Il punto sui sistemi e sui componenti rad-hard

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 21 febbraio 2013

A causa dell’incessante crescita nell’utilizzo dei satelliti nelle applicazioni militari, professionali e consumer cresce la domanda di componenti e sistemi con funzionalità protette nei riguardi delle radiazioni elettromagnetiche di ogni tipo e particolarmente rispetto alle bande di frequenza più elevate, sempre più abbondanti nell’etere che avvolge il nostro pianeta. Se si considera la tendenza in atto al restringimento di tutti i sistemi applicati in fattori di forma sempre più compatti e si ricorda che le difficoltà nel diminuire le dimensioni nei circuiti si moltiplicano inesorabilmente all’aumentare della frequenza, è possibile comprendere perché il comparto dell’elettronica a radiofrequenza stia vivendo un momento di generale ripensamento, che induce i più blasonati laboratori mondiali a cercare nuove idee, studiare nuove tecnologie, sperimentare nuovi dispositivi e testare nuovi concetti circuitali.

Fig. 1 – I componenti Radiation-Hardened sono progettati per vivere nei satelliti o a bordo degli aerei e perciò devono essere immuni da tutte le radiazioni spaziali

È ovvio che il luogo più appropriato per provare qualsiasi novità in proposito non possa essere che lo spazio ed è perciò altrettanto comprensibile che i più importanti test a radiofrequenza si facciano negli Stati Uniti e in particolar modo presso la NASA (National Aeronautics and Space Administration) e il DoD (Department of Defense). Invero, è proprio a tale scopo che sono state definite le applicazioni ISR, Intelligence, Surveillance and Reconnaissance ossia per promuovere lo sviluppo e la sperimentazione delle nuove idee nelle applicazioni satellitari alla radiofrequenza.

I sistemi di questo tipo, tuttavia, costano e non devono assolutamente rompersi prima di aver svolto la loro missione se vogliono giustificare l’elevato costo d’investimento. Dunque, è indispensabile che siano sufficientemente robusti per sopravvivere nello spazio senza risentire di nessuna delle radiazioni ivi presenti. Il vero motivo per cui si è formato il settore dei prodotti e dispositivi rad-hard è la necessità di sopravvivenza dei satelliti per lo meno oltre la decade minima necessaria per il ritorno del loro costo.

Robustezza assoluta
Va precisato che per componenti rad-hard s’intendono quelli Radiation-Hardened ossia progettati per vivere nello spazio ed essere immuni da tutte le radiazioni spaziali, di qualunque natura esse siano. Un po’ diverso è il caso dei componenti Radiation-Tolerant che si usano prevalentemente sulla terra e offrono un livello di protezione buono ma non assoluto rispetto alle radiazioni presenti al di qua dell’atmosfera.
Una prima conseguenza della crescita della domanda di funzionalità sofisticate ma durature, affidabili e prive di rischi a bordo di satelliti è il più massiccio uso degli Fpga nei sistemi a radiofrequenza e ciò ha indotto i costruttori a realizzare dispositivi di questo tipo sempre più robusti e compatti e configurati soprattutto come array di Sram che hanno il vantaggio di poter essere riprogrammati nelle loro caratteristiche hardware anche in remoto ossia dopo il lancio alle grandi distanze siderali. Va precisato, tuttavia, che nei satelliti c’è ancora un diffuso utilizzo degli Fpga antifusibili che sono molto più semplici nella caratterizzazione anche se hanno lo svantaggio di potersi programmare una sola volta (OTP, One-Time Programmable).

Un’altra recente conseguenza dell’accresciuto parco satellitare orbitante è il più diffuso utilizzo delle fibre ottiche nei sistemi destinati a vivere nello spazio perché è dimostrato che i componenti e i circuiti ottici sono molto più immuni alle radiazioni spaziali rispetto ai dispositivi a semiconduttore. Presso i più importanti costruttori sono già disponibili Fpga rad-hard con periferiche capaci di interfacciare comunicazioni in fibra ottica a velocità di 40 Gbps.
D’altro canto, nei programmi militari americani è ormai sempre presente il requisito di riprogrammabilità dei sistemi come caratteristica indispensabile per poter prolungare la vita delle applicazioni ben oltre una decade in modo tale da poter continuare a usufruire a lungo degli apparati di difesa senza timore di deterioramento delle funzionalità base.

