Microprocesadores aplicados a sistemas

espaciales

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

Microprocesadores para comunicaciones

5º ETSIT

Contenido1. Introducción...................................................................................................................................... 3

2. Características de un sistema electrónico orientado a aplicaciones espaciales. Radiation Hardened Processors........................................................................................................3

3. High-reliability space systems...................................................................................................6

4. Microprocesadores de la ESA....................................................................................................7

5. Microprocesadores desarrollados por ATMEL...............................................................12

6. COTS (Comercial Off The Shelf) basados en aplicaciones espaciales....................16

7. Referencias...................................................................................................................................... 19

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

1. Introducción.La era de los satélites comenzó a mediados del siglo XX posiblemente, en

gran medida, gracias al descubrimiento del transistor en 1947 por el Dr. William Shockley de Bell Telephone Labs, lo que cambió el curso de la historia al sustituir los tubos termiónicos de alto vacío que tenían una vida limitada y un alto consumo. Gracias a este hito nació la industria electrónica y se desarrollaron circuitos integrados con capacidad de incluir muchos transistores en un único chip lo que abrió las puertas al desarrollo del mundo de los ordenadores y microprocesadores.

2. Características de un sistema electrónico orientado a aplicaciones espaciales. 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. Esto es debido a que dichos sistemas se ven expuestos a ciertos fenómenos de radiación que pueden provocar fallos en el sistema, o en el peor de los casos, que el sistema deje de funcionar. Estos fallos son de vital importancia, debido a que el astronauta confía el control de la navegación a estos sistemas electrónicos y por lo tanto, las interferencias pueden ser fatales. Por ello, es importante que estos sistemas se diseñen de manera que sean capaces de superar la radiación a la que se ven expuestos.

Las causas más importantes que pueden provocar que estos sistemas fallen y que por consiguiente no presten la seguridad adecuada a la misión a la que atienden son las siguientes:

Larga exposición a la radiación Actividad impredecible de los vientos solares Rayos cósmicos

De forma ilustrativa se muestra la siguiente gráfica, en la que se observa la influencia de la radiación emitida por diferentes tipos de partículas como son: vientos solares, auroras boreales y rayos cósmicos, por centímetro cuadrado y por segundo:

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

Figura 1: Efecto de las partículas en el ámbito espacial.

Como podemos observar, se muestra la energía de las partículas en millones de electrón voltio respecto a la densidad de partículas que atraviesan una superficie de un centímetro cuadrado en un segundo. Las partículas emitidas por los rayos cósmicos son las de mayor energía. En cambio, las emitidas por los vientos solares tienen menor energía pero la densidad de partículas por unidad de área es mucho mayor que la anterior.

Protección de los sistemas electrónicosSe pueden emplear múltiples técnicas (de forma independiente o en combinación) para proteger los sistemas electrónicos en el entorno de radiación:

Blindajes Basados en la arquitectura:

o Configuración redundante. Triplicando el número de microprocesadores que se necesitan: Los tres microprocesadores realizan los mismos cálculos y se vota acerca de los resultados. Si uno de los microprocesadores ha cometido un error inducido por radiación, los otros dos que habrán obtenido el mismo resultado, ganan así la votación y dan el resultado correcto.

o Existen múltiples niveles de redundancia: A nivel de componente. A nivel de subsistema.

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

A nivel de nave espacialEs decir, se contempla incluso la posibilidad de duplicar la nave espacial, ya que en ciertas ocasiones ahorras en costes y tiempo si una de las naves se estropea, puesto que no tienes que volver a lanzarla, sino que ya se encuentra en órbita.

Basados en el diseño:o Estrategias TMR (Triple Modular Redundancy) dentro del propio

chip.o Implementando circuitos de detección y corrección de errores.o Dispositivos espaciados y desacoplados.

Basados en el proceso de fabricación:o Empleando materiales específicos y técnicas de procesamiento no

convencionales.o Realizando los sistemas electrónicos en fábricas dedicadas al

desarrollar dispositivos rad-hard.

En este contexto cabe destacar lo que se conoce como Radiation Hardened Electronics for Space Environments (RHESE), que se basa en el 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). Los objetivos de dicho proyecto eran los siguientes:

Mejorar la tolerancia a la ionización de partículas subatómicas y ondas electromagnéticas. Esta ionización se conoce con el nombre de TID (Total Ionizing Dose), o lo que es lo mismo: dosis completa de ionización, la cual es el resultado de la acumulación de los efectos debido a una larga exposición a las radiaciones.

Reducir los fallos debidos a SEU (Single Event Upset). En este caso se debe al impacto de una única partícula sobre el material, de forma que se deposita suficiente energía como para causar algún efecto en el dispositivo.

