Sejarah Singkat Mikroprosesor Ruang, Bagian Satu

Pada 10 Juli 1962, roket Tor dengan satelit telekomunikasi komersial pertama diluncurkan di lokasi peluncuran di Cape Canaveral. Telstar-1 adalah awal era baru astronotika, yang menunjukkan bahwa ruang dapat membawa manfaat nyata bagi manusia. Perangkat ini sedang menunggu masa depan yang hebat, tetapi sehari sebelumnya di langit di atas Johnson Atoll, yang terletak di bagian gurun Samudra Pasifik, bom atom Prime Starfish meledak. Ledakan itu menghancurkan tiga ratus lampu jalan di Hawaii, yang terletak satu setengah ribu kilometer, dan juga menciptakan sejumlah besar elektron bebas, dijemput oleh medan magnet Bumi ke dalam sabuk radiasi buatan manusia. Setiap kali Telsat-1 melewati sabuk ini, pengisian transistor tingkat lanjut mendapatkan dosis radiasi, dan pada November 1962 sudah berhenti bekerja. Sejarah perlindungan elektronik ruang angkasa dari radiasi dimulai dengan studi tentang konsekuensi dari insiden ini.

Untungnya, mereka mulai terlibat dalam ledakan nuklir ketinggian tinggi dengan cukup cepat, tetapi bahkan tanpa mereka ada pekerjaan yang cukup, dan persyaratan untuk keandalan dan daya tahan yang diberikan kepada satelit modern menjadi lebih ambisius. Tidak mungkin untuk berbicara tentang semuanya, tetapi saya akan mencoba untuk secara singkat membahas masa lalu dan sekarang mikroprosesor ruang dari berbagai negara. Mengapa tepatnya mikroprosesor? Kebanyakan dari mereka adalah informasi tentang mereka dan mereka lebih dipahami oleh non-spesialis. Artikel itu ternyata panjang, jadi saya membaginya menjadi dua bagian: sejarah awal tentang contoh Amerika Serikat dan Eropa (di bawah potongan) dan modern - pada contoh Rusia (di sini ). Ayo pergi!

Aturan gim

Mari kita mulai dengan istilah dan definisi. Yang dimaksud dengan "mikroprosesor" yang saya maksud adalah rangkaian mikro atau serangkaian rangkaian mikro dengan tingkat integrasi yang tinggi, yang dirancang untuk menjalankan program. Mikroprosesor chip tunggal populer pertama adalah Intel 4004 empat-bit, yang dirilis pada tahun 1971 - ini setelah orang Amerika mendarat di bulan, jadi dengan definisi ini, komputer di papan era eksplorasi ruang angkasa yang heroik jatuh dari gambar, meninggalkan kita hanya "work work" yang membosankan. Namun, sudah banyak yang ditulis tentang komputer onboard era heroik, termasuk di Habré. Di sini , di sana - sini . Mereka, sebagai suatu peraturan, dirancang untuk misi tertentu, memiliki semacam sistem komando dan kedalaman bit 13 bit, kemudian 17, kemudian 21 - secara umum, jangan mencoba untuk mengulanginya di rumah. Penyatuan dimulai dengan pemotongan anggaran setelah berakhirnya perlombaan bulan dan dengan penyebaran simultan berbagai rasi bintang satelit. Akibatnya, hampir semua pihak yang tertarik datang ke sejumlah chip universal yang digunakan di mana pun ternyata.

Poin penting kedua adalah ketersediaan informasi. Industri luar angkasa tidak pernah begitu terbuka. Satelit pertama, akses astronot ke bulan atau jumlah satelit di konstelasi GLONASS adalah iklan yang sederhana dan mudah dipahami, tetapi sulit untuk membual tentang fitur konsumen dari desain pemancar radio di Sputnik-3. Tambahkan kerahasiaan perang dekat tradisional dari atas - dan kita tahu tentang prosesor RAD750 bahwa "ada lebih dari 150 di antaranya," dan hanya selusin satelit yang menjadi tempatnya. Kutipan khas dari publikasi ilmiah khusus yang ditulis pada tahun tujuh puluhan terlihat seperti ini: “Sebuah register shift PMOS / SOS 32-bit yang keras juga telah dibangun dan diuji; namun, data uji pada sirkuit ini diklasifikasikan. ” Tentang data terbuka pada satelit dan sirkuit mikro Rusia (dan saya, tentu saja, hanya menggunakan data terbuka) Saya bahkan tidak ingin memulai; remah yang ada biasanya pergi ke Internet dengan pengawasan. Publikasi ilmiah sedikit menyelamatkan kami - terutama jika Anda tahu apa yang Anda cari. Basis data online IEEE hanyalah gudang bagi sejarawan elektronik; dengan arsip jurnal dan konferensi ilmiah Soviet dan Rusia, situasinya secara radikal lebih buruk daripada dengan yang asing, tetapi juga bukan tanpa harapan. Kekurangan dari publikasi adalah bahwa melalui mereka sulit untuk melacak koneksi antara microcircuits dan aplikasi mereka, tetapi informasi menarik tentang desain microcircuits dapat ditemukan. Total: artikel tersebut tidak berpura-pura lengkap, ini lebih merupakan kumpulan contoh yang dengannya seseorang dapat mengikuti perkembangan dan menyajikan keadaan saat ini dari mikroprosesor dan mikrokontroler untuk aplikasi luar angkasa.

