O uso de tecnologias COTS em desenvolvimentos para fins especiais é um meio comprovado de reduzir tempo e custos financeiros. O artigo discute a experiência do uso do COTS para criar computadores usados a bordo de naves espaciais.
COTS (Commercial Off-The-Shelf - “ready to use”) - a tecnologia significa que, para a construção de sistemas para fins especiais, é aplicada uma abordagem especial, de acordo com a qual os módulos de computação industrial são usados, e os racks, racks, blocos de comutação e cabos são fabricados em um design especial e forneça as condições operacionais necessárias (por exemplo, resistência a influências climáticas, vibratórias, acústicas e outras). As tecnologias COTS usam tecnologias prontas de hardware e software de código aberto, anteriormente amplamente testadas e / ou padronizadas no mercado de aplicações civis industriais em geral.
Historicamente, o conceito COTS surgiu como uma iniciativa do Departamento de Defesa dos EUA e dos departamentos de defesa de vários outros países ocidentais que desejam reduzir seus custos, reduzindo a parcela de soluções e tecnologias exclusivas caras. Para os desenvolvedores russos, atualmente, no contexto de uma situação econômica agravante e da imposição de sanções que bloqueiam o acesso à base de elementos de defesa e uso duplo, esse método de economizar dinheiro na criação de equipamentos com altas características técnicas é especialmente relevante.
A tendência geral de construção de sistemas baseados em componentes COTS padronizados penetrou na indústria espacial. Isso foi facilitado pelo ritmo extremamente rápido da exploração espacial, pela complexidade das tarefas a serem resolvidas, pelos requisitos para encurtar o desenvolvimento e modernização dos sistemas e pelo aumento de velocidade e confiabilidade. Atualmente, no espaço há sempre um grande número de aeronaves habitadas e desabitadas de vários países. Essa indústria se tornou uma poderosa indústria relacionada à pesquisa, produção de novos materiais, defesa e outras tarefas relevantes [1].
Como a radiação afeta os microcircuitos
Nos "pedaços de partículas", a radiação cósmica consiste em 90% de prótons (isto é, íons hidrogênio), 7% de núcleos de hélio (partículas alfa), ~ 1% de átomos mais pesados e ~ 1% de elétrons. Bem, estrelas (incluindo o sol), núcleos galácticos, Via Láctea - iluminam abundantemente tudo, não apenas com luz visível, mas também com raios-x e radiação gama. Durante os surtos no sol - a radiação do sol aumenta em 1000-1'000'000 vezes, o que pode ser um problema sério (tanto para pessoas do futuro quanto para naves espaciais atuais fora da magnetosfera da Terra).
Existem 2 faixas de partículas carregadas ao redor da Terra - as chamadas faixas de radiação de Van Allen: a uma altitude de ~ 4000 km de prótons e a uma altitude de ~ 17 000 km de elétrons. As partículas se movem em órbitas fechadas, capturadas pelo campo magnético da terra. Existe também uma anomalia magnética brasileira - onde a faixa de radiação interna se aproxima do solo, até uma altura de 200 km.
Quando a radiação gama e raios-X (incluindo radiação secundária, obtida devido à colisão de elétrons com o corpo do aparelho) passa pelo microcircuito, a carga começa a se acumular gradualmente no dielétrico da porta dos transistores e, consequentemente, os parâmetros dos transistores começam a mudar lentamente - a tensão limiar dos transistores e a corrente de fuga. Um microcircuito digital civil comum já pode parar de funcionar normalmente após 5000 rad (no entanto, uma pessoa pode parar de trabalhar após 500-1000 rad).
Em uma órbita baixa de 300-500 km (onde as pessoas voam), a dose anual pode ser de 100 rad ou menos, respectivamente, mesmo por 10 anos, a dose coletada será tolerada por microcircuitos civis. Mas em órbitas altas> 1000 km, a dose anual pode ser de 10.000 a 20.000 rad, e os microcircuitos convencionais ganharão uma dose letal em questão de meses.
