Penggunaan teknologi COTS dalam pengembangan tujuan khusus adalah cara yang terbukti mengurangi waktu dan biaya keuangan. Artikel ini membahas pengalaman menggunakan COTS untuk membuat komputer yang digunakan di pesawat ruang angkasa.
COTS (Commercial Off-The-Shelf - "ready to use") - teknologi ini berarti bahwa untuk pembangunan sistem tujuan khusus, diterapkan pendekatan khusus, sesuai dengan modul komputasi industri yang digunakan, dan rak, rak, blok penghubung dan kabel dibuat dalam desain khusus dan menyediakan kondisi operasi yang diperlukan (misalnya, tahan terhadap iklim, getaran, akustik, dan pengaruh lainnya). Teknologi COTS menggunakan teknologi perangkat keras dan perangkat lunak open-source yang siap pakai, yang sebelumnya telah diuji secara luas dan / atau distandarisasi di pasar aplikasi sipil industri umum.
Secara historis, konsep COTS muncul sebagai inisiatif dari Departemen Pertahanan AS dan departemen pertahanan dari beberapa negara Barat yang ingin mengurangi biaya mereka dengan mengurangi pangsa solusi dan teknologi unik yang mahal. Untuk pengembang Rusia, pada saat ini, dalam konteks situasi ekonomi yang memburuk dan pengenaan sanksi yang memblokir akses ke basis elemen pertahanan dan penggunaan ganda, metode menghemat uang untuk pembuatan peralatan dengan karakteristik teknis tinggi sangat relevan.
Kecenderungan umum sistem bangunan berdasarkan komponen COTS standar telah menembus industri luar angkasa. Ini difasilitasi oleh kecepatan eksplorasi ruang yang sangat cepat, kompleksitas tugas yang harus diselesaikan, persyaratan untuk mempersingkat pengembangan dan modernisasi sistem, dan meningkatkan kecepatan dan keandalannya. Saat ini, di ruang angkasa selalu ada sejumlah besar pesawat yang dihuni dan tidak dihuni dari berbagai negara. Industri ini telah menjadi industri yang kuat terkait dengan penelitian, produksi bahan-bahan baru, pertahanan dan tugas-tugas terkait lainnya [1].
Bagaimana radiasi mempengaruhi sirkuit mikro
Dalam "potongan-potongan partikel" radiasi kosmik terdiri dari 90% proton (mis., Ion hidrogen), 7% inti helium (partikel alfa), ~ 1% atom lebih berat dan ~ 1% elektron. Nah, bintang-bintang (termasuk matahari), nukleus galaksi, Bima Sakti - banyak menerangi segala sesuatu tidak hanya dengan cahaya tampak, tetapi juga dengan radiasi sinar-x dan gamma. Selama flare in the sun - radiasi dari matahari meningkat 1000-1'000'000 kali, yang bisa menjadi masalah serius (baik bagi orang-orang dari pesawat ruang angkasa masa depan dan saat ini di luar magnetosfer Bumi).
Ada 2 sabuk partikel bermuatan di sekitar bumi - yang disebut sabuk radiasi Van Allen: pada ketinggian ~ 4000 km dari proton, dan pada ketinggian ~ 17.000 km dari elektron. Partikel-partikel di sana bergerak dalam orbit tertutup, ditangkap oleh medan magnet bumi. Ada juga anomali magnetik Brasil - di mana sabuk radiasi internal mendekati tanah, hingga ketinggian 200 km.
Ketika radiasi gamma dan x-ray (termasuk radiasi sekunder, yang diperoleh karena tabrakan elektron dengan badan aparatus) melewati mikrosirkuit, muatan mulai berakumulasi secara bertahap di gerbang dielektrik transistor, dan dengan demikian parameter transistor mulai perlahan berubah - tegangan ambang transistor dan arus bocor. Mikro-sirkuit digital sipil biasa mungkin sudah berhenti bekerja secara normal setelah 5.000 rad (namun, seseorang dapat berhenti bekerja setelah 500-1000 rad).
Dalam orbit rendah 300-500 km (di mana orang terbang), dosis tahunan bisa 100 rad atau kurang, masing-masing, bahkan selama 10 tahun, dosis yang dikumpulkan akan ditoleransi oleh sirkuit mikro sipil. Tetapi dalam orbit tinggi> 1000km, dosis tahunan bisa 10'000-20'000 rad, dan sirkuit mikro konvensional akan mendapatkan dosis yang mematikan dalam hitungan bulan.
