص من تأثير الثايرستور. في الوقت نفسه ، في رقاقات السلسلة 1907 ، تكون وحدة التحكم في الواجهة موجودة بالفعل على نفس الشريحة مثل المعالج نفسه.

كما قلت أعلاه ، إحدى مزايا دراسة منتجات NIISI هي وفرة المطبوعات. على سبيل المثال ، دعنا نأخذ مقالتين تم نشرهما في معاملات IEEE على العلوم النووية في عامي 2011 و 2013. الأول هو MS Gorbunov et.al. ، "تحليل حساسية SOE CMOS للمعالجات الدقيقة: ارتباط النتائج التي تم الحصول عليها بطرق اختبار مختلفة." وهو يصف معالج SOI 500 نانومتر بتردد ساعة يبلغ 33 ميجاهرتز. من التدابير المعمارية المعلنة لزيادة التسامح مع الخطأ ، فقط تعادل ذاكرة التخزين المؤقت ، حيث يتسبب الخطأ في نفس المقاطعة التي تفوتها ذاكرة التخزين المؤقت. بالإضافة إلى ذلك ، تم تطبيق طوبولوجيا خاصة من الترانزستورات ، والتي تمنع التأثير الثنائي القطب الطفيلي ، وبالتالي تزيد من عيوب الأعطال (وفي الوقت نفسه ، ولأسباب غير مرتبطة ، تزيد من مقاومة الجرعة الإشعاعية الكاملة). سهل نسبياولكن إذا كان الهدف الرئيسي هو التسامح مع الخطأ ، فهذا بالضبط ما تحتاجه. وبعد ذلك ، عندما يتم حل مشكلة الفشل ، يمكنك البدء في التفكير في تحمل الفشل.

المقالة الثانية هي PN Osipenko et.al. ، "المعالجات المسببة للخطأ للمعالجات الدقيقة للتطبيقات الفضائية". هنا نرى بالفعل 350 نانومتر بدلاً من 500 و 50-66 ميغاهيرتز بدلاً من 33 (أداء 8.9 MFLOPS عند 50 MHz). هذا لا يزال غير 150 ميغاهيرتز ، مثل RAD750 الأمريكية تحلق في نفس الوقت تقريبا في الفضاء ، ولكن التقدم واضح. أكثر إثارة للاهتمام هو الهيكل الداخلي المفصل للرقاقة. يتم مضاعفة جوهر الجهاز بالكامل ثلاثة أضعاف - وليس المشغلات ، كما هو الحال في LEON-FT ، ولكن كل المنطق التوافقي. هذا ، بطبيعة الحال ، يزيد من المساحة والاستهلاك بمقدار ثلاث مرات (1.8 واط عند 66 ميجا هرتز) ، ولكنه يساعد في حالات الفشل ليس فقط في عناصر التخزين ، ولكن أيضًا في العناصر المركبة. إنها أصغر بكثير من الذاكرة ، لأنها يجب أن تتزامن في الوقت المناسب مع مقدمة إشارة الساعة من أجل التأثير على شيء ما (وهناك أيضًا تأثير تقنيع عندما لا يمر الفشل عبر المنطق ، لكن هذا خاص)ولكن إذا كنت قد بدأت بالفعل في القيام بكل شيء بشكل صحيح ، فأنت بحاجة إلى التخلص منه.


الشكل 17. رسم تخطيطي للمعالج K32TMR.

تنقسم النواة إلى عدة مكونات متوسطة الحجم ، يتم إجراء التصويت عليها (يتم تسجيل نتائجها). إذا لزم الأمر ، فإن "كتل الموثوقية" تسبب الانقطاعات ، وتصحيح الأخطاء التي تتطلب تدخلًا خارجيًا (على سبيل المثال ، إعادة تحميل المعاملات في ALU). تصنع هذه الكتل نفسها على الترانزستورات الكبيرة من أجل زيادة مناعة الضوضاء (بما في ذلك التداخل الناجم عن الجسيمات المفردة). نظرًا لأنه لا لزوم لها على الإطلاق لإطلاق المشغلات في المنطق الذي تضاعف بالفعل ثلاثة أضعاف ، فإنها تكلف واحدًا تلو الآخر ، ولكنها تحتوي على تكرار داخلي مماثل لخلية ذاكرة DICE. يؤخذ كأساس لجميع ملفات التسجيل وذاكرة التخزين المؤقت للمعالج. Regfiles محمية بالإضافة إلى ذلك بواسطة بايت مع رمز Hamming ، مخابئ محمية بواسطة التكافؤ. بالإضافة إلى ذلك ، تباعد وحدات التخزين المؤقت المجاورة فعليًالتقليل احتمال حدوث خطأين في بايت واحد ، تتم قراءة ذاكرة التخزين المؤقت غير المستخدمة باستمرار في الخلفية لمنع تراكم الأخطاء.