Incrementar el umbral para dichos errores. Incrementar el rendimiento y eficiencia del microprocesador. Reducir el límite inferior del rango de temperatura de operación del chip. Incrementar los niveles de redundancia.

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

Incrementar la fiabilidad y exactitud de los modelos existentes de los efectos de la radiación.

Todo proyecto que requiera operación en condiciones extremas del espacio, procesadores, automatización, comunicaciones, debe incluir Radiation Hardened Electronics for Space Environments en su implementación.

3. High-reliability space systemsAunque los dispositivos utilizados actualmente son cada vez más complejos

también aportan un mayor grado de fiabilidad. La NASA y la Fuerza Aérea están buscando métodos que conduzcan al desarrollo de sistemas de mayor fiabilidad. Los nuevos diseños de procesadores incorporan modelos de fiabilidad que son más precisos, ya que ciertos fabricantes de componentes están realizando muchos de estos modelos, como es el caso de Texas Instruments.

En las condiciones fuera de la atmósfera terrestre se debe aumentar el nivel de fiabilidad al máximo, ya que por un lado, si se trata de una nave espacial a la que un astronauta confía su navegación por el espacio, la fiabilidad debería de ser la máxima posible, y por otro lado, cuanto más fiable sea, menos probabilidades de reparación de dicho sistema se requerirá. Se debe tener en cuenta que reparar un componente de un sistema espacial requiere un costo muy superior a un sistema convencional, puesto que se ha de traer de vuelta el sistema a la Tierra. La fiabilidad de estos sistemas se mide mediante pruebas en la Tierra antes de ser lanzados.

Para lograr dichos modelos de fiabilidad se debe tener en cuenta que incrementar el nivel de fiabilidad de un componente debería crear paralelamente mejoras en la fiabilidad de toda la nave espacial. Las naves espaciales más pequeñas ofrecen además, ventajas adicionales de fiabilidad, ya que la fiabilidad de todo el sistema aumenta a medida que disminuye el tamaño del dispositivo.

Altos niveles de integración, por lo general conducen a un aumento defiabilidad al reducir el número de subconjuntos y cableado necesariopara realizar las interconexiones. Esto se traduce en un menor número de fallos y por consiguiente en un aumento de la fiabilidad total del sistema.

Las naves espaciales están formadas cada vez por más circuitos digitales micro electrónicos por lo que aumentar la fiabilidad de estos componentes se debe traducir en una mayor fiabilidad general de la nave.

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

4. Microprocesadores de la ESADurante los últimos 20 años la Agencia Espacial Europea (ESA) ha estado

constantemente trabajando en el desarrollo de los microprocesadores para aplicaciones espaciales.

El principal objetivo de la ESA ha sido garantizar a los dispositivos de la comunidad del espacio europeo un alto rendimiento, fiabilidad y microprocesadores hard-rad.

A finales de los 90, tres generaciones de microprocesadores ya habían sido desarrolladas por la ESA y actualmente se usan ampliamente en muchos proyectos espaciales.

En el siguiente cuadro, se pueden observar por orden cronológico, las familias de microprocesadores más importantes desarrollados para la ESA:

I 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 Plus

0.5 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 Dhrystone-

100 MHzAún bajo

producciónObsoleta Obsoleta Prototipos

disponibles

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

desde abril de 2005

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

Figura 2: Millones de Instrucciones por segundo de los microprocesadores de la ESA.

La primera generación de microprocesadores no utilizaba procesadores comerciales y se fabricaron con tecnología específica para la influencia de la radiación: CMOS/SOS. SOS, del Inglés Silicon on sapphire, es un proceso de fabricación de circuitos integrados mediante el cual se hace crecer una delgada capa de silicio sobre una oblea de zafiro. La segunda y tercera generación utilizaba un procesador comercial, el cual fue modificado para mejorar la protección contra la radiación.

ERC32El primer ERC32 estaba compuesto por tres chips (una unidad de enteros, una unidad de coma flotante y un controlador de memoria) que lograban operar a 10

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

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.

Figura 3: Arquitectura del ERC32.

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, China e Israel entre otros. La versión TSC695F fabricada por Atmel con un proceso de 0.5 micras tolerante a radiaciones incorporó nuevas funcionalidades. El chip, conjuntamente con una memoria y unos periféricos de aplicación específica, forman un dispositivo on-board completo. El resto de funciones del sistema están proporcionadas por el núcleo como se puede observar en la siguiente figura:

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

Figura 4: Arquitectura del TSC695.

