CC BY
101Окончание. Начало в № 10 2010
Владимир СтЕшЕнко, к. т. н.
steshenko@steshenko.ru
Разработка и производство специализированной ЭкБ для космических применений:
текущее состояние и перспективы развития. Часть 2
Промежуточное положение между технологическими и конструктивными занимают подходы, основанные на незначительной модификации существующей технологии, сочетающие конструкторские и технологические решения. К таким подходам относится и повышение стойкости БИС на основе базовых матричных кристаллов. Как известно [7, 9, 10], наибольшее влияние на КМОП-схемы оказывают поверхностные эффекты на границе кремний — диэлектрик. Под влиянием ионизирующей радиации генерируются электронно-дырочные пары. Положительно заряженные дыры, ввиду их малой подвижности, захватываются в ловушки диэлектрика вследствие его дефектности и неоднородности. С увеличением накопленной дозы протонного излучения космического пространства увеличивается положительный заряд диэлектрика и изменение уровня (сдвиг) порогового напряжения рабочих и паразитных МОП-транзисторов. В большей степени это касается п-транзисторов, управляемых положительным потенциалом.
Таким образом, при использовании стандартных технологий объемного кремния основная задача — получить транзисторы с малым сдвигом порогового напряжения и большим пробивным напряжением. С этой целью используются технологические методы получения подзатворного окисла для улучшения его качества. С уменьшением толщины подзатворного окисла влияние накопленной дозы снижается (именно этим
и объясняются достаточно высокие характеристики по этому параметру СБИС, выполненных по проектным нормам 0,18-0,25 мкм по объемному кремнию), уменьшается сдвиг порогового напряжения, но уменьшается и пробивное напряжение.
В стандартный технологический маршрут вводят отжиг подзатворного окисла при температуре около 900 °С для получения более равномерной и однородной структуры окисла. С повышением температуры отжига сдвиг порогового напряжения увеличивается. Расстояние между охранным кольцом и областью стока влияет на величину напряжения пробоя стока рабочих транзисторов и уровень порогового напряжения паразитных транзисторов. Концентрация носителей в охранном кольце влияет на уровень порогового напряжения паразитных транзисторов. Подобные приемы реализуемы на существующих производственных мощностях, не требуют их кардинальной реконструкции, обеспечивая в то же время необходимые уровни стойкости.
Очевидно, что комбинация всех вышеизложенных подходов позволяет получить высокие качественные характеристики СБИС.
Отдельное внимание следует уделить задаче проведения моделирования эффектов ДФ КП на этапе проектирования СБИС. Применяемые в настоящее время для оценки радиационной стойкости программные продукты (табл. 2) в основном предназначены для моделирования процессов взаимодействия частиц с материалами.
Существующие стандартные средства проектирования и маршруты на их основе в общем случае [3, 4, 15] не предусматривают специальных процедур оценки потенциальной стойкости СФ-блоков и СБИС к ДФ КП. Этот вопрос до сих пор крайне важен и вместе с тем практически не проработан, очевидно, необходима разработка отечественных средств проектирования и моделей. Определенные шаги в этом направлении предприняты в Отраслевом центре проектирования СБИС при участии разработчиков отечественной САПР AVOCAD (коллектив В. Н. Перминова). Отечественная САПР AVOCAD [16, 17, 18] позволяет встраивать заказные модели полупроводниковых элементов для микроэлектроники, в том числе модели элементов, учитывающие влияние ионизирующих излучений космического пространства. В настоящее время в Отраслевом центре проектирования СБИС ведутся работы по интеграции этой системы в единый маршрут проектирования «комплекс — аппаратура — компоненты».