كما ترون ، يحتوي هذا المعالج على الأفضل في آن واحد - على جميع المستويات ، من عناصر المكتبة إلى الهندسة المعمارية. يتيح لك هذا النهج تحقيق نتائج رائعة حقًا - حيث يكون مقطع التشبع العرضي للفشل أقل من حجم السلف. ترتيب من حيث الحجم أقل ، ولكن بسبب التعقيد الهائل للرقاقة. لا تسأل نفسك سؤالًا - هل من الضروري حقًا أن تفعل كل شيء بذيء؟ بالنسبة للعديد من المهام ، وخاصة تلك التي لا تتعلق بحياة الناس أو الحسابات الحساسة للسرعة (مثل الهبوط على سطح القمر) ، يمكنك وينبغي عليك استخدام حلول أبسط تسمح لك بجعل الشريحة أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة في المقابل. للحصول على رقاقة 1907BM01A4 غير مدربة وفقًا لمعايير التصميم البالغة 0.25 ميكرون واستهلاك 5 واط ، يتم الإعلان عن وحدة المعالجة المركزية 89 MIPS (بسرعة 100 ميجاهرتز) و FPU 20 MFLOPS ، للحصول على 1907BM044 ذات اتجاهين بسرعة 66 ميجاهرتز و 9 واط ، و 49 ميجاهرتز و 14 ميجاهرتز ، على التوالي.ونتيجة لذلك ، إذا حكمنا من قبل كبيرالرسم التخطيطي والأوصاف من الموقع الرسمي ، تواصل NIISI تطوير كل من نواة troyed و التقليدية.


الشكل 18. رسم بياني لتطوير الدوائر الصغيرة من الموقع الرسمي لل NIIIS (الألغام). في البيضاوي الأحمر - رقائق مع جوهر الثلاثي. كل ما تم القيام به وفقا لتقنية SOI مقاوم للإشعاع.

يمكن أن يُرى من الرسم التخطيطي أن NIISI قام أولاً بتحسين التقنية ، ثم وفقًا لأفضل المعايير المتاحة ، وفقًا لواجهة SOI ، فقد قاموا بالتحويل كما ينبغي. الجزء الأكثر إثارة للاهتمام من الجدول بالنسبة لنا هو الزاوية العلوية اليسرى ، والتي تعد بتطوير معالج دقيق متضاعف ثلاثة أضعاف على أساس تكنولوجيا 65 نانومتر. بالطبع ، لا توجد معلومات محددة حول هذا المعالج على الإنترنت ، لكن المنشورات تأتي لمساعدتنا مرة أخرى والتي تسمح لنا بالاطلاع على دراسات مقاومة الإشعاع التي تبلغ 65 نانومتر - والمقالات الأولى حول هذا الموضوع تعود إلى عام 2012.

والآن في النهاية دون 100

الشكل 19. فشل الذاكرة متعددة باستخدام الكريستال 65 نانومتر اختبار كمثال.

( ) , 65 . – , – . ! , – . , , , ( 2-2.5 ) – . , , . , , – , . – , . – , ( , ). – , . , ( ) – . , 65 DICE , . , .


الشكل 20. مقارنة طوبولوجيا خلية ذاكرة 6T التقليدية (أعلى اليمين) ونسخة غير نافذ للمطر من مكتبة DARE65 (IMEC ، بلجيكا). البوابات الزرقاء الزاهية والسيليكون النشط.

مع المشغلات الثلاثية ، يكون ممتعًا أيضًا - بحيث لا ينفصل عنصران للتخزين عن نفس الجسيمات ، فيجب فصلهما بنفس 2-2.5 ميكرون. عند 180 أو 350 نانومتر ، هذا ليس صعبًا ، ولكن وفقًا لمعايير 65 نانومتر ، تبين أن مساحة المشغل الثلاثي أكبر بمقدار 12 مرة من مساحة المشغل العادي (ومعظم هذه المساحة فارغة). نتيجة لذلك ، من وجهة نظر الاستهلاك ، والمساحة ، وبساطة التصميم في CAD ، فإن مخططًا مترابطًا ، يتم تنفيذه على عناصر قياسية تمامًا متباعدة بشكل بعيد بما فيه الكفاية ، هو أكثر ربحية من استخدام المشغلات الثلاثية الجاهزة والعناصر الأساسية الأخرى مع التكرار الداخلي.