Masalah terbesar dalam elektronik luar angkasa adalah tabrakan dengan partikel bermuatan berat (TZP) - proton, partikel alfa, dan ion berenergi tinggi. TZCh memiliki energi tinggi sehingga mereka "menembus" sirkuit mikro melalui (bersama dengan tubuh satelit) dan meninggalkan "lingkaran" muatan di belakang mereka. Dalam kasus terbaik ini dapat menyebabkan kesalahan perangkat lunak (0 menjadi 1 atau sebaliknya), dalam kasus terburuk dapat menyebabkan penguncian thyristor. Dalam chip yang terkunci, daya disingkat ke ground, arus dapat menjadi sangat besar, dan menyebabkan pembakaran chip. Jika Anda berhasil mematikan daya dan menghubungkannya sebelum pembakaran, maka semuanya akan berfungsi seperti biasa.
Partikel bermuatan berat (TZZ) dari angkasa luar, yang bekerja pada sirkuit terintegrasi (IC), dapat menyebabkan distorsi bit data individu atau program. Intensitas kegagalan tergantung pada jenis memori yang digunakan, parameter orbit dan aktivitas Matahari.
Ada beberapa cara untuk mengatasi gertakan:
1) Memantau arus yang dikonsumsi, dan dengan cepat mengubah daya.
2) Gunakan chip pada substrat safir (Silicon-on-safir, SOS, dalam bentuk yang lebih umum Silicon-on-insulator, SOI) - ini menghilangkan pembentukan transistor parasit bipolar dan, dengan demikian, gertakan. Meskipun demikian, mungkin masih ada kesalahan perangkat lunak. Wafer silikon-safir mahal, sulit diproses, dan penggunaannya terbatas di sektor sipil - oleh karena itu, produksinya mahal.
3) Gunakan apa yang disebut proses triple-well - itu juga sangat mengurangi kemungkinan mematahkan sirkuit mikro karena isolasi tambahan transistor dengan pn junction, tetapi tidak memerlukan pelat atau peralatan khusus dan, oleh karena itu, produksi itu sendiri jauh lebih murah daripada silikon di safir.
Secara historis, di USSR dan Rusia, mereka bekerja lebih banyak dengan silikon di safir, dan di barat mereka mencoba menggunakan silikon biasa dengan triple-well sebanyak mungkin (untuk menggabungkan dengan produk komersial dan mengurangi biaya), tetapi mereka juga melakukan SOS / SOI sesuai kebutuhan.
Dalam kasus ketika, karena SLC di pesawat ruang angkasa, terjadi distorsi pada isi memori atau logika bekerja secara tidak benar. Untuk mengatasinya hanya tinggal dengan cara arsitektur, misalnya:
- berdasarkan logika mayoritas (ketika kita menghubungkan 3 salinan dari setiap blok yang kita butuhkan pada jarak tertentu dari satu sama lain - maka 2 jawaban yang benar akan "mengalahkan" satu yang salah menggunakan lebih banyak sel memori tahan kesalahan (dari 10 transistor, bukan 6 biasa),
- penggunaan kode koreksi kesalahan dalam memori, cache dan register.
Tetapi tidak mungkin untuk sepenuhnya menghilangkan kesalahan, karena SLC (atau lebih tepatnya, seluruh penggemar partikel sekunder) dapat terjadi tepat di sepanjang chip, dan hampir 5% dari chip dapat gagal. Di sini kita membutuhkan sistem yang sangat andal dari beberapa komputer independen, dan pemrograman yang tepat.
Akibatnya, penggunaan sirkuit mikro sipil di ruang angkasa dibatasi oleh efek gertakan, dan mungkin paling baik dalam orbit rendah. Dalam orbit yang tinggi dan di ruang angkasa - kita perlu mikrosirkuit tahan radiasi khusus, karena di sana kita kehilangan perlindungan medan magnet bumi, dan satu meter timah tidak akan menyelamatkan kita dari partikel berenergi tinggi dari radiasi kosmik [2]. Area penerapan teknologi COTS harus didefinisikan dengan jelas, dan penggunaannya yang melanggar hukum dapat menyebabkan hasil negatif.
Contoh penggunaan teknologi COTS di luar angkasa
Konfirmasi penggunaan di ruang teknologi COTS dan baterai elektronik industri adalah semakin populernya satelit yang dibuat sesuai dengan standar CubeSat.
Kubsat, CubeSat - format satelit Bumi tiruan kecil (ultra-kecil) untuk eksplorasi ruang angkasa, memiliki volume 1 liter dan massa tidak lebih dari 1,33 kg atau beberapa (banyak) lebih banyak (Gbr. 1).
Gambar 1 Satelit CubeSat dari Dauria AerospaceKubsats biasanya menggunakan kerangka sasis spesifikasi CubeSat dan membeli aksesoris standar - elektronik COTS dan komponen lainnya. Spesifikasi CubeSat dikembangkan pada tahun 1999 oleh Politeknik California dan Universitas Stanford untuk menyederhanakan pembuatan satelit ultra-kecil.