O maior problema na eletrônica espacial é a colisão com partículas carregadas pesadas (TZP) - prótons, partículas alfa e íons de alta energia. Os TZCh têm uma energia tão alta que "atravessam" o microcircuito (junto com o corpo do satélite) e deixam um "laço" de carga para trás. No melhor dos casos, isso pode levar a um erro de software (0 se torna 1 ou vice-versa); no pior caso, pode levar à trava do tiristor. Em um chip travado, a energia é reduzida em curto-circuito, a corrente pode ser muito grande e levar à queima do chip. Se você conseguir desligar a energia e conectá-la antes da combustão, tudo funcionará normalmente.
Partículas carregadas pesadas (TZZ) do espaço sideral, atuando em circuitos integrados (ICs), podem causar distorção de bits ou programas de dados individuais. A intensidade das falhas depende do tipo de memória utilizada, dos parâmetros da órbita e da atividade do Sol.
Existem várias maneiras de lidar com o snap:
1) Monitore a corrente consumida e distorça rapidamente a energia.
2) Use chips em um substrato de safira (Silicon on sapphire, SOS, de uma forma mais geral, Silicon on Isolator, SOI) - isso elimina a formação de transistores parasitas bipolares e, consequentemente, o encaixe. No entanto, ainda pode haver erros de software. As pastilhas de silício sobre safira são caras, difíceis de processar e têm uso limitado no setor civil - consequentemente, a produção é cara.
3) Use o chamado processo de poço triplo - também reduz bastante a possibilidade de encaixar o microcircuito devido ao isolamento adicional de transistores pela junção pn, mas não requer placas ou equipamentos especiais e, portanto, a produção em si é muito mais barata que o silício em safira.
Historicamente, na URSS e na Rússia, eles trabalharam mais com silício em safira, e no Ocidente tentam usar o silício regular com o triplo bem, tanto quanto possível (para combinar com produtos comerciais e reduzir custos), mas também fazem SOS / SOI conforme necessário.
No caso em que, devido ao SLC na nave espacial, ocorreu uma distorção do conteúdo da memória ou a lógica funcionou incorretamente. Lidar com isso permanece apenas em formas arquitetônicas, por exemplo:
- pela lógica da maioria (quando conectamos 3 cópias de cada bloco que precisamos a uma certa distância uma da outra - então 2 respostas corretas irão "dominar" uma errada usando mais células de memória resistentes a erros (de 10 transistores, em vez dos 6 habituais),
- o uso de códigos de correção de erros na memória, cache e registradores.
Mas é impossível se livrar completamente dos erros, porque um SLC (ou melhor, um ventilador inteiro de partículas secundárias) pode acontecer exatamente ao longo do chip e quase 5% do chip pode falhar. Aqui precisamos de um sistema altamente confiável de vários computadores independentes e sua programação adequada.
Como resultado, o uso de microcircuitos civis no espaço é limitado pelo efeito de encaixe e, possivelmente, na melhor das hipóteses, em órbitas baixas. Em órbitas altas e no espaço profundo - precisamos de microcircuitos resistentes à radiação especiais, porque lá somos privados da proteção do campo magnético da Terra, e um metro de chumbo não nos salva das partículas de alta energia da radiação cósmica [2]. As áreas de aplicação da tecnologia COTS devem ser claramente definidas e seu uso ilegal pode levar a resultados negativos.
Exemplos do uso de tecnologias COTS no espaço
A confirmação do uso no espaço de tecnologias COTS e baterias eletrônicas industriais é a crescente popularidade dos satélites feitos de acordo com o padrão CubeSat.
Kubsat, CubeSat - um formato de pequenos satélites terrestres artificiais (ultra pequenos) para exploração espacial, com um volume de 1 litro e uma massa não superior a 1,33 kg ou vários (múltiplos) mais (Fig. 1).
Fig. 1 Satélite CubeSat da Dauria AerospaceA Kubsats normalmente usa o chassi de especificação CubeSat e adquiriu acessórios padrão - eletrônicos COTS e outros componentes. As especificações do CubeSat foram desenvolvidas em 1999 pelas Universidades Politécnica da Califórnia e Stanford para simplificar a criação de satélites ultra pequenos.
A especificação CubeSat inclui dimensões e arquitetura padronizadas. Todo o CubeSat é dividido em dimensões de 1 unidade (10 × 10 × 10 cm), 2U (10 × 10 × 20 cm), 3U (10 × 10 × 30 cm) e assim por diante.