Hal ketiga yang disetujui - Saya tidak akan membandingkan kinerja prosesor bajak dengan iPhone. Ada beberapa kesenangan dalam hal ini, tetapi perbedaan dalam kinerja bukan dari kehidupan yang baik, ia memiliki alasan obyektif: siklus pengembangan yang panjang, persyaratan keandalan lainnya, sertifikasi panjang dan pengujian segala sesuatu dari teknologi pembuatan chip hingga perakitan satelit. Tentu saja, pengembang ruang selalu ingin mendapatkan daya komputasi maksimum - untuk memproses informasi di papan, menghemat bandwidth saluran radio - tetapi seringkali prioritas lain lebih penting. Itulah sebabnya sepuluh tahun dapat berlalu dari selesainya pengembangan ke penerbangan pertama, dan karena itu semua orang menyukai solusi yang telah terbang - ada lebih sedikit masalah dengan mereka. Sebagai hasilnya, masa hidup dari sirkuit mikro ruang angkasa bisa tiga puluh hingga empat puluh tahun, pengembangan generasi baru dapat dimulai bahkan sebelum penerbangan pertama dari yang sebelumnya, dan saat ini prosesor yang dikembangkan pada tahun sembilan puluhan masih mulai naik. Saya akan segera memperhatikan bahwa desain pesawat ruang angkasa menjadi semakin dan semakin rumit, dan sekarang ada puluhan komputer di dalamnya yang memiliki persyaratan yang sangat berbeda: Anda perlu memproses susunan gambar sepanjang waktu dan menyurvei beberapa sensor sekali dalam satu jam.

Keempat, pengingat yang sangat singkat tentang efek radiasi luar angkasa. Pengingat panjang sedang ada di sini , tetapi sangat panjang - di sini .

Efek dari dosis penuh radiasi dikaitkan dengan akumulasi muatan listrik di dielektrik dan pada antarmuka antara dielektrik dan semikonduktor; Kami terutama tertarik pada oksida gerbang dan isolasi sisi transistor MOS. Efek ini dimanifestasikan sebagai pergeseran tegangan ambang transistor (untuk saluran-p, peningkatan nilai absolut, untuk saluran-n biasanya menurun, tetapi kemudian Anda akan melihat nuansa), penurunan mobilitas pembawa muatan (penurunan kecepatan rangkaian) dan kebocoran pada transistor saluran-n ( baik antara saluran dan sumber satu transistor, dan antara berbagai transistor), yang mengarah ke peningkatan konsumsi daya statis.

Efek tunggal ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika sebuah partikel bermuatan tunggal memasuki transistor, bagian dari energi partikel ini ditransfer ke bahan dari sirkuit mikro, dan pasangan lubang elektron bebas terbentuk di dalamnya. Beberapa pasangan ini dipisahkan dalam rangkaian mikro oleh medan listrik, dan “melihat” pulsa arus pendek, “dibawa” oleh partikel eksternal. Lebih lanjut, pulsa ini dapat mengubah nilai yang terekam dalam sel memori, masuk ke input elemen logika atau melakukan sesuatu yang sangat buruk, misalnya, untuk menerobos gerbang transistor atau membuka struktur thyristor parasit dan membuat kesalahan pembumian dengan kekuatan lokal.
Efek perpindahan disebabkan oleh fakta bahwa partikel yang masuk tidak hanya dapat menciptakan pasangan lubang elektron, tetapi juga berinteraksi langsung dengan atom suatu zat, menjatuhkannya dari posisi yang tepat di kisi kristal. Untuk transistor biasa, kerusakan lokal seperti itu tidak buruk, tetapi mereka menyebabkan kerusakan signifikan pada perangkat optoelektronik, semikonduktor dua dimensi, dan transistor berskala nano.

Masih ada efek tingkat dosis , tetapi sebagian besar memiliki aplikasi non-komersial, jadi saya tidak akan membicarakannya.

Tahap awal - contoh Amerika Serikat

Fakta bahwa saya tidak dapat menemukan mikroprosesor mana yang pertama kali naik pesawat ruang angkasa cukup dapat diprediksi. Data publik hanya tersedia pada misi ilmiah terkenal, dan mereka biasanya diletakkan pada yang paling dapat diandalkan dan diverifikasi, yaitu, bekerja diam-diam di muka pada satelit yang lebih murah. Diketahui bahwa komputer on-board Viking dan Voyager dirakit berdasarkan logika diskrit, tetapi pada mereka itulah standardisasi dan penggunaan kembali komponen dimulai. Voyager menarik karena merupakan perangkat pertama yang menggunakan memori semikonduktor, bukan inti magnetik. Selain itu, itu CMAM SRAM volatile, yaitu, informasi di dalamnya terhapus jika daya hilang. Bagaimana para insinyur meyakinkan manajemen untuk mengambil risiko seperti itu? Pertama, tanpa memori baru, tidak masuk akal untuk menerapkan logika CMOS cepat. Di ruang angkasa, teknologi CMOS lebih dari tepat: terlepas dari kenyataan bahwa sirkuit CMOS lebih lambat daripada rekan-rekan bipolar dan jauh lebih sensitif terhadap pelepasan elektrostatik, mereka mentolerir suhu ekstrem, memiliki sensitivitas kebisingan yang rendah dan mengkonsumsi daya yang jauh lebih sedikit, yang biasanya di papan ada kekurangan. Kedua, sebagai cadangan catu daya, tegangan dari output RTG langsung dibawa ke memori, dengan alasan wajar bahwa jika terjadi sesuatu pada generator, maka masalah memori tidak lagi relevan.


