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Strahlungstolerante FPGAs für die Raumfahrt

01. September 2021, 08:00 Uhr   |  Julian Di Matteo

Strahlungstolerante FPGAs für die Raumfahrt
© Microchip

Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen FPGA-Technologien für Raumfahrt-Anwendungen und den zugehörigen Komponenten-Entwicklungsprozess.

Entwickler von Satelliten- und Raumfahrtsystemen haben mehrere Möglichkeiten bei der Auswahl von FPGA-Halbleitern (Field Programmable Gate Arrays). Eine FPGA-Option sind kommerzielle Standardkomponenten (Commercial Off-The-Shelf - COTS). Diese reduzieren Stückkosten und Vorlaufzeit, sind aber in der Regel nicht zuverlässig genug, erfordern ein Up-Screening (was Kosten und technischen Aufwand erhöht) und benötigen weiche und harte dreifache modulare Redundanz (Triple Modular Redundancy - TMR), um Strahlungseffekte im Weltraum zu minimieren. Bei Missionen, bei denen ein Ausfall nicht in Frage kommt, entscheiden sich Entwickler meist für teurere FPGAs, die per Design strahlengeschützt sind (Radiation-Hardened by Design - RHBD) und bereits nach den Standards der Qualified Manufacturers List (QML) Klasse Q und V gescreent und qualifiziert sind. QML Klasse V ist der höchste Qualifikationsstandard für Halbleiter in der Raumfahrt. Bemannte und sicherheitskritische Missionen setzen auf QML-V-Komponenten, um das Ausfallrisiko zu verringern.

Raumfahrtsysteme müssen in zunehmendem Maße eine anspruchsvolle Kombination aus höherer Leistung und größeren Datenverarbeitungs- sowie Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsfähigkeiten erfüllen. Strahlungstolerante (Radiation-Tolerant) RT-FPGAs sind von Haus aus vor Strahlung geschützt und stützen sich auf die Erfahrung und das Know-how des Herstellers im Bereich der Raumfahrt sowie auf QML Class V-geprüfte Lösungen. Der vorliegende Artikel befasst sich mit den verschiedenen FPGA-Technologien für Raumfahrtanwendungen und dem Prozess zur Entwicklung der Komponenten.

Strahlungseffekte im Weltraum

RT-FPGAs benötigt man, weil COTS-Komponenten nicht vor den verschiedenen Strahlungseffekten im Weltraum geschützt sind, die die Leistung eines integrierten Schaltkreises beeinträchtigen oder zu dessen Ausfall führen können.

Einer dieser Strahlungseffekte ist die TID (Total Ionizing Dose), die durch die Strahlung von geladenen Teilchen und Gammastrahlen im Weltraum verursacht wird. Diese Strahlung setzt Energie frei, indem sie eine Ionisierung im Material verursacht. Die Ionisierung kann die Ladungsanregung, den Ladungstransport, das Bonding und die Zerfallseigenschaften des Materials verändern, und hat einen negativen Einfluss auf die Parameter des Bausteins. Die TID ist die kumulative ionisierende Strahlung, die ein elektronischer Baustein über einen bestimmten Zeitraum erhält, normalerweise die Missionsdauer. Der dadurch verursachte Schaden ist abhängig von der Strahlungsmenge und wird in der absorbierten Strahlungsdosis (RAD) ausgedrückt. Je nach Strahlungstoleranz für TID kann es zu Funktions- oder Parameterversagen im Baustein kommen. Zu den typischen durch Strahlung beeinträchtigten Parametern in FPGAs gehört die Zunahme der Signallaufzeit, was die Baustein-Leistung vermindert. Ein weiterer Ausfallmechanismus sind höhere Leckströme nach einer hohen TID-Belastung.

Ein anderer Typ von Strahlungseffekt sind Single-Event-Effekte (SEEs). Hierbei handelt es sich um plötzliche Störungen, Transienten oder dauerhafte Schäden aufgrund von Teilchenstrahlung wie Protonen, schweren Ionen und Alphateilchen, die empfindliche Bereiche des Transistors treffen und verschiedene Ausfälle verursachen können. Es gibt verschiedene Formen von SEEs, darunter Single Event Upsets (SEUs); diese treten auf, wenn hochenergetische ionisierende Teilchen wie schwere Ionen, Alphateilchen oder Protonen einen Schaltkreis treffen oder eine integrierte Schaltung durchdringen. Dies verursacht Störungen in der Systemlogik.

Ebenfalls problematisch ist ein Single Event Latch-Up (SEL), ein Zustand, bei dem die Funktionalität des Bausteins aufgrund eines durch ein einzelnes Ereignis ausgelösten Hochstromzustands verloren geht. Ein SEL kann destruktiv sein, muss aber nicht. Bei einem destruktiven Latch-up-Ereignis sinkt der Strom nicht wieder auf den Nennwert. Bei einem nicht-destruktiven Latch-up-Ereignis kehrt der Hochstrom nach einem Aus- und darauf folgenden erneuten Einschalten des FPGAs auf den Nennwert zurück.

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1. Strahlungstolerante FPGAs für die Raumfahrt
2. FPGA-Technologien im Vergleich

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