O padrão CubeSat não limita a imaginação de desenvolvedores e abordagens de engenharia para a construção de naves espaciais. Não há instruções de montagem geralmente aceitas dentro do kubsat, isto é, padrões universais que descrevem informações, interfaces mecânicas ou elétricas. Existem recomendações como combinar as dimensões das placas eletrônicas com o fator de forma PC / 104, algumas abordagens para conectar contatos, barramentos de informações e barramentos de energia, mas cada desenvolvedor pode ter uma implementação específica [3].
Os satélites CubeSat estão sendo criados a partir de eletrônicos de nível industrial, ou seja, um que foi projetado para exploração na Terra e não se preparou para o espaço. Apesar disso, os recursos dos chips modernos permitem que eles trabalhem em condições aparentemente inadequadas. Eles podem ter vida curta, mas garantem a operacionalidade dos dispositivos por até um ano, ou até várias vezes mais [4].
Outras normas COTS
CompactPCIOs sistemas baseados no padrão CompactPCI incorporam uma construção mecânica que permite instalar módulos de processador e periféricos em uma placa de circuito cruzado passiva com interconexões padrão para troca de dados entre os módulos do sistema. Características de construções, tipos e topologias, interconexões usadas, estão bem documentadas no padrão correspondente desenvolvido por um consórcio de empresas internacionais sob os auspícios do PICMG (www.picmg.org) (Fig. 2).
Fig. 2 O princípio de encaixe dos módulos padrão CompactPCIOs sistemas são construídos na construção da Euromecânica 3U (Fig. 3), 6U
Principais benefícios do padrão CompactPCI:
- a capacidade de construir sistemas de computação heterogêneos multiprocessadores;
- alta resistência a choques e vibrações;
- resfriamento eficaz;
- suporte para troca a quente;
- suporte de backup;
- a utilização de chassis padrão de diferentes fabricantes.
Fig. 3 Gabinete com módulos CompactPCIUm exemplo significativo da confiabilidade dos sistemas fabricados de acordo com o padrão CompactPCI é o sistema de controle do Opportunity rover, controlado por dois computadores baseados no padrão CompactPCI [5].
O rover Opportunity foi pousado no planeta vermelho em 24 de janeiro de 2004 e ainda está em operação.
O núcleo do sistema de controle é um computador de placa única RAD6000 (fabricante BAE Systems), fabricado no formato CompactPCI 6U versão 2.0.
O RAD6000 é um computador de placa única resistente à radiação, baseado no processador RISC, lançado pela IBM. Esta divisão tornou-se parte da BAE Systems.
O computador tem uma velocidade máxima de relógio de 33 MHz e uma velocidade de cerca de 35 MIPS.
A placa possui 128 MB de RAM com ECC. Normalmente, o VxWorks RTOS é executado neste computador. A frequência do processador pode ser configurada para 2,5, 5, 10 ou 20 MHz.
PC / 104O fator de forma PC / 104 foi adotado em 1992 em resposta a demandas para reduzir as dimensões gerais e o consumo de energia dos sistemas de computador. Cada uma dessas metas foi alcançada sem comprometer a compatibilidade de hardware e software com os padrões populares de computador. A especificação PC104 oferece compatibilidade total de arquitetura, hardware e software com os padrões do computador em placas compactas de tamanhos de 91,44 mm x 96,52 mm (3,6 "x3,8"). O nome do padrão foi obtido devido ao uso do barramento ISA de 104 pinos localizado na parte inferior da placa (Fig. 4).
Fig. 4 Pilha de módulos no formato PC / 104Os padrões PC / 104 descrevem o princípio modular de construir sistemas embarcados compactos na forma de uma coluna de placas conectadas umas às outras. Os padrões da família PC / 104 se provaram entre os desenvolvedores de sistemas compactos de computador de bordo. Muitos engenheiros escolhem o PC / 104 devido às vantagens que proporcionam leveza e dimensões de tais dispositivos, à confiabilidade mecânica dos conectores e de toda a estrutura como um todo.