الشكل 21. التكرار الثلاثي وحدات والتكرار المزدوج وحدات مع التصويت الذاتي. من مقال J.Teufel ، "دوائر التصويت الذاتي المزدوجة الدائرية لل
التخفيف من حدة الأحداث الواحدة "، معاملات IEEE في العلوم النووية ، 2008 (لا تزال معامل Sandia معنا ، أو لا تزال معهم)

يعود الرسم في الشكل إلى عام 2008 ويظهر أن أصدقاءنا المحلفين يستخدمون أيضًا الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام المختلفة في المنتجات الأقل عمومية من RAD750 (ومجال النشاط الرئيسي في Sandia Labs هو البرنامج النووي العسكري الأمريكي). على وجه الخصوص ، في المقالة المذكورة أعلاه وفي عدد من المنشورات الحديثة الأخرى ، نوقش بالتفصيل مسألة كيفية استخدام التكرار المعياري الثنائي والمزدوج في أجزاء مختلفة من الشريحة. وبالمناسبة ، إذا كان عنصر التصويت يحتوي على تأخير كبير بما فيه الكفاية ، فعندئذٍ في مخطط التكرار المزدوج ، سيقوم بتصفية العيوب الفردية في المنطق ، وستكون النتيجة مستقرة مثل التكرار الثلاثي.

الآن لنرى كيف تبدو عناصر المكتبة على تقنية 65 نانومتر. أقتبس مرة أخرى العمل من NIISI - Yu.B. Rogatkin et al. ، "تطوير مكتبة من العناصر المقاومة للإشعاع باستخدام تكنولوجيا CMOS 65 نانومتر" ، وقائع NIISI RAS ، 2018. نظرًا لأن الاهتمام بتسامح الأخطاء قد تم نقله بالكامل تقريبًا إلى مستويات أخرى من التطوير - الهندسة المعمارية والتوليف التلقائي لطوبولوجيا ، مع مراعاة القيود المفروضة على موقع العناصر - أصبحت المهام الرئيسية لمطوري مكتبات العناصر مرة أخرى حماية من إجمالي الجرعة الممتصة وتأثير الثايرستور.


الشكل 22. الخلايا المنطقية المصنوعة باستخدام تكنولوجيا 65 نانومتر.

العنصر الموجود في أقصى اليسار في الشكل هو عاكس مكتبة عادي.

العنصر الثاني هو نسخته المشعة ، والمجهزة بحلقات حماية تمنع تأثير الثايرستور. من المهم أن يكون للحلقة ملامسات للمعادن من جانب واحد فقط ، ويجب أن نضع في اعتبارنا مقاومة طبقة السيليكون ، والتي يمكن أن تكون كبيرة بما يكفي للتأثير على فعالية هذا الحل.

والثالث هو نفس العاكس ، حيث يتم قطع جانبي حلقة الحماية لتوفير المساحة.

الرابع هو نفسه ، ولكن مع جهات الاتصال بالجزء الخارجي من حلقات الحرس ، من أجل السيطرة على مقاومتهم بشكل جيد وعدم الاهتمام بكيفية تجميعهم في كتل.
الخامس - كتلة من اثنين من المحولات وعنصر 2INE مع الأجزاء الختامية من حلقات الحرس هو مبين.

أما بالنسبة للجرعة الكاملة من الإشعاع ، فمع المعايير دون 100 نانومتر ، أصبح كل شيء أبسط وأكثر قابلية للفهم مقارنة بالتقنيات القديمة. تيارات التسرب فيها خالية من أي إشعاعات بالفعل ، كل شيء يتم وضعها عليها ، وهكذا ، يبقى فقط إدخال تصحيح إضافي لحقيقة أنها ستنمو أكثر. عادةً ما توفر التقنيات النموذجية لهذا المستوى ثلاثة خيارات للترانزستورات - بجهد منخفض (سريع ، ولكن مع تسرب كبير) ، بجهد متوسط ​​للعتبة وبجهد عالي العتبة (بطيء ، لكن مع تسربات صغيرة) ، ويمكن للمستخدم الجمع بينهما عند الضرورة. عادةً ما يتم إنشاء مكتبات قياسية في ثلاثة إصدارات ، وعند تصميم نسخة مقاومة للإشعاع ، يجب إجراء تسوية بين السرعة والتسريبات ، بالنظر إلى حقيقة أن الترانزستورات متصلة في سلسلة أو بالتوازي.