Gambar 1. Papan dengan memori semikonduktor dengan Voyager.

Yang pertama - RCA 1802

Pesawat ruang angkasa paling awal yang saya temukan di mana bukan sirkuit mikro dengan tingkat integrasi sedang, melainkan mikroprosesor monolitik (RCA 1802 8-bit) adalah satelit Magsat yang diluncurkan pada 30 Oktober 1979. Mengingat bahwa RCA 1802 komersial pertama dirilis pada tahun 1975, ini harus berarti bahwa mereka mengenai NASA lebih awal dari rak-rak toko - yang, secara umum, adalah praktik normal pada masa-masa awal Lembah Silikon.

Sebagai contoh kecil dari era itu, saya akan mengutip sebuah artikel oleh EE King, "Efek Total Dosis pada 1802 Mikroprosesor", Transaksi IEEE pada Ilmu Nuklir, 1977. Artikel ini membandingkan efek dosis radiasi pada empat varian 1802: dua komersial, satu sampel eksperimen diproduksi pada substrat silikon pada safir (SPS), dan satu sampel diproduksi oleh proses khusus yang dirancang untuk meningkatkan ketahanan radiasi.


Gambar 2. Pergeseran tegangan ambang kedua jenis transistor di bawah pengaruh dosis radiasi. C1 dan C2 adalah chip komersial, S adalah chip pada SPS, X adalah sampel khusus.

Hal ini dapat dilihat dari gambar bahwa sampel komersial dan chip KNS pada dosis radiasi yang agak kecil (8-15 crad (Si)), ambang batas transistor n-channel menjadi kurang dari nol, dan sirkuit logika hanya berhenti beralih. Pada saat yang sama, proses teknis khusus memungkinkan untuk mencapai resistensi lebih dari 1 Mrad (Si), yaitu, dua perintah lebih besar. Sekali lagi, saya perhatikan bahwa tahun ini hanya tahun 1977, dan chip khusus telah dikembangkan dan diproduksi. Namun, RCA 1802 yang dijelaskan kemungkinan besar merupakan tanda pertama, karena dalam ingatan para peserta dalam pengembangan perangkat NASA besar berikutnya - Galileo - saya menemukan sebuah cerita bahwa pada saat memilih arsitektur kontrol elektronik pada tahun 1977, 1802 adalah satu-satunya mikroprosesor monolitik tahan radiasi yang terjangkau.

Penting untuk dicatat bahwa mereka sudah mencoba menggunakan chip yang paling umum di ruang angkasa - dan terus melakukannya dengan sukses sekarang. Untuk banyak aplikasi, tidak ada keandalan yang ekstrem, atau ketahanan radiasi yang tinggi, atau ketiadaan kegagalan total yang diperlukan - hanya ketiadaan kegagalan dalam periode waktu yang wajar adalah penting, dan banyak chip komersial mengatasi persyaratan ini, sementara beberapa pesanan besar lebih murah daripada yang dirancang khusus saudara laki-laki. Untuk konstelasi satelit beberapa ratus perangkat di orbit rendah, bahkan keberadaan kegagalan yang tidak terlalu sering tidak kritis, berbeda dengan biaya. Dan hanya di mana keamanan negara bergantung pada berfungsinya sirkuit mikro, kehidupan astronot, atau setidaknya nasib misi ilmiah selama jutaan tahun, tidak mungkin tanpa chip tahan radiasi. Ada, tentu saja, pendekatan campuran, ketika sistem yang paling kritis dijalankan pada chip tahan radiasi, dan sisanya pada yang konvensional, dan juga dikenal baik, ketika produsen mengambil kristal yang sama yang digunakan dalam produk tahan radiasi yang mahal, mengemasnya dalam wadah plastik murah dan tidak melakukan pengujian end-to-end, menghemat harga beberapa kali. Ada perusahaan yang secara khusus terlibat dalam pengujian chip komersial untuk menemukan di antara mereka yang secara tidak sengaja ternyata tahan radiasi. Tetapi kembali ke Galileo dan 1802.


Gambar 3. Meluncurkan Galileo dengan Space Shuttle. Komputer on-board pesawat ulang-alik, yang dibuat pada tahun tujuh puluhan, bekerja pada sirkuit mikro dengan tingkat integrasi yang kecil, dan hanya selama peningkatan besar, yang sudah dilakukan pada abad kedua, PowerPC 750 yang tahan radiasi 386-e, 1802-e, dan sipil PowerPC 750 ikut bergabung.