Antes incluso de desarrollarse la versión TSC695 del ERC32, ya se había manifestado cierta necesidad de un cambio de arquitectura en los microprocesadores de la ESA ante ciertos problemas detectados en el ERC32.

La primera versión del LEON (LEON-1) 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. 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. Este diseño estaba formado por un bus estándar lo que permitía añadir fácilmente núcleos IP, es decir, nuevas funcionalidades, al núcleo principal.

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

Figura 5: Arquitectura del LEON-1.

Cuarta generación de microprocesadores. LEON-2, LEON2-FT.

Este microprocesador fue diseñado por la ESA. El diseño estaba hecho en VHDL para dotarlo de portabilidad y de facilidades de configuración. Este modelo en VHDL estaba disponible como núcleo IP en dos versiones diferentes:

No tolerancia a fallos (LEON-2). Las principales mejoras que introdujo respecto al anterior fueron las siguientes: Las principales mejoras introducidas son las siguientes: cachés Multi-way con reemplazo aleatorio, LRU ó LRR, controlador de memoria para PROM y SRAM externa,

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

controlador de 32-bits para SDRAM PC133, sistema de Buses on-chip AMBA-2.0, AHB y APB, sistema avanzado de Debugging on-chip y modo Power-down. Disponible bajo licencia GNU/LGPL para aplicaciones industriales.

Figura 6: Arquitectura del LEON-2.

Tolerancia a fallos (LEON2-FT). Disponible bajo la licencia de la ESA para aplicaciones espaciales.

La disponibilidad de la versión no tolerante a fallos bajo GNU/LGPL permitió un amplio uso de este microprocesador como núcleo IP en el mercado de consumo, donde han sido utilizados en muchos productos comerciales, tales como, multimedia, GPS, teléfonos móviles y muchas otras aplicaciones no espaciales.

Un ejemplo de microprocesador tolerante a fallos es el 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 e inmunidad de los latch por encima de 80 MeV/mg/cm2.

La disponibilidad de la versión tolerante a fallos del LEON2-FT bajo la licencia de la ESA también permitió el desarrollo por compañías del espacio de implementaciones más específicas atendiendo a sus necesidades bajo la forma “System on Chip” (SOC).

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

Al igual que la anterior generación de microprocesadores, existen oportunidades para el desarrollo y comercialización de varias herramientas como por ejemplo simuladores, software de validación y monitores de depuración.

En conclusión, comparando con las anteriores generaciones de microprocesadores de la ESA el LEON-2/LEON2-FT, es un diseño abierto y fácilmente portable y configurable. Además, como ya se ha dicho, se puede aumentar fácilmente su funcionalidad, añadiendo nuevos núcleos IP gracias al uso de un bus estándar interno.

5. Microprocesadores desarrollados por ATMEL

ATMEL trabaja en microprocesadores para el espacio desde hace más de 15 años. Entre los microprocesadores existentes para aplicaciones espaciales se encuentran los siguientes:

80C32E TSC21020 DSP TSC695F and TSC695FL Sparc V7 AT7913E LEON2-FT Sparc V8

Figura 7: AT7913E – LEON2FT - SpaceWire RTC

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

AT697E/F LEON2-FT Sparc V8 Reconfigurable Processor

Dentro de la familia de productos de microprocesadores basados en el LEON2-FT encontramos los siguientes:

B_ LEON2-FT Sparc V8: Arquitectura de 32 bits. Tecnología de 90nm. Frecuencias desde los 120MHz a los 200MHz. Añade nuevas características:

o Unidad de manejo de memoria: MMU.o Aumenta el tamaño de la caché.o Internal SRAM (HRAM Hardened) and ROM (HROM) with

Default Boot.o SpaceWire, interfaz PCI y AHB External Bus.o Interfaz exterior ADC/DAC

Figura 8: B_ LEON2-FT Sparc V8

S_ LEON2-FT Sparc V8 Arquitectura de 32 bits.

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

Tecnología de 90nm. Low processing power

o Low power single chip o Low end space application (Sensors,…)o No cache memorieso 4 Register Windowso No internal Sramo 8 bits external memories interfaceo Limited addressing range (few Mbytes)o No FPU

Figura 9:S_ LEON2-FT Sparc V8

DSP_ LEON2-FT Sparc V8o DSP, programable en C.o Unidad en punto flotante.o Más de 10 operaciones en punto flotante por ciclo.o Dos unidades de generación de direcciones y cuatro accesos a

memoria por ciclo.o Program Memory Management Unit (PMU). o DMA.o Bus AMBA AHB maestro y esclavo.

