А. Поливанов, В. Попов

Введение

    В настоящее время постоянно расширяется круг и сложность задач, решаемых бортовой радиоэлектронной аппаратурой космических аппаратов, поэтому использование microPC с системным и программным обеспечением является перспективным. Однако, многие орбиты космических аппаратов характеризуются высоким уровнем радиационного фона, а элементная база microPC не является радиационно стойкой, поскольку в них применяются коммерче-ские интегральные схемы или микросхемы класса “industrial”, весьма чувствительные к радиационному воздействию.

    В настоящее время известно несколько путей обеспечения работоспособности микросхем при радиационном воздействии. Во-первых, применение защитных экранов. Для этой цели служат номограммы “Поглощённая годовая доза — толщина защиты”, рассчитанные для конкретных орбит [1]. Но такой путь значительно увеличивает вес бортовой аппаратуры, что снижает количество функциональных устройств на борту космического аппарата и, следовательно, его эффективность. Второй метод — резервирование, широко применяемое для повышения отказоустойчивости аппаратуры. В частности, аппаратное троирование — традиционный, проверенный на практике способ, выручающий при всех видах случайных отказов. Однако в случае накопления доз, близких к предельным, имеет место период радиационно-стимулированного старения, и такой метод становится малоэффективным. Третий путь — системные методы повышения надёжности, которые хорошо себя зарекомендовали в бортовых спутниковых системах [2].

    Кроме дозовых эффектов, в СБИС ОЗУ возникают сбои при попадании космических частиц высоких энергий в “чувствительный” объём микросхемы. При этом в ней искажается записанная информация при сохранении работоспособности. В [3] представлена структурная схема бортового контроллера (рис. 1), устойчивая к сбоям. При сбое одной микроЭВМ происходит переключение на другую и так далее.

Рис. 1. Структурная схема отказоустойчивого бортового контроллера

    В настоящей работе рассматривается комплексный подход к решению проблемы применения коммер-ческих изделий в космической технике на примере использования microPC в представленной ниже структурной схеме бортового контроллера.

Анализ результатов радиационных испытаний

Радиационные испытания microPC

    В [3] приведены результаты радиационных испытаний различных плат microPC, представленых в таблице. Нетрудно видеть, что наиболее “слабыми” элементами являются микросхемы памяти. В [2] рекомендуется заменить ППЗУ с предельной дозой 2,5 крад на “масочное” ЗУ, радиационная стойкость которого выше стойкости микропроцессора.

Таблица. Предельные дозы и виды отказов элементов microPC

    Таким образом, самыми “слабыми” элементами в microPC остаются флэш-память, которая в microPC является аналогом жёсткого диска компьютера, и микросхемы ОЗУ.

Радиационные испытания ОЗУ

    В [4] представлены результаты радиационных испытаний микросхем ОЗУ, которые показали, что их отказ, в основном, проявляется в виде отказов отдельных ячеек памяти. Отказ отдельных ячеек обнаруживается в невозможности проведения записи информации по адресу дефектной ячейки и её последующего считывания. В этой работе испытывались 5 образцов ОЗУ типа MT5C1008DCJ фирмы Hitachi. Поглощённая доза набиралась в два этапа — по 10 крад на каждом этапе облучения при интенсивности облучения 0,2 крад/с. На первом этапе при накопленной дозе 10 крад отказов или сбоев обнаружено не было. На втором этапе, когда накопленная доза достигла 20 крад, из пяти испытываемых образцов четыре обнаружили отказы, а один сохранил работоспособность. В отказавших образцах появились дефектные ячейки, количество которых составило в среднем 130.

    Таким образом, при наступлении отказа ОЗУ количество дефектных ячеек составляет малую часть их общего числа. В данном случае, в диапазоне поглощённых доз 10–20 крад их доля составила менее 0,1% от общего объёма ОЗУ. Эта особенность отказов ОЗУ может быть использована для повышения их радиационной стойкости.

Повышение радиационной стойкости

    Поскольку самыми слабыми элементами microPC являются микросхемы памяти, при выборе метода повышения радиационной стойкости необходимо уделить им основное внимание. Существует три метода её повышения:

• замена существующих ИМС на более стойкие к воздействию радиации;
• примение к ИМС аппаратного резервирования (троирования);
• разработка программных алгоритмов для замены отказавших ячеек памяти.

