CRISTINA CALZADILLA GUTIÉRREZ

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

5º ETSIT

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ÍNDICE

1. Radiation Hardened Processors Protección de los sistemas electrónicos RHESE

2. High-reliability space systems3. Microprocesadores de la ESA

ERC32 TSC695 LEON-1 LEON-2 LEON2-FT

4. COTS (Comercial Off The Shelf) basados en aplicaciones espaciales.

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RADIATION HARDENED PROCESSORS

Los sistemas electrónicos orientados a aplicaciones espaciales, han de tener ciertas características especiales para poder operar en un espacio el cual no está protegido por la atmósfera terrestre.

Causas que pueden provocar fallos: Larga exposición a la radiación Actividad impredecible de los vientos solares Rayos cósmicos

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RADIATION HARDENED PROCESSORS

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RADIATION HARDENED PROCESSORS:PROTECCIÓN DE LOS SISTEMAS ELECTRÓNICOS

Blindajes Basados en la arquitectura:

Configuración redundante

Basados en el diseño: Implementando circuitos de detección y corrección de

errores

Basados en el proceso de fabricación: Empleando materiales específicos

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RADIATION HARDENED ELECTRONICS FOR SPACE ENVIRONMENTS (RHESE)

Desarrollo de dispositivos de alto rendimiento, lo suficientemente robustos para soportar las exigencias de la radiación y condiciones de temperatura dentro del entorno espacial y lunar, es decir, dispositivos tolerantes a la radiación (Radiation-Tolerant).

Objetivos: Mejorar la tolerancia a la ionización de partículas

subatómicas y ondas electromagnéticas (TID - Total Ionizing Dose).

Reducir los fallos debidos a SEU (Single Event Upset). Incrementar el rendimiento y eficiencia del

microprocesador. Incrementar los niveles de redundancia. Incrementar la fiabilidad (High-reliability) .

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HIGH-RELIABILITY SPACE SYSTEMS

Condiciones fuera de la atmósfera terrestre, se debe aumentar el nivel de fiabilidad al máximo: Seguridad de los astronautas. Evitar reparaciones del sistema.

La fiabilidad se mide mediante pruebas en la Tierra antes del lanzamiento.

Aumento de la fiabilidad: Altos niveles de integración. A nivel de componente. Placa vs. Circuito Integrado. Menor número de niveles de metal.

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MICROPROCESADORES DE LAI II III IV

Fecha Principios de los 90

Mediados de los 90

Finales de los 90 Principios del siglo XXI

Prototipo MA3750 ERC32 3-Chip SetTSC691, 692, 693

ERC32 Single Chip

TSC695

LEON2-FTAT697

Fabricante DYNEX Semiconductor

(MEDL)

ATMEL(TEMIC)

ATMEL(TEMIC)

ATMEL

Tecnología CMOS/SOS1.25 micras

CMOS RT0.8 micras

SCMOS RT Plus0.5 micras

AT58KRHA0.18 micras

Bus de datos 16-bit 32-bit SPARC V7 32-bit SPARC V7 32-bit SPARC V8

MIPS - frecuencia

2 MIPS - 16 MHz 10 MIPS -14 MHz 20 MIPS-25 MHz 85 MIPS -100 MHz

Aún bajo producción

Obsoleta Obsoleta Prototipos disponibles desde

abril de 2005

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MICROPROCESADORES DE LA

Capacidad del cómputo de los microprocesadores de la ESA medido en millones de instrucciones por segundo (MIPS)

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ERC32 1/2

Compuesto por tres chips (una unidad de enteros, una unidad de coma flotante y un controlador de memoria).

10 MIPS con una tecnología de 0.8 micras.

La computadora fue diseñada para utilizar buses VME y, sobre ella, se ejecutaba el Sistema Operativo VxWorks en su versión 5.3.

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ERC32 2/2

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TSC695 1/2

En 1998 el ERC32 fue unificado en una única pastilla, el TSC695, fabricado con un proceso de 0.6 micras, que opera hasta 20 MIPS.

Este microprocesador sigue siendo, hoy día, el procesador estándar en todas las misiones de la ESA, además de haber sido usado por la NASA.

La versión TSC695F fabricada por Atmel con un proceso de 0.5 micras tolerante a radiaciones incorporó nuevas funcionalidades

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TSC695 2/2

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LEON-1 1/2

Se desarrolló en el año 2000 y su prototipo fue fabricado con un proceso de 0.35 micras alcanzando un rendimiento de 100 MIPS y con un consumo de 0.5 Vatios.

Formado por un bus estándar lo que permitía añadir fácilmente núcleos IP, es decir, nuevas funcionalidades, al núcleo principal.