Spesifikasi CubeSat mencakup dimensi dan arsitektur standar. Semua CubeSat dibagi menjadi dimensi 1 unit (10 × 10 × 10 cm), 2U (10 × 10 × 20 cm), 3U (10 × 10 × 30 cm) dan seterusnya.
Standar CubeSat tidak membatasi imajinasi pengembang dan pendekatan teknik untuk membangun pesawat ruang angkasa. Tidak ada instruksi perakitan yang diterima secara umum di dalam kubsat, yaitu standar universal yang menggambarkan informasi, antarmuka mekanis atau listrik. Ada rekomendasi seperti mencocokkan dimensi papan elektronik dengan faktor bentuk PC / 104, beberapa pendekatan untuk pinout, bus informasi dan bus listrik, tetapi setiap pengembang dapat memiliki implementasi spesifik [3].
Satelit CubeSat sedang dibuat dari elektronik tingkat industri, yaitu yang dirancang untuk dieksploitasi di Bumi, dan tidak mempersiapkan ruang. Meskipun demikian, kemampuan chip modern memungkinkan mereka untuk bekerja dalam kondisi yang tampaknya tidak sesuai. Mereka bisa berumur pendek, tetapi memastikan pengoperasian perangkat hingga satu tahun, atau bahkan beberapa kali lebih banyak [4].
Standar COTS lainnya
CompactPCISistem yang didasarkan pada standar CompactPCI menggabungkan konstruksi mekanis yang memungkinkan Anda untuk memasang modul prosesor dan periferal dalam papan sirkuit-silang pasif dengan interkoneksi standar untuk pertukaran data antar modul sistem. Karakteristik konstruksi, jenis dan topologi, interkoneksi yang digunakan didokumentasikan dengan baik dalam standar yang sesuai yang dikembangkan oleh konsorsium perusahaan internasional di bawah naungan PICMG (www.picmg.org) (Gbr. 2).
Gbr. 2 Prinsip docking modul standar CompactPCISistem dibangun dalam konstruksi Euromechanics 3U (Gbr. 3), 6U
Manfaat utama dari standar CompactPCI:
- kemampuan untuk membangun multiprosesor, sistem komputasi heterogen;
- resistensi yang tinggi terhadap goncangan dan getaran;
- pendinginan yang efektif;
- dukungan untuk hot swapping;
- dukungan cadangan;
- penggunaan sasis standar dari berbagai produsen.
Gbr. 3 Lampiran dengan modul CompactPCISebuah contoh signifikan dari keandalan sistem yang dibuat sesuai dengan standar CompactPCI adalah sistem kontrol rover Opportunity, yang dikendalikan oleh dua komputer berdasarkan standar CompactPCI [5].
Rover Peluang mendarat di planet merah pada 24 Januari 2004 dan masih beroperasi.
Inti dari sistem kontrol adalah komputer papan tunggal RAD6000 (produsen BAE Systems), dibuat dalam format CompactPCI 6U versi 2.0.
RAD6000 adalah komputer papan tunggal yang tahan radiasi berbasis pada prosesor RISC, dirilis oleh IBM. Divisi ini kemudian menjadi bagian dari BAE Systems.
Komputer ini memiliki kecepatan clock maksimum 33 MHz dan kecepatan sekitar 35 MIPS.
Papan memiliki 128 MB RAM dengan ECC. Biasanya VxWorks RTOS berjalan di komputer ini. Frekuensi prosesor dapat diatur ke 2,5, 5, 10 atau 20 MHz.
PC / 104PC / 104 form factor diadopsi pada tahun 1992 sebagai tanggapan terhadap tuntutan untuk mengurangi dimensi keseluruhan dan konsumsi daya untuk sistem komputer. Masing-masing tujuan ini dicapai tanpa mengorbankan kompatibilitas perangkat keras dan lunak dengan standar komputer yang populer. Spesifikasi PC104 menawarkan kompatibilitas arsitektur, perangkat keras, dan perangkat lunak lengkap dengan standar komputer dalam ukuran papan kompak 3,6 "x 3,8" (91,44 mm x 96,52 mm). Nama standar diperoleh karena penggunaan bus ISA 104-pin yang terletak di bagian bawah papan (Gbr. 4).
Gbr. 4 Tumpukan modul format PC / 104Standar PC / 104 menggambarkan prinsip modular membangun sistem tertanam kompak dalam bentuk kolom papan yang saling terhubung. Standar keluarga PC / 104 telah membuktikan diri di antara para pengembang sistem komputer terintegrasi yang ringkas. Banyak insinyur memilih PC / 104 karena kelebihannya yang memberi bobot dan dimensi ringan pada perangkat tersebut, keandalan mekanis konektor dan keseluruhan struktur secara keseluruhan.