الشكل 23. مخططات العناصر المنطقية 2I-NOT و 2OR-NOT.

في العنصر 2 ، أو لا ، يتم توصيل الترانزستورات n- القناة بالتوازي ، مما يضاعف التسرب ، مما يعني أنه من المنطقي استخدام الترانزستورات ذات الجهد العالي في هذا المكان. وفي 2I-NOT يتم توصيلها في سلسلة ، وهناك يمكنك ترك العتبة المعتادة من الترانزستورات. ويحتاج هذا المنطق (الذي يُفضل أن يكون مدعومًا ببيانات القياس) إلى تطبيقه على عدة مئات من العناصر الموجودة في المكتبة ، ثم التفكير فيما يجب عمله بعناصر التخزين بحيث تكون أقل إرباكًا ، ويتسرب من خلال المفاتيح التمثيلية الشائعة الاستخدام في المشغلات الحديثة ، لم يكسروا كل شيء ، وهكذا دواليك.

اعتبارًا من اليوم ، لدى NIIIS نظامًا أساسيًا متكاملًا للتطوير وفقًا لمعايير التصميم التي تبلغ 65 نانومتر ، بما في ذلك المكتبات وكتل بروتوكول الإنترنت ومجمعو الذاكرة والواجهات عالية السرعة ، إلخ. من المهم أيضًا أن يكون هذا البرنامج مُرخصًا لشركات روسية أخرى ، مما يساعد على تسريع التغلب على الفجوة مع الأميركيين ومواكبة عملياً الأوروبيين. إذا لم يكن المصنع هو TSMC ، لكنه كان ملكًا له ، كما في أمريكا وأوروبا ... ولكن هذه قصة أخرى تتكشف أمام أعيننا. بعد عام 2014 ، جمدت تقنية معالجة ميكرون من Mikron في حالة "اجتياز التأهيل والبراعة في الإنتاج" بعد عام 2014 ، ولم تكن هناك أخبار عنها منذ فترة طويلة ؛ ولكن في الأشهر القليلة الماضية ، كانت هناك أخبار كافية حول خطط طويلة الأجل لإنشاء الإنتاج في روسيا وفق معايير 28 نانومتر. متى سيتم تنفيذ هذه الخطط وما إذا كانت ستكون مسألة كبيرة.

بتلخيص هذا الجزء ، نلاحظ كيف ، مع انخفاض معايير التصميم ، تغيرت المهام التي تواجه المطورين مرة أخرى. تقاوم التقنيات الفرعية العميقة الجرعة الكاملة من الإشعاع ، وهي كافية لمعظم التطبيقات ، وتتيح لك تنظيم الحماية ضد تأثير الثايرستور والإخفاقات الفردية / المتعددة في مرحلة تطوير الرقاقة ، دون تعديل تقنية المعالجة الأصلية. هذا يساعد على تقليل تكلفة الإنتاج وتسريع تطوير التكنولوجيات الجديدة. العقبات الرئيسية أمام التقدم هي الاقتصادية: تطوير ودراسة شاملة لكل من رقائق الاختبار و "القتالية" أصبح أكثر تكلفة مع كل جيل جديد من التكنولوجيا ، والتداول الهزيل من رقائق الفضاء لا يسمح لنا بالتعويض عن هذه التكاليف بشكل صحيح. لذلك ، يسعى المطورون إلى زيادة إمكانات كل تقنية مستخدمة واستخدامها لأطول فترة ممكنة ، والانتقال فقط عند الضرورة القصوى وإنشاء منصات التطوير والسماح لك بإنشاء مجموعة واسعة من الدوائر الصغيرة. يعد المطورون الروس اليوم متأخرين قليلاً عن الزملاء الغربيين ، وأسباب هذا التأخير ليست علمية أو هندسية ، بل هي تنظيمية واقتصادية.

قسرا تحليل قصير للجميع

اليابان

تشارك وكالة الفضاء اليابانية JAXA بشكل معتدل في النشاط الدولي ، ومعظم الأبحاث الفضائية التي يقوم بها اليابانيون من تلقاء أنفسهم. تأثر المهام بطموحها وقصصها المذهلة حول التغلب على الصعوبات التي تنشأ في المدار بنجاح. إذا كان بإمكان مات دامون إجراء مسبار فضائي ، فسنشاهد بالفعل أفلامًا عن هايابوسا في شباك التذاكر (اليابانيون ، بالمناسبة ، أطلقوا عليهم بالفعل ثلاث قطع) ، وحول أكاتسوكي. المعالجات الدقيقة للفضاء ، مثلها مثل كل شيء آخر ، لليابانيين الخاصة بهم ، على بنياتهم الخاصة ، وحتى معايير الإنتاج الخاصة بهم ليست هي نفسها كما في بقية العالم (300 و 200 نانومتر على سبيل المثال). سأكون سعيدًا جدًا بالكتابة عن هذا بالتفصيل ، لكن هناك القليل من المعلومات ، ولا توجد أي معلومات تقريبًا باللغات غير اليابانية ، لذلك سأقتصر على نظرة عامة مختصرة.