Основным отличием программы схемотехнического моделирования от существующих аналогов является использование оригинальных численных методов, позволяющих эффективно ускорить процесс моделирования, как за счет динамической декомпозиции большой системы нелинейных дифференциальных уравнений на каждом шаге интегрирования, так и за счет распараллеливания вычислений. Основная задача САПР — это сокращение времени проектирования изделий микроэлектроники, а также исправление допущенных ошибок еще до изготовления опытных образцов. Важным преимуществом при использовании системы AVOCAD в России перед импортными САПР является возможность встраивать заказные модели полупроводниковых элементов, в том числе модели с учетом ионизирующих излучений. Встраивание моделей элементов в САПР, как правило, требует тесного взаимодействия разработчиков моделей с разработчиками программы моделирования, что является трудноразрешимой задачей при использовании импортных САПР.
таблица 2. Программные продукты для моделирования процессов взаимодействия частиц с материалами
GEANT-4, MCNPX, CASCADE/INPE Полное моделирование
CASCADE/ASF, ALICE/ASH Моделирование ядро-ядерных взаимодействий в сочетании с моделью Monte Carlo и детерминистическим методом
EMPIRE-II Расчет спектров и сечений
MARLOWE Моделирование радиационных эффектов в материалах, движения частиц и ядер, каскадов смещений методом ВСА
IOTA Моделирование радиационных эффектов в материалах с использованием объединенного метода ВСА и MD
TRIM - Подсчет числа дефектов с использованием метода ВСА
PRECO-2000, TALYS, GNASH/INPE Моделирование нуклон-ядерных взаимодействий и расчет спектров и сечений реакций
CREME96 http://crsp3.nrl.navy.mil/creme96
Space Radiation www.spacerad.com
PRIVET МИФИ
В настоящее время ведутся работы по учету влияния ионизирующего излучения в системе схемотехнического моделирования AVOCAD. В качестве базовой модели выбрана распространенная модель МОП-транзистора BSIM3v3.2.4, в которую внесены следующие дополнения [9, 19]:
• Учтен сдвиг порогового напряжения MOS-транзистора за счет эффекта накопления дырок в окисле при воздействии стационарного ионизирующего излучения (ИИ).
• Учтена деградация подвижности носителей за счет роста количества поверхностных состояний (ПС) на границе кремний — окисел.
• Добавлена система SPICE-параметров (табл. 3).
В качестве примера приведем результаты моделирования ряда параметров МОП-схем с использованием программного пакета AVOCAD. На рис. 8 приведены результаты моделирования входной вольт-амперной характеристики (ВАХ) МОП-транзистора.
На рис. 9 приведены результаты моделирования в режиме. DC (передаточной характеристики инвертора) и в режиме. TRAN (переходных процессов).
Моделирование проводилось для различных значений накопленной дозы ионизирующего излучения [0; 10х103; 50х103; 100х103; 200х103; 300х103; 500х103; 1х106; 1,5х106 рад].
Полученные результаты позволяют говорить о возможности создания маршрута проектирования СБИС, учитывающего их поведение в условиях воздействия ДФ КП еще на этапе проектирования. Совместно с использованием специальных схемотехнических приемов такой подход позволяет значительно снизить число итераций при отработке схемотехники и уменьшить стоимость разработки.
Основная проблема, с которой всегда сталкиваются разработчики и производители ЭКБ для космических применений, пытаясь соединить «лед и пламень», — это обеспечение малой серийности при большой номенклатуре.
Большая номенклатура изделий влечет необходимость применения большого числа технологических процессов, которые обеспечиваются дорогостоящим технологическим оборудованием, сырьем, материалами, необходимостью непрерывного обслуживания и т. п. Учитывая крайне малую серийность большинства изделий, следует предусмотреть подходы, позволяющие обеспечить унификацию типовых решений.