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

Figura 10: DSP_ LEON2-FT Sparc V8

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

El uso de componentes comerciales para aplicaciones espaciales está actualmente en pleno auge. Además, dicho uso se vuelve cada vez más atractivo si comparamos estos componentes con sus equivalentes realizados bajo las premisas de Hi-Rel (High Reliability) / Rad-Tol (Radiation-Tolerant) / Rad-Hard (Radiation-Hardened), ya que no todos estos modelos, puede ser completamente desarrollados en sistemas empotrados. Los diseñadores de arquitecturas hardware y software necesitan adaptar el uso de los componentes comerciales a las limitaciones del espacio, generalmente, sacrificando parte de su rendimiento.

En primer lugar, el uso de componentes COTS en el entorno espacial, debe ser examinado y revisado a través de unos criterios de selección y calificación (primera fase que los componentes COTS han de pasar). En el campo de los microprocesadores, existen tres grandes factores en los que se basan estos criterios: la frecuencia, el consumo de potencia y la memoria.

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

Junto con los componentes comúnmente utilizados en un diseño Hi-Rel / Rad-Tol en el desarrollo de aplicaciones espaciales, algunos componentes COTS son también utilizados, principalmente en algunas misiones científicas donde el rendimiento y la reducción de costes son factores importantes para la viabilidad del proyecto.

Aunque el uso del componentes COTS actualmente es muy limitado, está sin embargo aumentando, particularmente porque estos son capaces de proporcionar un rendimiento a nivel de sistema que sus equivalentes Hi-Rel/Rad-Tol no pueden proporcionar (por ejemplo para conversores analógicos digitales).

Por ejemplo, se puede observar el caso de la familia de micro satélites MYRIADE, desarrollados por la CNES, la agencia espacial francesa, sus dos computadores empotrados fueron en su mayoría desarrollados utilizando componentes COTS para circuitos integrados.

Antes de utilizar los componentes COTS en una misión espacial estos deben pasar por una etapa de selección y calificación. Se les realiza una serie de test, y mediante los resultados obtenidos se decidirá sin son aptos para la aplicación espacial en cuestión o no. En primer lugar se les realizan unos test para medir los requerimientos de garantía de calidad del componente (Quality Assurance), dicho test se conoce como LAT (Lot Acceptance Test). En estos test se evalúa el comportamiento del componente a tres temperaturas diferentes, pruebas en condiciones de humedad, etc. Finalmente, se realizan test específicos en los que se evalúan los requerimientos que han de tener dichos componentes en una misión espacial, éstos se miden en términos de: TID (Total Integrated Dose), SEL (Single Event Latch-up), SEU (Single Event Upset).

Límites del rendimiento de los componentes COTS

A. Frecuencia:

Los microprocesadores realizados con componentes COTS pueden tener buses de 64 bits funcionando a frecuencias de cientos de MHz, que va mucho más allá de las velocidades conseguidas en dispositivos desarrollados específicamente para aplicaciones espaciales. Dichos buses, requieren además memorias capaces de mantener esas tasas de datos: las memorias de tipo Hi-Rel no son capaces de soportar dichas velocidades. Por lo tanto, probablemente será necesario limitar la frecuencia de funcionamiento del bus de los microprocesadores, por ejemplo, entre 50 y 100MHz para los PowerPC7448 de Freescale, el cual tiene un bus con una

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

frecuencia máxima de funcionamiento de 200MHz. Esto puede aumentar el cuello de botella del sistema que normalmente se produce en el bus de la memoria, reduciendo así la capacidad de cómputo de la misión.

B. Consumo de potencia:

El consumo de potencia de un computador Hi-Rel para la plataforma de un satélite está en torno a 30 ó 40 W. Por otro lado, una estimación de la máxima potencia que consume un circuito impreso muestra que 15 ó 20 W es un valor razonable que no debe ser sobrepasado con el fin de evitar una superficie de contacto mecánica más compleja y un sistema de refrigeración. Sin embargo, un microprocesador tal como los de la última generación de PowerPC consume alrededor de 30W en el peor de los casos (funcionando a la máxima frecuencia). A esto debemos añadirle que el microprocesador estará además rodeado de otros elementos que también consumen potencia como son la memoria, los dispositivos de entrada/salida etc. Es obvio por lo tanto, que no será posible utilizar dichos microprocesadores a la máxima frecuencia en aplicaciones espaciales.

C. Memoria caché:

En el dominio espacial, las memorias caché son muy sensibles a SEU (Single Events Upset). Los microprocesadores más recientes están empezando a incluir paridad o EDAC en sus memorias caché (como es el PowerPC7448), de manera que todos los bits de la memoria están protegidos.

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

7. 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

Cristina Calzadilla Gutiérrez

Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

[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

Cristina Calzadilla Gutiérrez