الشكل 24. مصدر نموذجي للمعلومات حول المعالجات المقاومة للإشعاع اليابانية.

أهم موردي آلات JAXA هم Hitachi و NEC و MHI (Mitsubishi Heavy Industries). في الثمانينات ، كانت الصناعة اليابانية شغوفة بمشروع TRON ، الذي قدم تصميم البنية التحتية للشبكة من البداية إلى النهاية. لا يزال اليابانيون يستخدمون نظام التشغيل TRON في الوقت الفعلي في الصناعة وفي الفضاء حتى الآن ، ولكن تم التخلي عن هندسة المعالجات الدقيقة TRON بسرعة كبيرة (على الرغم من تصنيع رقائق مقاومة للإشعاع عليها وعلى الأرجح ، طاروا) لصالح MIPS64 (في حالة NEC) وآخر هندسة SuperH اليابانية ذات 32 بت (H هي Hitachi ؛ يمكن العثور على نسختها SH2 في السيارات اليابانية ، و SH4 في منتجات Sega Dreamcast و Hitachi و Renesas للسيارات).


الشكل 25. المعالجات الفضائية اليابانية. HR5000 - MIPS64 ، SOI-SOC - SH4.


الشكل 26. رسم توضيحي لتطبيقات SOI-SOC2.

"SOI" في SOI-SOC ، بالطبع ، تعني "السيليكون على العازل". المستوى التكنولوجي SOI-SOC3 هو 200 نانومتر ، والجيل القادم في التنمية سيكون أقل. أيضا اقتباس صغير ولكنه مهم من JAXA: "هناك مشكلة كبيرة من الأخطاء الطفيفة في المعالجات الاستهلاكية / الصناعية بسبب النيوترونات في الغلاف الجوي على مستوى الأرض. سيتم تسليم SOI-SOC MPU كأجزاء عالية الموثوقية لمستخدمي تلك المعالجات. " ترتبط مشكلة النيوترونات في الغلاف الجوي في المقام الأول بالطيران ، لكن هذه قصة أخرى. هذا كل شيء مع اليابانيين ، انتقل إلى جيرانهم.

الصين

يعد برنامج الفضاء الصيني هو الأسرع نموًا وواحدًا من أكثر المعلومات المغلقة حول المعالجات اليابانية مقارنة بالصين فقط في البحر. من الصعب أن نقول أي شيء ملموس ، إلا أن الصينيين بدأوا في نسخ كل شيء على التوالي تلو الآخر ، وفي عام 2014 كان لديهم الكثير من المناصب بالنسبة لروسيا التي خضعت للعقوبات. في الآونة الأخيرة ، تم استثمار الكثير من الأموال في كل من رواد الفضاء الصينيين والإلكترونيات الدقيقة الصينية ، وتطير أحدث الأجهزة على معالجات متوافقة مع MIPS التي طورتها أكاديمية العلوم الصينية (لا تشبه أي شيء؟) لونغسون. يقوم Loongson Civilians ببناء أجهزة كمبيوتر وأجهزة لوحية وحتى كمبيوتر فائق ؛ تسارعت هذه العملية بشكل كبير بعد اندلاع الحرب التجارية بين الولايات المتحدة والصين.

إسرائيل

تأسست وكالة الفضاء الإسرائيلية في عام 1981 ، تم إطلاق أول قمر صناعي خاص بها من إسرائيل في عام 1988. والآن تقوم إسرائيل بتطوير وإطلاق (بشكل مستقل ومن مطارات الفضاء الأجنبية) العديد من عائلات المركبات العلمية والعسكرية المدنية. لم أتمكن من العثور على معلومات حول حشوهم ، لكني أجرؤ على اقتراح أن أول مركبة استطلاعية تم تطويرها من قبل أحد مقاولي الطيران الإسرائيليين الرئيسيين طارت على رقائق الهندسة المعمارية 1750A. في الهندسة المدنية الحديثة ، تتعاون الشركات الإسرائيلية كثيرًا مع نظيراتها الأوروبية ، لذلك من المنطقي افتراض استخدام ليون. تأكيد هذا هو أن القمر الصناعي الخاص بيريشيت طار العام الماضي على GR712 ، وهي نسخة من ليون تم تطويرها وتصنيعها في إسرائيل.

