Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
IGE-XAOIGE-XAO
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

FPGA o niskim poborze mocy i wysokich, kosmicznych ambicjach

ghost666 02 Sty 2020 23:16 1041 1
  • Misje kosmiczne coraz częściej wymagają nie tylko solidnych ale i wydajnych rozwiązań elektronicznych. Układy FPGA z rodziny PolarFire firmy Microchip oferują obecnie podwyższoną odporność na promieniowanie, co pozwala zredukować czas potrzebny na opracowanie nowych systemów, a dzięki temu zredukować koszty tego typu systemów.

    Microchip wprowadził niedawno na rynek nowy układ PolarFire FPGA, zoptymalizowany pod kątem spełnienia najbardziej wymagających norm dotyczących szybkich systemów kontroli danych w pojazdach kosmicznych, oferując jednocześnie najniższe możliwe zużycie energii elektrycznej jak i redukując dzięki temu ilość wytwarzanego podczas pracy ciepła.

    Systemy elektroniczne działające w przestrzeni kosmicznej wymagają coraz bardziej wydajnych systemów do obliczeń np. w celu przetwarzania danych przed przesłaniem ich poprzez łącza o ograniczonej przepustowości. Microchip twierdzi, że układ scalone z serii PolarFire FPGA są w stanie spełniać ważne funkcje związane z przestrzenią kosmiczną, przy znacznie niższych kosztach i szybszych cyklach projektowania niż układy scalone specjalnie budowane do tego rodzaju aplikacji (ASIC). Znacząco zmniejsza również zużycie energii w porównaniu z alternatywnymi układami, dzięki stosowaniu statycznej pamięci o swobodnym dostępie (SRAM), co dodatkowo eliminuje możliwość zakłócenia konfiguracji wywołane promieniowaniem kosmicznym.

    Układy FPGA z rodziny PolarFire wspierają działanie na kilku orbitach ziemskich. Rozwiązanie Microchipa zapewnia o 50% wyższą wydajność dla wszystkich aplikacji, które wymagają większej przepustowości obliczeniowej. Układ ten posiada także więcej pamięci SRAM niż jego poprzednik i jest odporny na działanie promieniowania jonizującego o całkowitej dawce (TID) ponad 100 kiloradów (kRads). To poziom typowy dla większości satelitów na orbitach dookoła Ziemi jak i wielu misji kosmicznych.

    Twórcy elektroniki kosmicznej wykorzystują programowalne matryce bramek odporne na promieniowanie do tworzenia pokładowych systemów obliczeniowych, które spełniają wymagania dotyczące pracy w przestrzeni kosmicznej. Warunki pracy statku kosmicznego zależą od jego miejsca przebywania, więc inżynierowie dokładnie testują i wybierają części elektroniczne i mechaniczne dla każdego pojazdu. Ziemskie pole magnetyczne wyłapuje roje cząstek w dwóch pasmach dookoła planety, zwanych pasami napromieniowującymi. Inne planety również mają takie pasy napromieniowujące - na przykład Jowisz ma pasma tego typu 10 000 razy silniejsze niż ziemskie. Zasadniczo im bliżej Słońca, tym silniejszy jest wpływ cząstek słonecznych na urządzenia etc, efekt ten znany jest jako wiatr słoneczny. Ponadto istnieje jednakże jeszcze tzw. galaktyczne promieniowanie kosmiczne; są to cząstki wyrzucone w przestrzeń kosmiczną z odległych eksplodujących gwiazd itp. Można je można spotkać wszędzie.

    "Wspieramy ewoluujący zestaw aplikacji kosmicznych dla pojazdów orbitalnych, które wymagają wysokiego poziomu wydajności obliczeniowej i wysokiej gęstości upakowania, niskiego zużycia energii i minimalnego rozpraszania ciepła przy jednoczesnym obniżeniu kosztów wytworzenia na poziomie systemu" powiedział Bruce Weyer, wiceprezes jednostki biznesowej Microchip FPGA. "Nasz układ FPGA RT PolarFire umożliwia znaczny skok w przepustowości obliczeniowej wymaganej w tych aplikacjach, w tym w intensywnie przetwarzających sieciach neuronowych do wykrywania i rozpoznawania obiektów, pasywnego i aktywnego obrazowania o wysokiej rozdzielczości oraz precyzyjnych zdalnych pomiarów naukowych, przy jednoczesnym zachowaniu ścieżki do kwalifikacja QML".