Galileo, karena berbagai masalah, hanya terbang pada tahun 1989, tetapi dirancang segera setelah Voyager dan menggunakan praktik terbaik mereka. “1802 tak seorang pun di tim pengembangan benar-benar menyukai”, karena solusi terpisah, meskipun lebih rumit, jauh lebih cepat. Akibatnya, kelebihannya masih kalah dibandingkan dengan kontra, dan subsistem komando dan data perangkat (Subsistem Komando dan Data) dibangun pada 1802, dan subsistem kontrol manuver kontrol manuver yang lebih sedikit, namun lebih menuntut kecepatan, dan Subsistem Kontrol Artikulasi dikendalikan oleh komputer 16-bit dirakit dari chip bipolar empat bit bit-slice Am2900 (mitra Soviet - seri 1802).

Galileo juga penting untuk sejarah kita karena itu adalah perangkat pertama di mana masalah kegagalan tunggal diperhitungkan dalam desain. Di dalam sirkuit mikro yang dibuat sesuai dengan standar desain kasar, mereka hampir tidak muncul, dan tidak ada yang tahu tentang keberadaan mereka sampai probe penelitian mencapai sabuk radiasi Jupiter. Magnetosfer Jupiter begitu besar sehingga sebagian dari satelitnya (Eropa, Io dan Ganymede) ada di dalamnya! Medan magnet Jupiter mempercepat ion-ion berat menjadi energi kolosal, yang sumbernya adalah Io yang aktif secara vulkanis. Kondisi mengerikan seperti itu ternyata cukup untuk menyebabkan kegagalan fungsi bahkan di sirkuit mikro Pioneer yang lama, tetapi semakin kecil standar desainnya, semakin sedikit energi yang diperlukan untuk mengganti bit dalam memori!


Gambar 4. Gambar radiasi di sekitar Jupiter. Sumber: Hans Huybrighs, “Kelayakan pengamatan in-situ dari uap uap air Europa”, 2015

Pada 1977, ketika desain Galileo dimulai, Voyagers belum mencapai Jupiter, dan semua data radiasi yang tersedia hanya terkait dengan Perintis. Beberapa kesalahan misterius mereka kemudian digolongkan sebagai kegagalan tunggal, tetapi ini kemudian, dan sejauh ini, tidak ada kode koreksi diri, atau cara lain untuk menemukan dan memperbaiki kesalahan yang telah dimasukkan ke dalam peralatan on-board Galileo. Setelah kemungkinan penyebab kegagalan pada Pionir dan Voyager ditemukan (1982), semua komponen elektronik Galileo, yang dipilih agar tahan terhadap dosis radiasi, segera dikirim ke akselerator: cari tahu bagaimana mereka akan mengatasi dengan masalah baru. Hasilnya mengecewakan: jika 1806, dilakukan dengan menggunakan teknologi yang relatif lama, berperilaku normal, maka dalam mikroprosesor bipolar progresif yang ditetapkan 2901, dari 20 hingga 50% dari serangan partikel bermuatan menyebabkan kerusakan, dan tidak mungkin untuk memulainya. Apa yang harus dilakukan Dua opsi ditemukan:

1. Coba komputer on-board tahan sukacita terbaru berdasarkan arsitektur 1750A dan kompilasi ulang semua perangkat lunak, setelah menulis kompiler. Biaya opsi ini diperkirakan 20 juta dolar (dolar saat itu, harganya jauh lebih mahal daripada yang sekarang).
2. Untuk segera memesan pengembangan analog masalah-toleran dari chip masalah 2901. Dalam hal ini, semua perangkat lunak yang diuji berulang kali tidak dapat diulang. Sandia Labs memperkirakan pengembangan chip baru sebesar 5 juta, dan keputusan telah dibuat.

NASA Tech Briefs, Volume 10, Issue 3 memberikan beberapa rincian tentang chip yang dikembangkan oleh Sandia Labs: mereka bukan bipolar seperti aslinya, tetapi CMOS, ada sembilan jenis di antaranya (dari sekitar empat puluh chip dari seri asli), dan mereka digunakan untuk mencapai toleransi kesalahan lebih luas dari transistor yang diperlukan, serta resistor di sirkuit umpan balik dari elemen penyimpanan.

Desain SA3000 - Tahan Radiasi 8085

Proses pengembangan sirkuit mikro tahan radiasi pada waktu itu tampak seperti Anda dapat mengikuti publikasi ilmiah. Sebagai contoh, saya mengambil sebuah artikel oleh W. Kim et. 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, . : , . , , , - .

Gallium arsenide

Perubahan atau bahkan kreasi teknologi khusus untuk produksi chip yang tahan radiasi pada waktu itu adalah sesuatu yang tidak hanya diterima begitu saja, tetapi juga perlu. Oleh karena itu, adalah logis bahwa sejalan dengan penelitian cara untuk membuat teknologi silikon CMOS lebih stabil, ada pencarian opsi alternatif. Yang utama adalah gallium arsenide.

, , 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. , , ; . , , , .