Прежде всего, следует различать аппаратуру служебных и целевых систем космических аппаратов, а также четко понимать ориентировочную серийную потребность в изделиях. Как уже отмечалось выше, к аппаратуре служебных систем космических аппаратов относятся системы телеметрии, командноизмерительные системы, системы электропитания. Учитывая, что большинство аппаратов
Таблица 3. SPICE-параметры, учитывающие влияние ДФ КП
Название параметра Значение по умолчанию Описание
RADMOD 0 Селектор формул
NitOmega 8х10-13 В/рад Коэффициент для расчета плотности ПС
NitSat 1х1012 В/рад Коэффициент для расчета плотности ПС
NitXi 2х10-7 В/рад Коэффициент для расчета плотности ПС
Tid 0 рад Накопленная доза
T0d 34 с Временная постоянная формирования ПС
t0d 250 с Временная постоянная отжига заряда в окисле
TaI 3600 с Время, прошедшее после облучения
K2d 0,1 Коэффициент отжига дырок
TidVG 5 В Смещение транзистора во время облучения
Kid 5х10-6 В/рад Коэффициент для расчета сдвига V* (RADMOD = 2)
K4d 1х10-6 В/рад Коэффициент для расчета сдвига V* (RADMOD = 0|3)
Ka 1х10-10 Коэффициент для расчета сдвига V* (RADMOD = 0|1)
Kb 1х10-5 Коэффициент для расчета сдвига V* (RADMOD = 0|1)
Рис. 8. ВАХ п-МОП транзистора при различных уровнях накопленной дозы ИИ
Рис. 9. Передаточная характеристика инвертора при различных уровнях накопленной дозы ИИ
строятся на базе типовых платформ, можно говорить о том, что аппаратура служебных систем в известной степени унифицирована и выполняет одни и те же функции, независимо от целевой задачи аппарата: так, телеметрия не зависит от того, выполняет ли аппарат функции дистанционного зондирования, связи или навигации. Кроме того, спутниковые платформы живут долго, следовательно, жизненный цикл приборов служебных систем и компонентов для них также должен быть обеспечен в течение длительного срока, имеется определенная серийность, составляющая суммарно сотни и даже тысячи приборов. С другой стороны, к аппаратуре служебных систем, как правило, не предъявляются сверхтребования по скорости обработки информации, производительности и т. п. Таким образом, для реализации компонентов аппаратуры служебных систем не нужны глубокие субмикронные технологии.
В свою очередь рассмотрим аппаратуру целевых систем. Как правило, она уникальна для каждого аппарата. Особенно ярко это проявляется в аппаратуре межпланетных космических аппаратов. В этом случае говорить о серийности не приходится: потребность по каждому типономиналу вряд ли составит более нескольких десятков штук.
Определенную серийность имеет целевая аппаратура спутниковых систем связи и навигации, состоящих из достаточно большого числа аппаратов, таких как ГЛОНАСС, «Гонец» и т. п. Здесь уместно привести те же рассуждения, что и относительно аппаратуры служебных систем, за исключением того, что к такой аппаратуре часто предъявляются достаточно высокие требования по быстродействию и производительности вычислительных узлов.
Посмотрим на проблему с точки зрения технологической реализуемости такой аппаратуры на отечественных производственных мощностях. Их состояние в настоящий
момент хорошо известно, неоднократно освещалось в СМИ. По большому счету, с точки зрения проектирования и производства сейчас доступны 0,8-, 1,5-, 3-км технологии на ОАО «НИИМЭ и Микрон», ОАО «Ангстрем», ГК «НПК «Технологический центр МИЭТ», минском «Интеграле», имеется ряд кремниевых производств на предприятиях Минпромторга и Роскосмоса. Отрадное событие — заявленная 3 декабря 2009 года готовность ОАО «НИИМЭ и Микрон» к размещению заказов на производство как тестовых кристаллов, так и серийных партий изделий по быстродействующей кремниевой технологии 0,18 мкм. К чести руководства ОАО «НИИМЭ и Микрон», они оперативно отреагировали на запрос Отраслевого центра проектирования СБИС ОАО «Российские космические системы» и предоставили необходимую информацию о возможности и стоимости изготовления СБИС по субмикронным проектным нормам. Получение библиотек и правил проектирования возможно при заключении соглашения о конфиденциальности и не вызывает проблем. В перспективе — внедрение к 2011-2012 гг. технологии 90 нм.