    RT PolarFire FPGA to ewolucja układu RTG4 FPGA firmy Microchip, który został szeroko zaimplementowany w przestrzeni kosmicznej, w szczególności w celu wykorzystania dwóch jego cech charakterystycznych: zapewnia on ochronę przed szumem pojedynczego zdarzenia (SEU) i ma wewnętrzną odporność na pojedyncze połączenia podczas zdarzenia (SEL). Chodzi tutaj oczywiście o zdarzenia wywołane cząstkami promieniowania jonizującego, uderzającymi w strukturę półprzewodnikową układu. Promieniowanie to to energia w postaci krótkich, wysokoenergetycznych fal lub cząstek subatomowych. W przypadku systemów statków kosmicznych głównym problemem jest promieniowanie cząsteczkowe. Promieniowanie to, obejmujące zarówno protony, jak i elektrony, może wpływać na ich elektronikę na dwa sposoby. Efekt pojedynczego zdarzenia (SEL) reprezentuje szybkie wybuchy energii, gdy cząstka słoneczna lub promień kosmiczny przenikają przez obwód. Efekty pojedynczego zdarzenia mogą powodować różne zakłócenia, w tym wpływać na fizyczny charakter przetwarzanych lub przechowywanych w pamięci bitów. Niektóre efekty z czasem stają się poważniejsze; naładowane cząstki mogą gromadzić się na przewodzącej powierzchni statku kosmicznego i gromadzić ładunki w skali godzin lub dni. Na rysunku 1 pokazano mechanizm indukowania ładunku w tranzystorze poprzez jonizację tlenkowej warstwy dielektrycznej, co powoduje uwięzienie resztki ładunku dodatniego, co powoduje powstawanie ujemnego progu napięcia.

    FPGA o niskim poborze mocy i wysokich, kosmicznych ambicjach
    Rys.1. Schemat tranzystora polowego MOSFET z kanałem typu N, ilustrujący efekt ładunku całkowitego, indukowanego przez jonizację tlenkiem bramki. a) Normalna praca b) praca po napromieniowaniu.


    Technologia pamięci nieulotnej SONOS, zastosowana w układach FPGA PolarFire umożliwia implementację przełączników konfiguracyjnych w bardziej energooszczędnej architekturze, co zmniejsza koszty opracowywania systemu i minimalizuje poziom rozpraszanego ciepła. Dzięki temu zarządzanie temperaturą w układach kosmicznych staje się istotnie prostsze. Zarządzanie ciepłem to krytyczny aspekt w systemach takich, jak układy kosmiczne z uwagi na ograniczone możliwości chłodzenia systemu. Ograniczenia termiczne muszą być spełnione bez pogorszenia wydajności systemu; z tego powodu wymagana w tego typu aplikacjach jest wyrafinowana konstrukcja i działanie systemu zarządzania ciepłem.

    FPGA o niskim poborze mocy i wysokich, kosmicznych ambicjach
    Rys.2.Schemat blokowy karty graficznej z układem RT PolarFire FPGA.


    Układ PolarFire FPGA RT zostanie poddany standardowemu procesowi badania w celu spełnienia standardów QML, w tym kwalifikacji klasy V do bardzo krytycznych zastosowań. Producent nie podaje jednak przewidywanego terminu certyfikacji.

    Do komercyjnego projektowania systemów na tym układzie FPGA służy pakiet Libero SoC Design Suite. Można go wykorzystać do rozpoczęcia projektowania układów RTF FPF PolarFire. Oprogramowanie Libero SoC obejmuje obsługę syntezy dla TMR (potrójna redundancja modułu), którą można wykorzystać do łagodzenia SEU (patrz rysunek 3).

    Zestawu deweloperski dla tych układów obejmują kartę modułową dla FPGA, z wysoką gęstością pinów. Zestaw ten wyposażony jest także w wiele interfejsów wyjściowych, takich jak PCIe, Dual Gigabit Ethernet RJ45, SFP+ oraz USB.

    FPGA o niskim poborze mocy i wysokich, kosmicznych ambicjach
    Rys.3. Pakiet do projektowania Libero SoC.


    Projektując urządzenia pracujące w środowisku kosmicznym, należy wziąć pod uwagę wpływ promieniowania, temperatury i wibracji. Poziomy natężenia promieniowania występujące w kosmosie mogą powodować różnorodne problemy dla komponentów elektronicznych, a potrzeba rozwiązań tolerujących promieniowanie jest bardzo ważna dla powodzenia misji. Jednocześnie, biorąc pod uwagę ograniczenia energetyczne narzucone przez dostępne układy zasilające, konieczne jest posiadanie energooszczędnych i wysoce wydajnych rozwiązań do zarządzania dużymi ilościami danych.

    Źródło: https://www.eetimes.com/low-power-fpga-enables-high-performance-space-systems/#

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9501 postów o ocenie 7547, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • IGE-XAOIGE-XAO
  • #2
    bolek
    Specjalista - oświetlenie sceniczne
    Microchip... żeby się nie okazało że w erracie jednak odradzają umieszczanie układów na orbicie ;)