1 C RISTINA C ALZADILLA G UTIÉRREZ Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales 5º ETSIT

2 Í NDICE 1. Radiation Hardened Processors Protección de los sistemas electrónicos RHESE 2. High-reliability space systems 3. Microprocesadores de la ESA ERC32 TSC695 LEON-1 LEON-2 LEON2-FT 4. COTS (Comercial Off The Shelf) basados en aplicaciones espaciales. Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 2

3 R ADIATION H ARDENED P ROCESSORS 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 Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 3

4 R ADIATION H ARDENED P ROCESSORS Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 4

5 R ADIATION H ARDENED P ROCESSORS : P ROTECCIÓN 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 Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 5

6 R ADIATION H ARDENED E LECTRONICS FOR S PACE E NVIRONMENTS (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 ). Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 6

7 H IGH - 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. Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 7

8 MICROPROCESADORES DE LA IIIIIIIV Fecha Principios de los 90 Mediados de los 90 Finales de los 90 Principios del siglo XXI PrototipoMA3750 ERC32 3-Chip Set TSC691, 692, 693 ERC32 Single Chip TSC695 LEON2-FT AT697 Fabricante DYNEX Semiconductor (MEDL) ATMEL (TEMIC) ATMEL (TEMIC) ATMEL Tecnología CMOS/SOS 1.25 micras CMOS RT 0.8 micras SCMOS RT Plus 0.5 micras AT58KRHA 0.18 micras Bus de datos16-bit32-bit SPARC V7 32-bit SPARC V8 MIPS - frecuencia 2 MIPS - 16 MHz10 MIPS -14 MHz20 MIPS-25 MHz 85 MIPS -100 MHz Aún bajo producción Obsoleta Prototipos disponibles desde abril de 2005 Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 8

9 MICROPROCESADORES DE LA Capacidad del cómputo de los microprocesadores de la ESA medido en millones de instrucciones por segundo (MIPS) Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 9

10 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. Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 10

11 ERC32 2/2 Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 11

12 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 Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 12

13 TSC695 2/2 Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 13

14 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. Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 14

15 LEON-1 2/2 Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 15

16 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. Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 16

17 LEON-2 2/2 Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 17

18 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). Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 18

19 COTS ( C OMERCIAL O FF T HE S HELF ) 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. Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 19

20 COTS ( C OMERCIAL O FF T HE S HELF ) 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. Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 20

21 L ÍMITES 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. Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 21

22 R EFERENCIAS [1] http://www.esa.int/esaCP/index.htmlhttp://www.esa.int/esaCP/index.html [2] http://www.esa.int/TEC/Microelectronics/http://www.esa.int/TEC/Microelectronics/ [3]http://esamultimedia.esa.int/docs/industry/ISD2006/Presentations/3_R&D_ESA_Microproce ssors_AL-Pouponnot.pdfhttp://esamultimedia.esa.int/docs/industry/ISD2006/Presentations/3_R&D_ESA_Microproce ssors_AL-Pouponnot.pdf [4]http://microelectronics.esa.int/mpsa/GeneralPurposeStandardMicroprocessors-Pres- MPSA.pdfhttp://microelectronics.esa.int/mpsa/GeneralPurposeStandardMicroprocessors-Pres- MPSA.pdf [5] http://microelectronics.esa.int/components/comppage.htmhttp://microelectronics.esa.int/components/comppage.htm [6]http://personal.ee.surrey.ac.uk/Personal/T.Vladimirova/LectureSeries/slides2005/SurreyTalk 07Dec2005-RW.pdfhttp://personal.ee.surrey.ac.uk/Personal/T.Vladimirova/LectureSeries/slides2005/SurreyTalk 07Dec2005-RW.pdf [7]http://microelectronics.esa.int/conferences/mesa2010/04_S1_1000_ATMEL_Guy_Mantelet.p dfhttp://microelectronics.esa.int/conferences/mesa2010/04_S1_1000_ATMEL_Guy_Mantelet.p df [8] http://microelectronics.esa.int/amicsa/2010/7am/Agarwal.pdfhttp://microelectronics.esa.int/amicsa/2010/7am/Agarwal.pdf [9] http://smartech.gatech.edu/bitstream/handle/1853/26381/97-168-1-PB.pdf?sequence=1http://smartech.gatech.edu/bitstream/handle/1853/26381/97-168-1-PB.pdf?sequence=1 [10] http://www.msc.de/en/produkte/elekom/3311-www.htmlhttp://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.htmhttp://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.PDFhttp://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.pdfhttp://microelectronics.esa.int/erc32/Hardware%20and%20Documentation%20Status%20of %20the%20ERC32%20Single%20Chip%20i1r1a.pdf [14] http://microelectronics.esa.int/mpsa/MPSA_MP_Atmel.pdfhttp://microelectronics.esa.int/mpsa/MPSA_MP_Atmel.pdf [15]http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070018806_2007018253.pdfhttp://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070018806_2007018253.pdf [16] http://microelectronics.esa.int/mpsa/Astrium-Computer-landscape.pdfhttp://microelectronics.esa.int/mpsa/Astrium-Computer-landscape.pdf [17] http://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_hardeninghttp://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_hardening Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT 22