Gambar 6. Perbandingan kristal PowerPC750 dan RAD750. Chip dibuat dengan standar desain yang sama, area mereka hampir berlipat ganda. Perhatikan tata letak blok yang hampir identik - inilah yang terjadi ketika kompatibilitas tingkat rendah dipastikan. Perbedaan besar dalam ukuran blok memori menunjukkan penggunaan multi-transistor (10T bukan 6T) sel memori tahan radiasi dengan built-in redundansi.

Pergeseran paradigma - kasus Badan Antariksa Eropa

Sejarah rekayasa prosesor ruang angkasa Eropa terkait erat dengan nama insinyur Swedia Jiri Gaisler. Dia bergabung dengan ESA pada pertengahan tahun delapan puluhan dan mulai mengembangkan mikroprosesor ruang milik Eropa pertama. Pada awalnya itu adalah 1750A Amerika berlisensi, kemudian pengembangannya sendiri didasarkan pada sistem perintah yang sama (diproduksi di Inggris) - untuk menjaga kompatibilitas dengan perangkat lunak yang sudah ditulis. Dan, karena ini adalah situs TI, mari kita lihat jenis perangkat lunaknya:

Alat eksklusif
Ada kompiler dari TLD (USA)

Sumber terbuka
Sistem kompilasi GNU untuk 1750 pada awalnya terdiri dari dua bagian utama.
seperangkat alat yang dikembangkan oleh CNS berdasarkan kontrak Agency:

• Kompiler GNU C (gcc-2.7.2)
• Linker, assembler, archiver, dll (binutils-2.7)
• Perpustakaan c mandiri
• Perpustakaan POSIX-Threads (IEEE 1003.1c-1995) (eksekutif real-time preemptive)
• GNU Debugger (gdb-4.16) untuk 1750

seperangkat alat yang dikembangkan secara internal di Agency atau tersedia dari sumber eksternal, dan yaitu:

• CRTX (eksekutif real time kecil siklik / sinkron SmartCom - eksternal)
• Simulator mandiri 1750 (O. Kellogg sim1750-2.3b - eksternal)
• wxIDE (Lingkungan Pengembangan Terpadu portabel berdasarkan J. Smart wxWindows 2.65 - internal)

Poin penting yang membedakan pekerjaan Badan Antariksa Eropa dalam hal perangkat lunak adalah target dan dukungan sistematis dan pembayaran untuk pembuatan produk-produk open source, serta penciptaan ekosistem untuk penggunaan kembali pengembangan dan pengurangan biaya. Tidak hanya untuk perangkat lunak: untuk sirkuit mikro tahan radiasi, Belgian IMEC Institute menciptakan dan mendukung untuk kepentingan ESA platform pengembangan DARE (Desain Terhadap Efek Radiasi), yang mencakup rute desain, PDK yang diadaptasi, dan set besar blok IP digital dan analog pada enam proses pembuatan yang berbeda (350, 180 , 90 dan 65 nm). Platform ini bukan open source, tetapi dilisensikan ke semua pemain kontak ESA jika perlu.

ERC32 - Eropa sepenuhnya pertama

Sekarang kembali ke Jiri Geysler. Generasi pertama dari 1750A prosesor Eropa sendiri dalam arsitektur (kit tiga chip diselesaikan pada tahun 1989, MA31750 yang terintegrasi penuh pada tahun 1991) dikembangkan dengan memperhatikan misi Rosetta, yang akan menjadi salah satu unggulan dari program ilmiah Eropa-Amerika yang luas, yang juga termasuk teleskop “ Hubble ”dan misi untuk mempelajari matahari dan planet.

"Rosetta" adalah alat dengan nasib panjang dan kompleks. Proyek ini dimulai pada tahun 1986, bersama-sama dengan Amerika Serikat dan seharusnya menggunakan kembali banyak bagian perangkat Mariner MkII (kaki-kaki 1750A tumbuh dari sini), tetapi setelah beberapa saat Kongres AS membatalkan pendanaan untuk bagian Amerika dari program (kemudian dikonversi ke anggaran yang lebih rendah untuk penyelidikan Cassini), dan Eropa tetap berdiri sendiri. Pada tahun 1994, ketika menjadi jelas bahwa misi asli, termasuk pengiriman materi komet ke Bumi, tidak dapat ditarik, tugas misi dirumuskan kembali; sepuluh tahun kemudian, pada tahun 2004, Rosetta memulai perjalanannya ke komet Churyumov-Gerasimenko, dan pada tahun 2014, ketika mencapai itu, berita dapat dibaca termasuk tentang sirkuit kuno dengan kinerja kalkulator saku. Dan ini masih belum cukup berita dalam berita tentang prosesor tumpukan dalam modul pendaratan Philae yang perangkat keras mengimplementasikan bahasa Forth.

Nasib Rosetta jelas menunjukkan ESA bahwa bergantung pada mitra Amerika bukanlah ide terbaik, dan agensi mulai menginvestasikan banyak uang dalam program untuk mencapai kemandirian teknologi atau, menurut pendapat kami, dalam substitusi impor. Tiga puluh tahun kemudian, program-program ini terus ada, menerima dorongan yang relatif baru terkait keinginan Eropa untuk memiliki akses ke Rusia dan, yang lebih penting, pasar luar angkasa Tiongkok, terlepas dari pembatasan ekspor AS, sanksi dan perang perdagangan AS dengan China.