Что касается ОАО «Ангстрем», то там идет работа по монтажу технологического оборудования, и есть надежда, что к 2011-2012 гг. будет доступен техпроцесс с проектными нормами 0,13 мкм. Библиотеки и правила проектирования также можно получить уже сейчас при заключении соответствующего соглашения.
Таким образом, можно сформулировать следующий принцип относительно производства ЭКБ космического применения на российской технологической базе (рис. 10): в ближайшей перспективе (до 2015 г.) возможен переход на преимущественное использование отечественной ЭКБ в аппаратуре служебных систем КА. Что касается аппаратуры целевых систем, то там еще долго будет использоваться значительная доля ЭКБ зарубежного производства, причем зачастую индустриального уровня качества (в силу отсутствия ЭКБ космического уровня качества, обеспечивающей требуемые функциональные характеристики: быстродействие, логическая емкость, объем памяти и т. п.). И разработчикам аппаратуры надо понимать эту ситуацию при формировании заявок и перечней на разработку ЭКБ.
Несмотря на то, что в России появляются первые субмикронные производства, следует отдавать себе отчет в том, что ряд технологий в ближний и среднесрочный период не появится. Достаточно проанализировать текст ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы (www.fasi.gov.ru), чтобы понять, что в ближайшие 5-10 лет не следует ожидать появления технологий радиационно-стойкой памяти большой емкости, флэш-памяти, технологий ПЛИС типа ап^ше и т. п. Это означает, что при проектировании аппаратуры необходимо разумное сочетание отечественной и импортной ЭКБ, а при формировании номенклатуры следует учитывать текущие возможности и перспективы развития микроэлектронных производств.
Соответственно, при планировании работ по проектированию и производству ЭКБ, предназначенной для использования в высоконадежных применениях, можно построить кооперационную схему по принципу «фаун-
Рис. 11. Кооперация при разработке и производстве специализированной ЭКБ космического применения
дри». При этом разработка и финальные операции сборки и испытаний остаются за отечественным производителем, а производство кристаллов осуществляется либо на российских фабриках, либо за рубежом (рис. 11).
Определенные шаги в этом направлении предпринимает Отраслевой центр проектирования специализированных СБИС при ОАО «Российские космические системы» (дизайн-центр). Подразделение создано в 1986 году с целью разработки и производства специализированных БИС для аппаратуры предприятия. Оно функционирует в соответствии с приказом генерального директора Российского авиационнокосмического агентства от 11 марта 2003 года № 27 и Положением об отраслевом дизайн-центре. Центр создан для обеспечения потребностей предприятий Роскосмоса в специализированных СБИС.
За время существования дизайн-центра разработано более 100 типов БИС для аппаратуры предприятия и более 50 типов БИС для аппаратуры сторонних предприятий (ОАО «ИРЗ», ФГУП «НИИ ТП», ОАО «Раменское ПКБ» и др.)
Ежегодно (данные на конец 2009 года) для аппаратуры РН и КА поставляется до 20 000 специализированных БИС, для аппаратуры в интересах предприятий авиационной промышленности — более 8000 БИС, до 40 000 защитных диодов для солнечных батарей по заказу ФГУП «Квант».
Подразделение имеет оригинальные разработки собственных маршрутов проектирования и верификации СБИС.
Центр проектирования СБИС обеспечивает разработку БИС и СБИС, в том числе по субмикронным технологиям, с использованием мощностей отечественных и зарубежных производств.
Наличие аппаратных отладочных средств позволяет проводить отработку функциональных возможностей СБИС до этапа физической реализации, что снижает риск выхода негодной продукции и позволяет корректировать техническое задание в зависимости от полученных промежуточных результатов на ранних этапах разработки.
Производственный комплекс Отраслевого центра проектирования специализированных СБИС (рис. 12) имеет возможности по изготовлению фотошаблонов и полупроводниковых структур, производит бескорпус-ную сборку и сборку в металлокерамические корпуса. Комплекс оснащен оборудованием для химической обработки, фотолитографии и физико-термических процессов. Вся производимая продукция проходит функциональный контроль и испытания.