Kelompok standar PC / 104 menjelaskan pertukaran data antar modul pada bus paralel ISA 16 bit, PCI 32 bit dan menggunakan serial PCI-Express, USB 2.0 dan SATA interkoneksi dan terdiri dari 5 spesifikasi. Selain ukuran paling kompak 90 × 96 mm, faktor bentuk EPIC dan EBX juga merupakan bagian dari keluarga standar.
Salah satu contoh aplikasi adalah penggunaan modul format PC / 104 untuk membangun peralatan untuk eksperimen ruang "Terminator". Dalam kerangka percobaan antariksa, spektrum formasi berlapis diamati dalam kisaran IR yang terlihat dan dekat pada ketinggian mesosfer atas - termosfer lebih rendah di sekitar terminator surya ”(Gbr. 5).
Fig. 5 - ON "Terminator".Inti dari blok elektronik adalah format papan prosesor CPC1600 (Produsen Fastwel)
MicroPCMicroPC adalah faktor bentuk komputer industri yang kompatibel dengan IBM PC (x86) untuk lingkungan yang keras.
Papan MicroPC ukuran 124 × 112 mm. Berkat konsep pengembangan asli, produk MicroPC adalah yang paling tahan terhadap faktor eksternal yang keras di pasar komputer tertanam. Modul MicroPC memungkinkan Anda untuk dengan cepat membangun sistem tertanam dan sistem otomasi yang andal dan murah dari "bata" siap pakai (Gbr. 6).
Gbr. 6 Chassis dengan modul format MicroPCFitur Desain:
• motherboard pasif (backplane atau kabel);
• kartu ekspansi pemasangan 4 titik;
• mungkin ada port input / output diskrit dan analog tambahan atau adanya ekstensi PC / 104 pada modul prosesor;
• pengawas waktu;
• rentang suhu yang diperluas: dari −40 hingga +85 ° C;
• konsumsi daya rendah dan pembangkit panas.
Contoh mencolok dari penggunaan modul format MicroRS di ruang angkasa adalah konsol astronot NEPTUN-ME dari pesawat ruang angkasa berawak SOYUZ TMA-M.
Saat ini, kru sedang dikirim ke orbit Bumi menggunakan pesawat ruang angkasa berawak Soyuz TMA-M series, yang merupakan modifikasi dari pesawat ruang angkasa Soyuz TMA. Kapal-kapal tersebut dilengkapi dengan konsol astronot generasi baru - Neptunus-ME (Gambar 7), yang dikembangkan oleh NIIAO. Remote control adalah sistem komputasi tiga prosesor yang mencakup dua saluran untuk menampilkan informasi berdasarkan indikator kristal cair matriks, sarana pertukaran dengan sistem on-board kapal, dan unit kontrol manual on-board.
Gbr. 7 Remote control pesawat ruang angkasa Neptune-ME Soyuz TMA.Konsol astronot Neptunus-ME dirancang untuk memantau dan mengendalikan operasional anggota awak dengan sistem pesawat ruang angkasa.
Cara teknis dikembangkan dan dipilih dengan mempertimbangkan persyaratan operabilitas dalam kondisi tanpa bobot dan depressurisasi kendaraan keturunan, mis. dengan mempertimbangkan karya astronot dalam pakaian luar angkasa.
Bagian komputasi dibangun menggunakan modul MicroPC. [6].
KesimpulanMenggunakan COTS memungkinkan Anda mengembangkan produk dengan cepat di lingkungan yang sangat kompetitif. Seperti contoh yang ditunjukkan, COTS digunakan tidak hanya di perusahaan pembangunan Barat, tetapi juga di Federasi Rusia.
COTS memungkinkan Anda membuat sistem komputasi yang kompetitif. Teknologi ini merupakan jaminan kesuksesan jangka panjang, memastikan penerapan tren bisnis global terbaru dan pencapaian rekayasa di bidang teknologi komputer tertanam modern.
Sastra1. SpaceVPX - keandalan ruang backbone - sistem modular, MCA: VKS №2 / 2016
2.
Mikroelektronika untuk ruang dan militer. Sumber daya elektronik3.
Perhatian, cubsats! Sumber daya elektronik4.
Saat kubus menjadi besar. Sumber daya elektronik5. CompactPCI - standar untuk membangun komputasi ruang. CTA No. 1/2017. Halaman 30-31.
6. SOI terintegrasi dari pesawat ruang angkasa Soyuz-TMA dan panel kontrol manual dari segmen ISS Rusia Alpha.
Sumber daya elektronik .