Новый способ защиты космических аппаратов

14.09.2018

Элементы для проектирования асинхронных микросхем, устойчивых к сбоям и особо эффективных в работе на космических аппаратах, разработали специалисты Национального исследовательского ядерного университета МИФИ и Научно-исследовательского института системных исследований Российской академии наук, сообщает пресс-служба МИФИ.

Микросхемы, применяемые в обычной технике, к примеру в автомобилях или компьютерах, плохо подходят для космических аппаратов из-за низкой надежности в условиях космической радиации. Высокоэнергетические ионы в космосе провоцируют ошибки устройств и аварии. Поэтому разработка ASIC (интегральная схема специального назначения) для космических аппаратов требует особых методов повышения сбоеустойчивости (говоря обыденным языком, надежности).

«Специфика синхронных микросхем в том, что их сложность, как и количество элементов на кристалле схемы, постоянно растет. Участки таких схем, отделенные большим расстоянием, должны быть синхронизированы по тактовой частоте (количеству тактов-операций процессора в секунду). То есть, если сигнал от генератора тактовой частоты не приходит в определенные промежутки времени, схема просто перестает работать», — рассказал доцент НИЯУ МИФИ Максим Горбунов.

По словам ученого, это довольно сложная инженерная проблема, сопряженная с ухудшением характеристик микросхемы. Поэтому сегодня перспективными считают асинхронные схемы, которые, в отличие от синхронных, не требуют синхронизации по тактовой частоте.

«Переключение разрядов в асинхронном устройстве идет параллельно и без задержки: это делает его более производительным и энергоемким, чем синхронный аналог. Данные доходят до блока обработки так быстро, как это позволяет тракт данных в процессоре, и обрабатываются тогда, когда соответствующие блоки микросхем будут готовы это сделать», — пояснил Максим Горбунов.

С методологией построения таких схем дела обстоят сложнее — не существует стандартного маршрута для их проектирования. Несмотря на то что логика построения асинхронных микросхем предложена еще в 1970-е, магистральным направлением остается работа с синхронными схемами.

«Технологические возможности синхронных микросхем подошли к пределу. Уже сейчас проектные нормы (минимальный размер элемента микросхемы) стали меньше десяти нанометров. А при тех же нормах асинхронные схемы могут работать быстрее синхронных, так как не требуют синхронизации разных частей кристалла», — рассказал эксперт.

Именно поэтому российские ученые решили предложить новые элементы для надежных и быстрых асинхронных микросхем. Их статья в научном журнале Acta Astronautica посвящена сбоеустойчивым C-элементам Маллера — базовым логическим вентилям, применяемым в проектировании асинхронных схем.

C-элемент представляет собой логическое устройство со встроенным элементом памяти. По сути, это строительный блок с двумя входами, в случае совпадения которых сигнал передается дальше (а в случае несовпадения элемент хранит предыдущее значение).

«Применив хорошо известный в синхронной логике способ DICE (Dual Interlocked Cell) к трем вариантам схемотехнической реализации C-элемента, мы получили три новые схемы DICE С-элемента с повышенной сбоеустойчивостью», — рассказал другой автор разработки, заведующий сектором топологии радиационно-стойких СБИС ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН Игорь Данилов.

По словам ученых, разработанные схемы можно применять при проектировании асинхронных микросхем, обладающих повышенной сбоеустойчивостью и предназначенных для использования в новейшей космической технике.