Отраслевой центр проектирования специализированных БИС оказывает услуги по разработке БИС на основе базовых матричных кристаллов (БМК) и изготовлению как опытных партий (20-50 шт.), так и их серийное производство.
Рис. 12. Производственный комплекс Отраслевого центра проектирования специализированных СБИС: а) фотолитография; б) химическая обработка; в) плазмохимическое травление; г) тестирование; д) физико-термические процессы; е) сборка
В Отраслевом центре проектирования СБИС разработан ряд СФ-блоков, в частности процессорные ядра, АЦП, контроллеры памяти, интерфейсов и видеоконтроллеры.
Таким образом, становится очевидной необходимость единого методического и программно-аппаратного обеспечения процесса проектирования и производства специализированных СБИС. Такой подход мы назовем платформенным принципом проектирования. В современной российской электронике нет четкого определения понятия «аппаратная платформа». В общем случае в платформах СБИС типа «система на кристалле» (СнК) должны содержаться как минимум процессорное ядро, контроллер памяти, универсальный асинхронный приемопередатчик, таймер, схема обеспечения безопасности, универсальные средства ввода/вывода с открытой шинной архитектурой для связывания всех элементов между собой, например, на базе шины AMBA или Wishbone.
Платформенный подход к проектированию предполагает использование единой среды проектирования. Единая среда проектирования «комплекс - аппаратура - компоненты» — это технология создания систем и комплексов на основе перспективных микроэлектронных технологий с учетом специализации компонентов под решение конкретных целевых задач аппаратуры и комплексов.
Данная технология предусматривает применение методов систематического повторного использования стандартных высокоинтегрированных сертифицированных СФ-блоков и платформенного подхода к проектированию и производству аппаратуры. Она характеризуется высокой степенью унификации проектных решений, нормативной базой и возможностью контроля качества на любом этапе разработки, производства и эксплуатации. Преимущества такого подхода:
• Значительное сокращение сроков и стоимости разработки сложных систем при сохранении высокой функциональности за счет использования методологии систематического повторного использования СФ-блоков и унифицированных аппаратных платформ.
• Гибкость при решении нестандартных задач за счет возможности наращивания физических интерфейсов и программного обеспечения.
• Улучшение массо-габаритных характеристик аппаратуры, построенной на базе СБИС аппаратных платформ.
• Аппаратная верификация алгоритмов на всех стадиях разработки проекта. Предлагаемая методика проектирования
предусматривает инвариантность к используемым библиотекам, обеспечивая возможность миграции проекта.
Рис. 13. Персональный эмулятор ZeBu-ZV компании EVE
Одной из основных задач при проектировании СнК становится совместная верификация программного и аппаратного обеспечения, а также отработка функционирования СнК в составе прибора, комплекса. Для этих целей применяются специализированные аппаратурные решения — платформы для верификации.
На мировом рынке аппаратных платформ для верификации уже наметилось несколько лидеров. Одна из первых разработок — пер-
сональный эмулятор ZeBu-ZV компании EVE (рис. 13). Архитектура ZeBu-ZV такова, что эту платформу могут использовать как разработчики аппаратуры, так и разработчики ПО.
Ресурсы эмулятора представлены логической емкостью до 1,5 млн ASIC эквивалентных вентилей, системной памятью объемом 128 Мбит и производительностью до 12 МГц. Эта модель идеальна для верификации отдельных логических блоков, IP-блоков, небольших проектов, реализуемых в FPGA или ASIC. Эмулятор реализован в виде стандартной PCI-платы, вставляемой непосредственно в настольный PC, с возможностью интеграции с популярными логическими симуляторами и средствами синтеза. Интерфейс внутрисхемной эмуляции ICEPod позволяет подключить эмулятор к целевой системе или IP-ядру с использованием 744 контактов входа/выхода. Эмулятор также имеет возможность подключения популярных программных отладчиков через 16-контактный интерфейс SmartICE или виртуальный JTAG-транзактор.
Для аппаратной верификации систем на базе процессора LEON существуют аппаратные платформы компаний Surrey Space Centre и Astrium SAS (рис. 14).