    Заменить ЗУ на более стойкий тип представляется затруднительным, поскольку, с одной стороны, такие ИМС во много раз дороже коммерческих изделий, а с другой стороны, многие фирмы-производители отказываются от производства радиационно стойких микросхем из-за низкой рентабельности [2].

    Аппаратное троирование для отдельных микросхем применять нецелесообразно, поскольку это увеличивает количество элементов на плате. Кроме того, на этапе старения микросхем такой метод становится малоэффективным.

    Метод программных алгоритмов наиболее эффективен для увеличения радиационной стойкости схем памяти, поскольку он связан с характером их отказов. Анализ использования СБИС памяти показывает, что в большинстве случаев существует свободное пространство адресов, не используемое прикладной программой. Таким образом, представляется возможным повысить стойкость микросхем ЗУ по крайней мере в два раза путём обхода дефектных ячеек памяти и перенесения информации из них в свободное место ЗУ.

    На практике, при использовании структурной схемы бортового устройства, приведённой на рис. 1, это может выглядеть следующим образом. При возникновении сбоя в рабочем комплекте microPC происходит переключение на запасной. В это время комплект, выдавший ошибку, начинает самотестирование. При обнаружении отказа в массиве памяти тестирующая программа помечает отказавшие ячейки памяти и восстанавливает её содержимое в обход дефектных ячеек. Далее производятся действия, необходимые для продолжения работы программы на данном комплекте.

    С помощью приведённого алгоритма удаётся повысить радиационную стойкость микросхем ЗУ по крайней мере до уровня стойкости микропроцессора (таблица) и остальных устройств, что приводит к увеличению срока активного существования (CAC) всей microPC.

    По приведённой выше методике повышения радиационной стойкости микросхем памяти получаем, что поглощённая доза для троированной системы при вероятности безотказной работы pMPC = 0,98 в этом случае составит D’3(0,98) = 8,5 крад. При этом необходимая для САС 7 лет толщина защиты получается равной 9 мм.

Рис. 2. Дозовые зависимости вероятности безотказной работы бортового устройства на основе одного (1) и трех (2) microPC без повышения стойкости ЗУ и трех microPC с повышением стойкости ЗУ (3)

    На рис. 2 приведены графиче-ские зависимости вероятности безотказной работы microPC от дозы облучения. Кривая 1 соответствует вероятности безотказной работы одного комплекта microPC без применения алгоритмов, повышающих радиаци-онную стойкость микросхем памяти, 2 — то же для троированной системы, 3 — для троированной системы в случае увеличенной с использованием программно-алгоритмического метода радиационной стойкости микросхем памяти.

Заключение

    Платы microPC являются перспективными для применения в бортовой радиоэлектронной аппаратуре КА. С помощью программных алгоритмов и аппаратных средств возможно увеличить САС бортовых устройств на базе microPC до требуемого значения 7 лет при вероятности безотказной работы 0,98 и снизить толщину защитного экрана.

    Применение радиационной отбраковки [4] позволит ещё больше снизить толщину экрана или увеличить САС бортового устройства.

Литература

1. A.Holmes-Siedle and L.Adams. Handbook of Radiation Effects, Oxford Sience Publicatins, Oxford University Press, 1993.
2. Попов В.Д. Проблемы и возможности применения коммерческих интегральных схем в военной и космической технике // Chip News. — 1999. — № 5. — С. 28–32.
3. Гобчанский О.П. Применение MicroPC в вычислительных комплексах специального назначения // Современные технологии автоматизации. — 1997. — № 1. — С. 38–41.
4. Поливанов А.П., Попов В.Д. Модель восстановления работоспособности элементов СБИС ОЗУ после g-облучения. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, метрология). Мат-лы докл. Науч.-техн. Семинара (Москва, 30 ноября – 3 декабря 1999 г.). — М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова. — 2000.
5. Байхельт Ф., Франкен П. Надёжность и техническое обслуживание. Математический подход: Пер. с нем./Под ред. И.А.Ушакова. — М.: Радио и связь. — 1988.

E-mail: capitan.polivanov@mtu-net.ru