الهند

في الهند ، لا يوجد إنتاج للدوائر الدقيقة ، فقط مصنع تجريبي لأكاديمية العلوم المحلية (ألا يذكّر أي شيء؟) بمعايير 180 نانومتر. يقوم الهنود بإجراء بعض الأبحاث حول البهجة ، ولكن لا يوجد شيء مهم يسمع منهم. وفقًا لمعلومات مجزأة من مصادر مختلفة ، فقد استخدموا / يستخدمون خيارات معالجات ERC32 و LEON للأقمار الصناعية الخاصة بهم ، وتم التحكم في المهمة المريخية الرائعة "Mangalyan" بالكامل بواسطة معالجات Mil-Std-1750A المعمارية (الأوروبية مرة أخرى).

البرازيل

الإلكترونيات الدقيقة البرازيلية أشبه ببرنامج الفضاء البرازيلي: أنت لا تعرف شيئًا عن ذلك ، لكنه موجود. على وجه الخصوص ، يعد البرازيليون متخصصين أقوياء في تصحيح حالات الفشل الفردية على الأجهزة العادية باستخدام طرق برمجية (على سبيل المثال ، تنفيذ جزء من الأوامر عدة مرات والتحقق من النتائج) وفي تحمل فشل FPGA. تشارك المجموعات الجامعية المتخصصة بفعالية في المؤتمرات العلمية الدولية وتقوم بمشاريع مشتركة مع الزملاء الأوروبيين والأمريكيين.

يبدو أن كل شيء. لا تقوم بقية الدول بتطوير المعالجات الدقيقة أو الأنظمة التي تعتمد عليها بشكل مستقل ، حيث تقوم بشراء المكونات الرئيسية أو الكتل أو الأقمار الصناعية المجمعة على الجانب ، مثل باكستان ، التي تطور صناعتها الفضائية الخاصة بالتعاون الوثيق مع الصينيين. حسنًا ، من الواضح أن ملء الأجهزة الإيرانية والكورية الشمالية معروف فقط لمبدعيها ، وإذا كان محظوظًا ، بعض أجهزة المخابرات. نحن لسنا ذكاء ، لذلك دعونا ننتقل إلى الجزء التالي.

المستقبل القريب - مثال على ذلك معا

المستوى التكنولوجي لأحدث المعالجات الدقيقة للفضاء هو 45 نانومتر بالنسبة للولايات المتحدة الأمريكية (RAD5500) و 65 نانومتر لأوروبا (GR740) و 65 نانومتر لروسيا (يعدون بإطلاق شيء بالفعل هذا العام). في نفس الوقت ، في الحالتين الأوليين ، يمكننا ملاحظة تغيير الأجيال - في الولايات المتحدة الأمريكية ، لن يتم إنتاج الجيل التالي من معالجات الفضاء (HPSC) من قبل شركة BAE Systems المحترفة الحالية في هندسة PowerPC ، ولكن بواسطة Boeing on ARM (وفقًا لمعايير التصميم 32 نانومتر على تكنولوجيا SOI) ، ولكن في أوروبا بالتوازي مع إصدار SPARC LEON التالي ، يتم تطوير معالج DAHLIA متعدد النواة بهندسة ARM بمقاييس تصميم 28 نانومتر (SOI) أيضًا. في موازاة ذلك ، بدأت وكالة الفضاء الأوروبية ، في رغبتها المعتادة في عدم الاعتماد على تراخيص الآخرين ، في تطوير بنية RISC-V الجديدة ، التي تكتسب زخماً سريعًا في القطاع التجاري وتتحول إلى نظام بيئي للبرمجيات. تم عرض النماذج الأولية الأولى لرقائق RISC-V المعدلة من TMR في عام 2018 من خلال تعاون Antmicro و Thales. على الرغم من شعبية LEON (كما يقولون ، في دوائر ضيقة) ، تجاه SPARC ، فقد كانت هناك أسئلة طويلة حول دعم البرامج ، والمتعفسون في عجلة من أمرهم للاستفادة من هذا. المتسابقون في عجلة خاصة مع ARM ، لأن الوصول المجاني تقريبًا إلى كمية هائلة من برامج التطبيقات الصناعية والتجارية يعد بطاقة رابحة مهمة جدًا في المحادثات مع مطوري المركبات الفضائية ، التي تتزايد أهميتها بسرعة مقارنة بالرغبة في التوافق مع المشروعات القديمة.