Начинает формироваться и отечественный сегмент средств аппаратной верификации. Для обеспечения полной верификации и прототипирования СБИС и аппаратной верификации СФ-блоков используется аппаратная платформа DS-E-4000 (разработка НПП «Цифровые решения», www.dsol.ru), структурная схема которой приведена на рис. 15, а конструкция — на рис. 16.
В развитие решений аппаратурной верификации специализированных СБИС в Отраслевом центре проектирования СБИС разработан специализированный унифицированный электронный модуль (УЭМ), который предназначен для программно-аппаратной верификации СБИС и СФ-блоков РЭА высокоскоростной обработки и передачи потоков данных.
В состав УЭМ входят (рис. 17):
• четыре электронных узла сбора и обработки данных (УЭСОД);
• вторичный источник питания (ВИП);
• электронный узел коммутации (УЭК).
Г енератор 24 МГц
Датчик
температуры
Разъем
JTAG
Разъем
RG45
Разъем
DB9
Генератор 50 МГц
SSRAM 18 Мбит
NOR Flash 64 Мбит
DDR SDRAM 512 Мбит
Configuration Flash
10/100/1000
Ethernet
RS-232
-3- LVDS—>TTL
Разъем
USB
Разъем
питания
FPGA
SPARTAN3
XC3S4000
Светодиод
Переключатель
SWD4-4
CPLD
Супервизор
питания
-3x2-
Isolated
RS-485
ISO DC/DC
A I
5 В 3,3 В J----I-1X2
PLD2-80, шаг 2 мм
Количество связей между разъемами PLD2-80 и FPGA равно 129
о-
«5В*
Рис. 15. Структурная схема аппаратной платформы DS-E-4000
Вторичный
источник
питания
(ВИП)
о
£ +
Q и 1- О
Р
2 U
О
О
С/5
О
>
О
О
03
а:
\
ОТ
О
>
О
о
от
О
>
О
о
от
о
>
і і
Узел электронный коммутации (УЭК) Шина CAN
і і і і і Шина і і і
і і і Системная і MIL-STD-1553 і L і і
24 В 1 шина LVI )S і і і і і
f 1 J } ' } і } 7 Г ' і } 7 Г 1 1 Г ' г ’ г 1 г 1 і } г
Узел Узел Узел Узел
электронный электронный электронный электронный
сбора сбора сбора сбора
и обработки и обработки и обработки и обработки
данных данных данных данных
(УЭСОД) (УЭСОД) (УЭСОД) (УЭСОД)
Рис. 17. Структурная схема УЭМ
УЭСОД связаны между собой системной шиной LVDS, а также шинами MIL-STD-1553 и CAN, имеющими 1 основной и 1 резервный канал. Подключение внешних устройств к УЭСОД осуществляется по ши-
Электронный узел сбора и обработки данных в качестве составной части УЭМ непосредственно обеспечивает программноаппаратную верификацию СБИС и СФ-бло-ков, обработку и передачу потоков данных.
Конструктивно УЭСОД выполнен по типоразмеру 6U (233,35x160 мм) стандарта МЭК 60297 (евромеханика 19").
УЭСОД обеспечивает поддержку интерфейсов, представленных в таблице 4.
Кроме того, УЭСОД имеет видеовыход в формате DVI Single Link. Структурная схема УЭСОД приведена на рис. 18, а конструкция — на рис. 19.
Центр проектирования СБИС обеспечивает разработку и производство СБИС, в том числе по субмикронным технологиям, с использованием мощностей отечественных и зарубежных производств. В Отраслевом
нам MIL-STD-1553, CAN и, в зависимости от выбранной конфигурации, по одной из трех возможных: LVDS, RS-485 или DIO. Питание на УЭСОД подается с ВИП через УЭК.