Setelah mendapatkan pengalaman yang cukup, tim ESA mengambil tugas yang lebih ambisius: prosesor 32-bit. Pada saat itu, masih modis untuk membuat arsitektur RISC Anda sendiri, tetapi ESA tidak mengalokasikan uang untuk hiburan semacam itu, menyarankan pengembang untuk memilih salah satu SPA yang ada, apalagi non-proprietary dan lebih disukai dengan ekosistem perangkat lunak yang baik. Setelah beberapa penelitian dan diskusi selanjutnya dengan beberapa lusin calon kontraktor ESA, pilihan jatuh pada SPARC, yang memiliki semua kualitas yang diperlukan dan sudah didistribusikan secara bebas di awal tahun sembilan puluhan oleh konsorsium terkemuka yang dipimpin oleh Sun dan Fujitsu. Fakta lucu: ARM dipertimbangkan, tetapi ditolak karena sejumlah kecil perangkat lunak. Di antara persyaratan lain yang menarik untuk prosesor adalah dukungan perangkat keras untuk bahasa Ada untuk mempercepat pekerjaan perangkat lunak yang telah ditulis untuk 1750A, serta kehadiran model VHDL untuk mempercepat pengembangan sistem berbasis prosesor.

Poin mendasar baru dalam persyaratan pengembangan adalah bahwa mikroprosesor itu sendiri tidak dikembangkan sebagai chip, tetapi model prosesor tingkat tinggi dalam VHDL. Ini dilakukan agar tidak bergantung pada produsen chip tertentu dan untuk memastikan ketersediaan prosesor selama bertahun-tahun yang akan datang, bahkan jika sesuatu terjadi pada pabrik yang dipilih. Menurut tradisi Amerika, desain inti didasarkan pada prosesor Cypress CY601 komersial, dan pabrik Prancis Temic Semiconductor (proses pembuatan volumetrik tahan radiasi dengan standar desain 800 nm) bertanggung jawab untuk ketahanan radiasi. Alih-alih tiga tahun yang direncanakan, proyek berlangsung lima (1992-1997), desain diselesaikan pada kesepuluh (!) Iterasi chip tes, Ada harus ditinggalkan - tetapi sebagai akibatnya proyek tersebut dianggap berhasil. Desain yang dihasilkan disebut ERC32, kit mikroprosesor tiga chip memasuki pasar dengan nama TSC691-693, dan bahkan kemudian, proyek dilakukan pada satu chip sebagai TSC695 (20 MHz, 14 MIPS, 4 MFLOPS, 0,5 W).

Selain implementasi SPARC yang biasa, ERC32 mengimplementasikan deteksi kesalahan dan koreksi perangkat lunak. 99% pemicu dalam register Unit Integer, 100% pemicu di FPU dan bus eksternal dilengkapi dengan paritas. Kesalahan yang terdeteksi menyebabkan enam jenis interupsi, respons yang ditentukan secara terprogram. Dalam kasus yang paling sederhana, penanganan interupsi terdiri dari pengulangan instruksi yang gagal, dalam kasus terburuk, ini dapat berupa restart dari komputer yang terpasang. Selain itu, instruksi NOP dimodifikasi sedemikian rupa sehingga, bukannya tidak melakukan apa-apa, ia memeriksa checksum yang diterima sebagai opcode XOR dari semua instruksi sebelumnya. Jika jumlah tidak sesuai dengan nilai yang diharapkan (diperoleh pada saat kompilasi), interupsi juga disebut. Menyimpulkan deskripsi ERC32, saya perhatikan bahwa tidak ada cache sama sekali, yaitu, pengembang prosesor mendorong masalah besar ini kepada orang lain.

Langkah-langkah yang diusulkan untuk mendeteksi kegagalan menyebabkan peningkatan area sebesar 15%. Atau 130%, jika kita mempertimbangkan penyertaan dua ERC32 dalam konfigurasi duplikat, di mana ada juga dukungan perangkat keras.

ERC-32 dan Segmen ISS Rusia

Perangkat pertama yang menggunakan ERC32 tidak diragukan lagi layak untuk cerita yang terpisah, karena itu adalah kasus pertama menggunakan unit asing di peralatan kritis-misi Rusia, dan juga karena itu jelas menunjukkan betapa pentingnya proyek tidak boleh dilakukan.

Pada tahun 1992, karena kesulitan lebih lanjut dalam membangun stasiun ruang angkasa jangka panjang AS-Eropa Freedom, ESA memulai negosiasi tentang kemungkinan partisipasinya dalam proyek stasiun orbital Rusia Mir-2. Sisi Rusia setuju, tetapi tidak memiliki anggaran pada tahun 1992. Setelah dua tahun negosiasi yang intens (pemungutan suara di Kongres AS berakhir dengan skor 216-215), proyek Mir-2 dan Freedom berubah menjadi Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS), seperti yang kita kenal sekarang. Perjanjian Eropa-Rusia, sementara itu, tetap berlaku, dan ESA meluncurkan proyek sistem pemrosesan data untuk modul Rusia "Dawn" (DMS-R, Sistem Manajemen Data - Rusia).