En el diseño se incluían: un multiplicador y divisor por hardware, un controlador de interrupciones, dos relojes de 24-bits, dos UARTs, watchdog, un puerto de entrada/salida de 16 bits y un controlador de memoria flexible.

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LEON-1 2/2

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LEON-2 1/2

Diseño en VHDL: portabilidad y facilidades de configuración.

Dos versiones diferentes: LEON-2 : No tolerante a fallos. Disponible bajo

licencia GNU/LGPL para aplicaciones industriales. Amplio uso en el mercado de consumo.

LEON2-FT : Tolerante a fallos. Disponible bajo la licencia de la ESA para aplicaciones espaciales.

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LEON-2 2/2

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LEON2-FT

Desarrollado por Atmel para la ESA, el LEON2-FT.

Éste se fabricó con un proceso de 0.18 micras con tecnología CMOS y se comercializa con el nombre de AT697.

La primera versión de este componente, la AT697E, fue testeada por ATMEL y se aseguró su funcionamiento para los siguientes casos: TID de hasta un total de 60Krads Inmunidad de los latch por encima de 80

MeV/mg/cm2. La disponibilidad bajo la licencia de la ESA

también permitió el desarrollo de sistemas on-chip (SOC).

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COTS (COMERCIAL OFF THE SHELF) BASADOS EN APLICACIONES ESPACIALES.

Uso de componentes comerciales para aplicaciones espaciales.

Necesidad de adaptar el uso de los componentes comerciales a las limitaciones del espacio, generalmente, sacrificando parte de su rendimiento.

Criterios de selección y calificación en base a la frecuencia, al consumo de potencia y a la memoria.

Son capaces de proporcionar un rendimiento a nivel de sistema que sus equivalentes Hi-Rel/Rad-Tol no pueden proporcionar.

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COTS (COMERCIAL OFF THE SHELF) BASADOS EN APLICACIONES ESPACIALES.

Antes de utilizar los componentes COTS en una misión espacial estos deben pasar por una etapa de selección y calificación:

LAT (Lot Acceptance Test): para medir la calidad del componente: condiciones extremas de temperatura, humedad, etc.

Test específicos en los que se evalúan los requisitos que han de tener dichos componentes para ser empleados una misión espacial: se miden en términos de TID y SEU.

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LÍMITES DEL RENDIMIENTO DE LOS COMPONENTES COTS.

Junto con los componentes comúnmente utilizados en un diseño Hi-Rel / Rad-Tol en el desarrollo de aplicaciones espaciales, se utilizan también algunos componentes COTS (rendimiento y reducción de costes).

Frecuencia: Las memorias de los sistemas de tipo Hi-Rel, no son capaces de alcanzar las altas velocidades a las que trabajan los buses de los microprocesadores convencionales.

Consumo de potencia: Limitar la frecuencia máxima con el fin de disminuir el consumo de potencia.

Memoria caché: sensible a fallos SEU.

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REFERENCIAS

[1] http://www.esa.int/esaCP/index.html[2] http://www.esa.int/TEC/Microelectronics/[3]

http://esamultimedia.esa.int/docs/industry/ISD2006/Presentations/3_R&D_ESA_Microprocessors_AL-Pouponnot.pdf

[4]http://microelectronics.esa.int/mpsa/GeneralPurposeStandardMicroprocessors-Pres-MPSA.pdf

[5] http://microelectronics.esa.int/components/comppage.htm[6]

http://personal.ee.surrey.ac.uk/Personal/T.Vladimirova/LectureSeries/slides2005/SurreyTalk07Dec2005-RW.pdf

[7]http://microelectronics.esa.int/conferences/mesa2010/04_S1_1000_ATMEL_Guy_Mantelet.pdf

[8] http://microelectronics.esa.int/amicsa/2010/7am/Agarwal.pdf[9]

http://smartech.gatech.edu/bitstream/handle/1853/26381/97-168-1-PB.pdf?sequence=1

[10] http://www.msc.de/en/produkte/elekom/3311-www.html[11]

http://www.electronicsweekly.com/Articles/2010/03/31/48331/freescale-64k-processors-to-be-supplied-by-e2v.htm

[12] http://www.date-conference.com/proceedings/PAPERS/2010/DATE10/PDFFILES/09.4_1.PDF

[13]http://microelectronics.esa.int/erc32/Hardware%20and%20Documentation%20Status%20of%20the%20ERC32%20Single%20Chip%20i1r1a.pdf

[14] http://microelectronics.esa.int/mpsa/MPSA_MP_Atmel.pdf[15]http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070018806_2007018253.pdf[16] http://microelectronics.esa.int/mpsa/Astrium-Computer-landscape.pdf[17] http://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_hardening

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