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CRISTINA CALZADILLA
GUTIÉRREZ
Microprocesadores aplicados a
sistemas espaciales
5º ETSIT
Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
ÍNDICE
1.
Radiation Hardened Processors
Protección de los sistemas electrónicos
 RHESE

2.
3.
High-reliability space systems
Microprocesadores de la ESA





4.
ERC32
TSC695
LEON-1
LEON-2
LEON2-FT
COTS (Comercial Off The Shelf) basados en
aplicaciones espaciales.
2
Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
RADIATION HARDENED PROCESSORS


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

3
Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
RADIATION HARDENED PROCESSORS
4
Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
RADIATION HARDENED PROCESSORS:
PROTECCIÓN DE LOS SISTEMAS ELECTRÓNICOS


Blindajes
Basados en la arquitectura:


Basados en el diseño:


Configuración redundante
Implementando circuitos de detección y corrección de
errores
Basados en el proceso de fabricación:

Empleando materiales específicos
5
Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
RADIATION HARDENED ELECTRONICS FOR
SPACE ENVIRONMENTS (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) .
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
HIGH-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.

7
Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
MICROPROCESADORES DE LA
I
II
III
IV
Fecha
Principios de los
90
Mediados de los
90
Finales de los 90
Principios del
siglo XXI
Prototipo
MA3750
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 datos
16-bit
32-bit SPARC V7
32-bit SPARC V7
32-bit SPARC V8
MIPS frecuencia
2 MIPS - 16 MHz
10 MIPS -14 MHz
20 MIPS-25 MHz
85 MIPS -100
MHz
Aún bajo
producción
Obsoleta
Obsoleta
Prototipos
disponibles desde
abril de 2005
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
MICROPROCESADORES DE LA
Capacidad del cómputo de los microprocesadores de la
ESA medido en millones de instrucciones por segundo
(MIPS)
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
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.
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
ERC32 2/2
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
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
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
TSC695 2/2
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
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.

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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
LEON-1 2/2
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
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.
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
LEON-2 2/2
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
LEON2-FT
Desarrollado por Atmel para la ESA, el LEON2FT.
 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
MeV/mg/cm2.


encima
de
80
La disponibilidad bajo la licencia de la ESA
también permitió el desarrollo de sistemas on-
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
COTS (COMERCIAL OFF THE SHELF)
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.
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
COTS (COMERCIAL OFF THE SHELF)
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.
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Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
LÍMITES 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.
21

Memoria caché: sensible a fallos SEU.
Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales – 5º ETSIT
REFERENCIAS
[1] http://www.esa.int/esaCP/index.html
[2] http://www.esa.int/TEC/Microelectronics/
[3]http://esamultimedia.esa.int/docs/industry/ISD2006/Presentations/3_R&D_ESA_Microproce
ssors_AL-Pouponnot.pdf
[4]http://microelectronics.esa.int/mpsa/GeneralPurposeStandardMicroprocessors-PresMPSA.pdf
[5] http://microelectronics.esa.int/components/comppage.htm
[6]http://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
df
[8] http://microelectronics.esa.int/amicsa/2010/7am/Agarwal.pdf
[9] http://smartech.gatech.edu/bitstream/handle/1853/26381/97-168-1-PB.pdf?sequence=1
[10] http://www.msc.de/en/produkte/elekom/3311-www.html
[11] http://www.electronicsweekly.com/Articles/2010/03/31/48331/freescale-64k-processors-tobe-supplied-by-e2v.htm
[12] http://www.dateconference.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.pdf
22
[14] http://microelectronics.esa.int/mpsa/MPSA_MP_Atmel.pdf
[15]http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070018806_2007018253.pdf
[16] http://microelectronics.esa.int/mpsa/Astrium-Computer-landscape.pdf
[17] http://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_hardening