Prosesor yang tersedia pada tahun 1995 - yang tahan radiasi 1750 dan 386 - tidak memenuhi persyaratan kinerja, dan pada beban pada RAD6000, perlu untuk membeli seluruh papan prosesor, yang tidak memberikan fleksibilitas pengembangan. Pilihan lain adalah ERC32, tetapi pada saat itu hanya ada dalam bentuk model, dan belum ada satu pun chip uji dalam silikon yang dibuat. Saya tidak tahu apa yang mendorong orang-orang ini, tetapi jelas bukan gagasan bahwa ada sesuatu yang salah dengan prosesor canggih yang tidak ada . Dan bersamanya, tentu saja, ada kelambatan di belakang jadwal (yang dilewati untuk beberapa waktu menggunakan analog komersial) dan lautan bug (yang dapat diprediksi untuk proyek besar pertama dari tim pengembangan kecil), dan bug itu didokumentasikan dengan buruk, bahkan di bawah direct direct konstan hubungi pengembang DMS-R dan pengembang ERC32. Salah satu bug di FPU, yang tidak dapat dilokalisasi oleh pengembang dari RSC Energia dengan cara apa pun, akhirnya harus diatasi dengan tambalan di sistem operasi.

Ada penundaan lebih lanjut (pada tahun 1998, pendanaan luar angkasa di Rusia tidak terlalu bagus lagi), tetapi pada tahun 2000 komputer di atas kapal yang dikembangkan oleh ESA berhasil dimasukkan ke orbit dan sejak itu telah bekerja di dalam blok Zarya Rusia.


Gambar 7. Komputer onboard dari modul ISS Zarya berdasarkan pada prosesor ERC32.

Pada tahun 1996, bahkan sebelum akhir proyek ERC32, pengembangan persyaratan untuk ahli warisnya dimulai. Selera pemrogram tumbuh menjadi 100-500 MIPS, bukan 10, dan kesuksesan proyek asli yang berarti bahwa Eropa akan terus bekerja dengan arsitektur SPARC di masa mendatang. Tugas utama adalah membuat versi ERC32 chip tunggal, yang menjanjikan adalah inti prosesor baru.

LEON-FT

Fitur utama dari proyek LEON-FT adalah tugas awal untuk menciptakan bukan produk akhir dalam bentuk chip, tetapi inti berlisensi dalam bentuk kode vhdl, dan memastikan toleransi kesalahan bukan kekerasan radiasi. Pengalaman ERC32 telah menunjukkan bahwa ia membutuhkan duplikasi untuk operasi yang andal, dan langkah logis selanjutnya adalah mengembangkan sistem yang tidak membutuhkannya. Solusi untuk masalah ini diperlukan tidak hanya deteksi, tetapi juga koreksi kegagalan di tingkat perangkat keras, tanpa menggunakan perangkat lunak. Ide-ide toleransi kesalahan dan pengerasan radiasi oleh desain, tentu saja, tidak ditemukan oleh penulis LEON-FT, tetapi sebelum mereka pendekatan ini terutama dipertimbangkan pada tingkat transistor, dan mereka adalah orang pertama yang benar-benar melepaskan ikatan melawan kegagalan tunggal dari implementasi fisik chip dan membuat tujuan proyek untuk membuat chip yang stabil pada teknologi komersial, dan pada setiap yang tersedia pada saat tertentu - sehingga memecahkan masalah usangnya proses teknologi dan menutup pabrik. Dengan demikian, pergeseran paradigma dicatat: dua puluh tahun sebelum kita melihat dengan contoh chip SA3000, masalah utama adalah dosis penuh radiasi, yang diperangi dengan metode teknologi, dan kegagalan tunggal dianggap sesuai dengan prinsip residual. Pada tahun 2000, fokus berubah, kegagalan tunggal menjadi masalah utama, dan keterikatan pada teknologi tertentu mulai dilihat sebagai kerugian, dan bukan sebagai prestasi, bahkan jika pabrik diuji dan dapat diandalkan. Ngomong-ngomong, sekarang bahasa Inggris (dan bukan kata-kata tentang Brexit) Dynex Semiconductor adalah milik orang Cina, dan French Temic telah menjadi bagian dari Microchip Amerika.

Inti LEON-FT ditulis dalam VHDL dan dilengkapi dengan konfigurator yang memungkinkan Anda untuk memilih opsi yang berbeda untuk perlindungan terhadap kegagalan tunggal untuk berbagai bagian chip: untuk file register dan memori cache (cache muncul!) Satu / dua bit paritas atau kode Hamming serta memaksa cache miss, untuk pemicu dalam datapath ada atau tidak adanya redundansi rangkap tiga, untuk pipa (muncul pipa) - kemampuan untuk mengatur ulang dan mencoba lagi mulai dari instruksi yang gagal. Dengan demikian, satu-satunya ketergantungan pada implementasi fisik hanya pada fitur antarmuka dengan blok memori khusus yang membentuk file register. Pertumbuhan area inti dengan perlindungan maksimum tidak termasuk cache adalah sekitar 100%, dengan memperhitungkan - sekitar 40%; dengan semua opsi yang dinonaktifkan, itu ternyata inti SPARC V8 yang dirilis di Open Source sebagai LEON (tanpa awalan -FT). Praktik ini berlanjut lebih jauh, dan versi LEONx berikutnya dalam versi yang tidak stabil diletakkan dalam domain publik, dan versi LEONx-FT yang dapat-gagal-gagal dapat dilisensikan untuk mendapatkan uang untuk membuat microchip atau sebagai Soft IP untuk firmware dalam FPGA. Memang, karena LEONx-FT tidak melekat pada teknologi dengan cara apa pun, tidak ada yang mencegah mereka digunakan dalam FPGA - tentu saja, jika kondisi (agak ketat) untuk tidak adanya kegagalan dalam memori yang mengontrol koneksi elemen-elemen pada chip terpenuhi. Namun, jika memori ini bukan SRAM, tetapi flash atau EEPROM, maka ini adalah ide yang cukup realistis, bahkan tanpa memperhitungkan keberadaan FPGA toleran-kesalahan di mana memori konfigurasi ditutupi dengan perangkat keras dengan kode koreksi diri.