A família de padrões PC / 104 descreve a troca de dados entre módulos em barramentos paralelos ISA de 16 bits e PCI-32 bits e usa interconexões seriais PCI-Express, USB 2.0 e SATA e consiste em 5 especificações. Além do tamanho mais compacto de 90 × 96 mm, os fatores de forma EPIC e EBX também fazem parte da família padrão.
Um exemplo de aplicação é o uso de módulos no formato PC / 104 para construir equipamentos para o experimento espacial "Terminator". Dentro da estrutura do experimento espacial, o espectro de formações em camadas foi observado nas faixas visível e próxima do IR nas alturas da mesosfera superior - a termosfera mais baixa nas proximidades do terminador solar ”(Fig. 5).
Fig. 5 - ON "Terminator".O núcleo do bloco eletrônico é um formato de placa processadora CPC1600 (Fabricante Fastwel)
MicroPCO MicroPC é um fator de forma dos computadores industriais compatíveis com IBM PC (x86) para ambientes agressivos.
Tamanho da placa MicroPC 124 × 112 mm. Graças ao conceito de desenvolvimento original, os produtos MicroPC estão entre os mais resistentes a fatores externos adversos no mercado de computadores embarcados. Os módulos MicroPC permitem criar rapidamente sistemas embarcados e sistemas de automação altamente confiáveis e de baixo custo a partir de "tijolos" prontos (Fig. 6).
Fig. 6 Chassi com módulos no formato MicroPCRecurso de design:
• placa-mãe passiva (backplane ou cabo);
• placas de expansão de montagem de 4 pontos;
• pode haver portas de entrada / saída analógicas e discretas adicionais ou a presença de uma extensão PC / 104 nos módulos do processador;
• cronômetro de vigilância;
• faixa de temperatura estendida: de -40 a +85 ° C;
• baixo consumo de energia e geração de calor.
Um exemplo impressionante do uso de módulos no formato MicroRS no espaço é o console do astronauta NEPTUN-ME da nave espacial tripulada SOYUZ TMA-M.
Atualmente, as equipes estão sendo entregues à órbita terrestre usando a sonda tripulada da série Soyuz TMA-M, que é uma modificação da sonda Soyuz TMA. Os navios estão equipados com os consoles de astronautas de nova geração - Neptune-ME (Fig. 7), desenvolvidos pelo NIIAO. O controle remoto é um sistema de computação com três processadores que inclui dois canais para exibir informações com base em indicadores de cristal líquido da matriz, meios de troca com os sistemas de bordo da embarcação e controles manuais para o complexo de bordo.
Fig. 7 Nave espacial Neptune-ME de controle remoto Soyuz TMA.O console de astronautas Neptune-ME foi projetado para monitorar e controlar operacionalmente os membros da tripulação por sistemas a bordo de naves espaciais.
Foram desenvolvidos e selecionados meios técnicos, levando em consideração os requisitos de operacionalidade nas condições de ausência de peso e despressurização do veículo descendente, ou seja, levando em conta o trabalho dos astronautas em um traje espacial.
A parte de computação é construída usando módulos MicroPC. [6]
ConclusãoO uso do COTS permite que você desenvolva rapidamente um produto em um ambiente altamente competitivo. Como os exemplos mostraram, o COTS é usado não apenas em empresas de desenvolvimento ocidentais, mas também na Federação Russa.
O COTS permite criar sistemas de computação competitivos. Essa tecnologia é uma garantia de sucesso a longo prazo, garantindo a aplicação das últimas tendências globais de negócios e realizações de engenharia no campo das modernas tecnologias de computadores incorporados.
Literatura1. SpaceVPX - confiabilidade espacial do backbone - sistemas modulares, MCA: VKS №2 / 2016
2.
Microeletrônica para espaço e forças armadas. Recurso eletrônico3.
Cuidado, filhotes! Recurso eletrônico4.
Quando os cubos ficaram grandes. Recurso eletrônico5. CompactPCI - o padrão para a construção de computação espacial. CTA nº 1/2017. Página 30-31.
6. SOI integrado da espaçonave Soyuz-TMA e o painel de controle manual do segmento russo ISS Alpha.
Recurso eletrônico .