Таблица 4. Интерфейсы, поддерживаемые УЭСОД
Физический интерфейс Количество физических драйверов
MIL-STD-1553 основной 1
MIL-STD-1553 резервный
CAN основной 2
CAN резервный
LVDS двунаправленный 16
USB 2.0 1
Ethernet 1
DVI 1
RS-232 1
хз
HL1.HL2
SW1
Типоразмер 6U 233,35x160 мм
SSRAM
а А
Разъем
DVI-29FR
Разъем
USBA-1J
Разъем JTAG PLD2-14R
Разъем JK 0654219 NL
Драйвер
10/100/1000
Ethernet
Разъем
DRB-9FA
Драйвер
RS-232
NOR Flash
n n
□DR SDRAM
Configuration Приемопередатчик
Flash MIL-STD-1553
DVI- Драйвер
передатчик —16-^ LVDS<—>LVTTL
I
Драйвер Приемопередатчик
USB 2.0 CAN
FPGA
Светодиод
L-3WEGW
x2
Тактовый генератор 24 МГц
a a
Переключатель ВДМ 1-8
Тактовый генератор 50 МГц
* ^ І 5
к О. Й Ф ^ і
х16
х2
Х8, Х9
Х10.Х11
! в сЬ
Ї > СО
о О Q-
" . 2
о о
-3,3 В -
х2 xf=
Супервизор
питания
Преобразователь
питания
1 В 2,5 В 3,3 і і
Разъем PLD-40
ir ir
A
24 В ▼
Винтовая
колодка
ED500V-02P
Х14
Разъем PLD-40
Х13
Х5
Хб
Рис. 18. Структурная схема УЭСОД
Блок контроллера Ethernet Модуль отладки DSU Блок контроллера VGA
Блок контроллера CAN
Блок контроллера шины АМВА
^ ~^г:' Блок контроллера MILSTD
процессорное ядро . ■ .* ~ "
■— iiiHnBE- ^ Блок АЦП
■1:
центре проектирования СБИС разработан ряд СФ-блоков, в частности процессорные ядра, АЦП, контроллеры памяти, интерфейсов и видеоконтроллеры. В настоящее время в Отраслевом центре разработаны, изготовлены и проходят испытания опытные образцы СБИС типа СнК контроллера наземной и бортовой аппаратуры, выполненной по проектным нормам 0,18 мкм (рис. 20).
Разработанная СБИС имеет в своем составе следующие СФ-блоки:
• 32-разрядное процессорное ядро с архитектурой SPARC V8;
• модуль отладки;
• 2 контроллера интерфейса MIL-STD-1553 (1 основной, 1 резервный);
• 2 контроллера интерфейса CAN (1 основной, 1 резервный);
• пользовательский интерфейсный контроллер;
• контроллер интерфейса USB 2.0;
• контроллер интерфейса Ethernet MAC;
• SVGA-видеоконтроллер;
• модуль интерфейса UART (с функцией отладки);
• контроллер памяти;
• контроллер шины AMBA;
• мост AMBA AHB/APB;
• таймеры;
• контроллер прерываний;
• контроллер портов общего назначения;
• цифровой блок сигма-дельта АЦП;
• системный контроллер.
Взаимодействие между СФ-блоками осуществляется по шине AMBA.
На базе разработанной базовой СБИС контроллера планируется создание модельного ряда специализированных СБИС для применения в унифицированных узлах служебной аппаратуры КА с ориентацией на серийное производство на российских технологических мощностях (ОАО «НИИМЭ и Микрон»). Подобные решения позволяют реализовать замещение СБИС импортного производства и снизить стоимость аппаратуры, обеспечить упрощение всего цикла производства за счет сокращения номенклатуры применяемых компонентов, обеспечить повышение надежности систем и срока службы приборов и систем.
Рис. 20. Разработанная СБИС
Конечно, в рамках одной статьи практически невозможно охватить все аспекты проектирования и производства специализированной ЭКБ для аппаратуры РКТ. За рамками статьи остались вопросы проектирования аналоговых схем, автор намеренно не делал акцент на проведении испытаний и вопросах комплектования аппаратуры. Не рассмотрены маршруты проектирования и нормативная документация — это предмет отдельного обсуждения. ■
Литература
1. Басаев А. С., Гришин В. Ю. Космическое приборостроение: главное — правильная концепция // Электроника: НТБ. 2009. № 8.