La protezione delle funzionalità
L’elevata ionizzazione delle radiazioni tipicamente spaziali è una causa scatenante di molti malfunzionamenti nei circuiti elettronici e costringe i progettisti a disegnare circuiti con estrema robustezza. Basti pensare che le particelle spaziali sono quasi sempre cariche e hanno dimensioni tali da interagire in un sol colpo con centinaia di elettroni, ovvero un numero sufficiente per compromettere il funzionamento di una decina di giunzioni e, quindi, di una manciata di dispositivi a semiconduttore, con l’ulteriore conseguenza di generare irregolari impulsi di corrente fastidiosi perché capaci di propagarsi nel resto del circuito integrato e fare ancora danni.

Fig. 2 – Gli Fpga rad-hard realizzati come array di Sram possono essere riconfigurati nelle funzionalità hardware anche in remoto e a distanze siderali

Questa considerazione ha favorito l’utilizzo degli Fpga basati su Sram perché solo così è possibile implementare delle tecniche di correzione automatica efficaci anche contro gli errori meno probabili. I moderni Fpga basati su Sram sono progettati con Triple Modulal Redundancy (TMR) che consente di correggere istantaneamente i guai eventualmente prodotti dalle radiazioni spaziali grazie a una tripla ridondanza a livello circuitale. In altre parole, la riconfigurabilità implica maggior complessità nel progetto iniziale ma offre poi più flessibilità di esercizio e maggior affidabilità di funzionamento, oltre all’indispensabile comodità della possibilità di manutenzione in remoto. Per di più, la riprogrammabilità è oggi offerta negli Fpga anche a livello dei sottosistemi di calcolo ossia nei microprocessori e microcontrollori che possono dunque essere riconfigurati in remoto molto facilmente anche nelle loro funzionalità hardware, oltre che sugli algoritmi software come già avviene oggi.

I malfunzionamenti più tipicamente indotti dalle radiazioni spaziali sono classificati dalla NASA nelle seguenti categorie: Single Event Upset (SEU), Single Event Transient (SET), Single Event Functional Interrupt (SEFI), Single Event Latchup (SEL) e Total Ionizing Dose (TID). In pratica, i primi tre possono causare solo guasti temporanei che un buon controllo automatico dovrebbe essere in grado di correggere autonomamente e rapidamente, mentre gli ultimi due causano guasti che possono essere analizzati e corretti solo con un’adeguata riprogrammazione dei circuiti integrati interessati.

Sistemi analogici su Fpga
I sottosistemi analogici sono sempre importanti ma nei sistemi spaziali sono vitali perché servono a effettuare le conversioni dei segnali dalla forma analogica a quella numerica e viceversa e questa è una delle applicazioni più strategiche non solo sui satelliti ma anche sugli strumenti a bordo degli aerei. Dopo anni di ricerche solo recentemente alcuni importanti costruttori sono riusciti a implementare negli Fpga rad-hard dei moduli completi con ADC, DAC, PLL, moltiplicatori, temporizzatori e convertitori dc/dc nella forma di blocchi di proprietà intellettuale in linguaggio macchina RTL conquistando il grande vantaggio della ric
onfigurabilità in remoto anche per queste fondamentali funzioni analogiche.

Fig. 3 – Nei moderni Fpga rad-hard si possono definire sottosistemi analogici riprogrammabili come ADC, DAC, temporizzatori e convertitori dc/dc

Lo svantaggio è che quando si implementano questi moduli negli Fpga occupano più spazio e consumano più energia rispetto agli stessi dispositivi stand-alone e bisogna anche fare attenzione all’eventuale diversità delle tolleranze termiche dei singoli elementi circuitali. È pertanto indispensabile prevedere dei test sulle prestazioni e sulla robustezza dei sottosistemi analogici a bordo degli Fpga rad-hard, ma il vantaggio della riconfigurabilità è talmente essenziale che ripaga la maggior fatica al momento dell’installazione. Si tenga presente che dopo gli ADC l’applicazione analogica più importante in un satellite è la conversione dc/dc perché serve a distribuire l’alimentazione a tutti i numerosi sottosistemi presenti e la possibilità d’implementare questa funzionalità nei moduli RTL a bordo degli Fpga radiation-hardened è stata senza dubbio una delle più importanti conquiste degli ultimi anni per questo settore applicativo.

Lucio Pellizzari



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