بالإضافة إلى المعالجات الدقيقة و DSP ، حيث السرعة هي أولوية واضحة ، هناك طلب على ميكروكنترولر. توجد مثل هذه الرقائق على معظم البنايات المعبر عنها - European GR716 (SPARC / LEON) و American RAD EMC (PowerPC) و ARM من مختلف الصانعين (Vorago و Microchip و Milander و Angstrom) وإصدارات غير قابلة للمطر من MSP430 من Texas Instruments و MCS- 96 و MCS-51 من NIIET وهلم جرا وهكذا دواليك. تحمي أدوات التحكم الدقيقة عادةً أكثر من نظيراتها "الكبيرة" ، مع التركيز على عدم وجود حالات فشل (تأثير الثايرستور) ومع الحد الأدنى من تصحيح النوى المشتراة (أو بدون تصحيح وتوليف باستخدام مشغلات ثلاثية ومكتبات عناصر خاصة). بالعودة إلى المعالجات ، دعونا نلقي نظرة على منصات تطوير دون 100 نانومتر موجودة أو يتم الإعلان عنها الآن.


الشكل 27. منصة تطوير دون 100 نانومتر للدوائر المتكاملة المقاومة للإشعاع.

65 نانومتر للمطورين في أوروبا وروسيا بالفعل "اليوم" ، وقفز الأمريكيون عمومًا من 150 على الفور إلى 45 نانومتر. على الأرجح ، في السنوات العشر القادمة ، ستكون هذه التقنيات هي التقنيات الرئيسية ، وستنتقل المعايير الأكثر دقة الموضحة بالفعل في هذا المخطط من المراحل الأولى إلى المراحل الأخيرة من التطوير. ومع ذلك ، فإن ما يظهر في الشكل هو مجرد تعاون عام كبير ؛ في الواقع ، لا يوجد شيء (باستثناء الوقت والمال) لا يتعارض مع تطوير رقائق مقاومة للإشعاع على العمليات الفنية الأخرى دون الكثير من الضوضاء. على سبيل المثال ، تقدم GlobalFoundries لإنشاء رقائق الفضاء مجموعة كاملة من التقنيات لمختلف الأذواق والميزانيات. يتم إنتاج أحدث RAD5545 في منشآتها ، وسيتم أيضًا إنتاج HPSC فيها ؛ هذا ليس مفاجئًا ، لأن مصانع GloFo حاصلة على شهادة مسبك موثوق بها منذ الوقت الذي تنتمي فيه إلى IBM. ومن غير المرجح أن تكون جميع العمليات المعلنة خالية من العملاء الأمريكيين.


الشكل 28. عروض GlobalFoundries لصناعة الطيران.

في GlobalFoundries ، رغم أنها ليست أمريكية ، لكن الألمانية (في درسدن) يخططون لإنتاج رقائق IMEC المستقبلية المقاومة للإشعاع (والتي تعني أوروبا بأكملها ناقص STM) و Milander.


الشكل 29. خارطة طريق ميلاندرا لتطوير الرقائق المقاومة للإشعاع القائمة على تقنية 22 نانومتر. كما ترون ، هناك الكثير من الخطط ، بما في ذلك FPGAs كبيرة و ADC سريعة للإذاعة المعرفة بالبرمجيات (SDR). لقد تم بالفعل إنتاج أول شريحة اختبار ، لذلك نحن نتطلع إلى الأخبار الجيدة.

ما هو FDSOI؟ FD مستنفدة بالكامل ، مستنفدة بالكامل ؛ يتم استنفاد طبقة السليكون النشطة الرقيقة بين أكسيد البوابة وأكسيد الكامنة بالكامل ، وتحتلها القناة بأكملها من الترانزستور. يتيح لك ذلك التخلص تمامًا من السعة الشاردة للنزيف والمصدر ، بالإضافة إلى إزالة مسافة الزحف على طول عمق السيليكون ، وهو أمر معتاد بالنسبة للتقنيات السائبة المماثلة ، وتقليل استهلاك الطاقة الثابت. بالإضافة إلى ذلك ، بدلاً من استخدام عدة أنواع من الترانزستورات ، كما هو الحال في التكنولوجيا الحجمي ، يمكن لـ FDSOI توفير جهد سلبي أو إيجابي إلى أكسيد مخفي ، وبالتالي تغيير عتبة الترانزستور (ومعه استهلاك السرعة والطاقة) - اعتمادًا على ما إذا كانت الشريحة في نشط أو في وضع السكون. معا ، هذا يجعل FDSOI جذابة للغاية ، على سبيل المثال ، لإنترنت الأشياء. أو بالنسبة للدوائر الفضائية ذات الطاقة المنخفضة ، فإن الاستفادة من تقنية SOI تعمل تلقائيًا على تخفيف مطور الصداع مع حالات الفشل الفادحة بسبب تأثير الثايرستور.