2. Хартов В. Космические проблемы электроники: перед употреблением — взболтать // Электроника: НТБ. 2007. № 7.
3. Стешенко В., Руткевич А., Гладкова Е., Шишкин Г., Воронков Д. Проектирование СБИС типа «система на кристалле». Маршрут проектирования. Синтез схемы // Электронные компоненты. 2009. № 1.
4. Стешенко В. Б., Руткевич А. В., Бумагин А. В., Гулин Ю. Ю., Воронков Д. И., Гречищев Д. Ю., Евстигнеева Е. В., Синельникова М. В. Опыт разработки СБИС типа СнК на основе встроенных микропроцессорных ядер // Компоненты и технологии. 2008. № 9.
5. Бухтев А. А. Методы и средства проектирования систем на кристалле // Chip news. 2003, № 4.
6. Koons H. C. et al. The impact of the space environment on space systems // Aerospace Technical Report. TR-99 (1670). 1999. No 1.
7. Чумаков А. И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М.: Радио и связь, 2004.
8. Осипенко П. Одиночные сбои — вызов для современных микропроцессоров // Электронные компоненты. 2009. № 7.
9. Никифоров А. Ю., Телец В. А., Чумаков А. И. Радиационные эффекты в КМОП интегральных схемах. М.: Радио и связь, 1994.
10. Ionizing radiation effects in MOS devices & circuits. Ed. by Ma T. P. and Dressendorfer P. V. John Wiley and Sons, 1989.
11. Zebrev G. I., Pavlov D. Y., Pershenkov V. S., Nikiforov A. Y., Sogoyan A. V. et al. Radiation response of bipolar transistors at various irradiation temperatures and electric biases: modeling and experiment // IEEE Trans, on Nuclear Science. 2006. Vol. 53. No 4.
12. Lacoe R. CMOS scaling, design principles and hardening-by-design methodologies // 2003 IEEE NSREC. Short Course. Radiation effects in advanced commercial technologies: How design scaling has affected the selection of space borne electronics. July 2003. Monterey, California.
13. Oldham T. R. How device scaling affects single event effects sensitivity // 2003 IEEE NSREC. Short Course. Radiation effects in advanced commercial technologies: how design scaling has affected the selection of space borne electronics. July 2003. Monteray, California.
14. Руткевич А., Стешенко В., Шишкин Г. Само-синхронная электроника: направления развития // Электроника: НТБ. 2009. № 8.
15. Рабаи Ж. М., Чандракасан А., Николич Б. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования / Пер. с англ. М.: ООО «ИД Вильямс», 2007.
16. Казеннов Г. Г., Кокин С. А., Макаров C. В., Перминов В. Н., Перминов Д. В. Системы схемотехнического моделирования AVOCAD. Проектирование аналого-цифровых систем на кристалле // Электроника: НТБ. 2004. № 5.
17. Перминов В. Н., Жуков А. В., Дубровин С. А., Макаров С. В. AVOCAD + САПР СБИС компаний Cadence и Synopsys. Интеграция на основе технологии многоязыковых трансляторов и объектных баз данных // Электроника: НТБ. 2005. № 4.
18. Кокин С. А., Перминов В. Н., Макаров С. А. Современные технологии схемотехнического моделирования. Система AVOSpice компании UniqueICs // Электроника: НТБ. 2007. № 5.
19. Paran P., Tu H. R., Minami R. Eric., Lum G., Ko K. Ping, Hu Ch. A Complete Radiation Reliability Software Simulator // IEEE Tran. On Nuclear Science, Vol. 41, No. 6. Dec., 1994.
20. Телец Б., Цыбин С., Быстрицкий А., Подъ-япольский С. ПЛИС для космических применений. Архитектурные и схемотехнические особенности // Электроника: НТБ. 2005. № 6.