Gambar 8. Pemicu Troyed.

Catatan desain perpustakaan: untuk kompatibilitas dengan perpustakaan apa pun, elemen pemungutan suara di sini dikumpulkan dari gerbang logika biasa. Tentu saja, dia sendiri tidak dilindungi dari kegagalan tunggal dengan cara apa pun, tetapi dia jauh lebih kecil dari pemicu biasa, yang berarti bahwa kemungkinan untuk masuk ke dalamnya lebih rendah, dan kegagalannya pendek, tetapi tidak terkunci. Jika ini tidak cukup, maka ada implementasi khusus dari elemen pemungutan suara di tingkat transistor, lebih tahan terhadap kegagalan daripada opsi yang ditunjukkan pada gambar, dan mereka dapat ditambahkan ke perpustakaan sebagai primitif. Pada standar desain 1000-100 nm, cukup banyak implementasi elemen logika yang menarik dengan peningkatan toleransi kesalahan yang mungkin, memungkinkan minimal mengubah desain logika dari rangkaian mikro dan tidak memperkenalkan desain tiga kompleks. Opsi yang paling populer adalah duplikasi internal dalam elemen dan penyaringan built-in (misalnya, dalam bentuk resistor di sirkuit umpan balik dalam memori).


Gambar 9. Sel memori DICE dengan duplikasi bawaan; Karena umpan balik silang, kegagalan hanya mungkin terjadi jika secara bersamaan mengenai dua inverter, yang relatif mudah dicegah. Di sebelah kanan adalah topologi sel memori biasa dan DICE.

LEON-FT adalah proyek uji dan tidak dimaksudkan untuk komersialisasi; Perkembangan ini, serta produk-produk komersial berikutnya - core LEON2-FT - dibuat oleh Geisler di perusahaannya sendiri, Gaisler Research, yang berlokasi di Gothenburg. Hak eksklusif untuk LEON2-FT diperoleh oleh Atmel, yang mengakuisisi Temic, sebuah perusahaan ERC32; produk yang dihasilkan adalah chip AT697, yang dikenal luas termasuk di Rusia, dilakukan pada teknologi radiasi khusus Atmel dan karena fakta bahwa Atmel adalah perusahaan Amerika yang tunduk pada pembatasan ekspor dan sanksi. Pada tahun 2008, Gaisler Research dijual kepada orang Amerika dari Aeroflex, kemudian Cobham Inggris membelinya, kemudian Brexit memulai, dan sekarang Cobham membeli beberapa investor Amerika di bawah lolongan tentang ketidakmungkinan untuk menyia-nyiakan harta nasional dan pertahanan nasional. Begitulah kisah substitusi impor dan kemandirian teknologi di Eropa.

Versi saat ini - LEON5 - memiliki delapan tahap pipeline, prediktor cabang dan fitur mikroprosesor modern lainnya, dan mulai dari versi ketiga, Gaisler tidak hanya menawarkan core prosesor, tetapi juga perpustakaan besar berbagai blok IP, yang memungkinkan pengguna untuk membuat sistem pada chip yang sesuai untuk spesifik mereka persyaratan, serta berbagai jenis perangkat lunak berpemilik, pihak ketiga, dan open source yang cukup luas (uraian terperinci dapat ditemukan di sini , sistem operasi meliputi VxWorks 6.9 dan 7.0, RTEMS 4.10 dan 5, serta Linux berbasis kernel 3.10 dan 4.9).

Pembagian kerja

Seperti yang saya katakan di atas, core IP LEONx-FT hanya menyelesaikan masalah kegagalan tunggal; perlindungan terhadap dosis penuh dan efek thyristor ada pada pengguna, yang harus memilih FPGA stabil, atau kombinasi teknologi dan perpustakaan.Mari kita lihat contoh chip Gaisler GR712 yang digunakan dalam misi bulan Israel Bereshit.

. 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).

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

Bagaimana persyaratan ini diterapkan dan dikembangkan - di bagian kedua tentang contoh perkembangan Rusia modern. Ini juga akan berisi cerita pendek tentang negara-negara lain yang terlibat dalam rangkaian mikro tahan hujan, serta tentang apa yang menunggu industri dalam waktu dekat.