الشكل 30. وجهات نظر مستعرضة من الترانزستورات تحيط و FDSOI.

العيب الرئيسي لـ FDSOI من حيث مقاومة الإشعاع هو مسار التسرب الإضافي على طول حدود القناة وأكسيد كامن. تلعب الشحنة المتراكمة في الأكسيد المخفي دور الجهد الإيجابي المطبق على الأكسيد المخفي ، وبدلاً من التحكم في سلوك الترانزستورات عبر البوابة السفلية ، يجب تعويض تأثير الإشعاع. ولتحقيق ذلك ، يجب استخدام جهد سالب كبير - مما سيعزز عملية تراكم الشحن في أكسيد كامن ويزيد من مقاومة الجرعة. بشكل عام ، يتم الحصول على دائرة مفرغة ، قد يكون مخرجها غير تافه. صحيح ، هناك الكثير من الناس الذين يريدون البحث عنه ، حتى تتمكن من تخزين الفشار. سوف يأتي الفشار الأول في متناول اليد قريبًا جدًا - المشروع DAHLIA الأوروبي قد اكتمل تقريبًا.


الشكل 31. مخطط كتلة من DAHLIA. FDSOI 28 نانومتر ، وأربعة نوى ARM-Cortex R52 (الوعد 4000 DMIPS بسرعة 600 ميجاهرتز) ، تم شحذها للتطبيقات في الوقت الفعلي مع فصل متطور من الصلاحيات ، والذاكرة على متن الطائرة ، وواجهة الاتصال الأكثر شيوعًا ، وحتى FPGA المدمج مقابل 500 ألف LUT ، بحيث تكون الرقاقة الواحدة دقيقة تغطية احتياجات جميع المستخدمين لسنوات عديدة قادمة.

التكنولوجيا الحجمي ، وفي الوقت نفسه ، لن تستسلم.يمكن أن توفر للمطورين غياب مسار تسرب "إضافي" ، وعلى المدى الطويل ، معايير تصميم أقل. علاوة على ذلك ، في الترانزستورات FinFET ، تبدأ البوابة في تغطية القناة أكثر وأكثر كثافة ، وأكسيد العازل يتحرك بعيدا عن المجال الكهربائي القوي ، والذي ينبغي أن يؤثر أيضا بشكل إيجابي على مقاومة الجرعة الإشعاعية الكاملة. بدأت IMEC بالفعل في تطوير مكتبات 16nm مقاومة للإشعاع ، وتستمر الصناعة التجارية في تبني تقنيات جديدة.


الشكل 32. أجيال مختلفة من الترانزستورات MOS.

على المدى الطويل ، وعد GAA (Gate All Around) من سامسونج بأن يكون مقاومًا للجرعة الكاملة من الإشعاع ، وأن يحرر المطورين تمامًا من أي مشاكل معه - فهم ببساطة لا يمتلكون أي طريقة جانبية من المصدر إلى الصرف ، والقناة الرئيسية والغالق الرئيسي ، وعازل البوابة خفية لدرجة أن التحول في الجهد العتبة سيكون ضئيلا حتى في جرعات كبيرة جدا. ولكن ، بالطبع ، سيكون هناك بالتأكيد بعض الصعوبات الجديدة - ليس فقط مع حالات الفشل الفردية ، ولكن أيضًا ، على سبيل المثال ، مع تأثيرات التحيز التي هي بالفعل على قدم وساق مع مصممي ترانزستورات HEMT القائمة على نيتريد الغاليوم. في الأجهزة المصنوعة من أشباه الموصلات المعقدة ، ليست التأثيرات الكمية والنانوية جديدة ، وسيحتاج مطورو السيليكون قريبًا إلى معرفة بها ،لذلك على مدى السنوات العديدة القادمة ، سيكون العمل لضمان مقاومة الإشعاعات للرقائق الدقيقة كافية. ولكن هناك أيضا مصادمات هادرون ، والطاقة النووية والطاقة النووية الحرارية. التقدم لا هوادة فيه ولن يتوقف - لكنني سأتوقف عن هذه الملاحظة الإيجابية. شكرا لك على القراءة حتى النهاية ، وآمل أن تكون مثيرة للاهتمام.