Микроэлектроника в нашу повседневную жизнь пришла, пройдя суровые натурные испытания в космосе и системах управления оружием. Переход из одного «сословия» в другое сопровождался качественными изменениями. Упрощения коснулись не только конструктивных деталей, но и архитектуры схемных решений, их топологии. Сегодня мы вкратце рассмотрим, чем микросхемы для военной техники и космоса отличаются от бытовых аналогов, даже если они работают по схожим алгоритмам.
Суровые условия эксплуатации
Повышенные требования к военной и космической радиоэлектроники диктуются особыми условиями их эксплуатации. Они чрезвычайно жесткие. Основными дестабилизирующими факторами являются:
- Механическое воздействие.
- Электромагнитное излучение.
- Ионизирующее излучение и радиация.
- Бомбардировка микрочастицами.
Механические перегрузки испытывают не только ракеты, но и их носители. Во время запуска на орбиту они достигают 3-4 G. При этом он обязательно сопровождается вибрациями. Это может вызвать разрушение и самих кристаллов процессоров, и печатных плат, на которых они смонтированы. Техника, которая эксплуатируется в атмосфере, также подвергается воздействию влаги, в том числе имеющей агрегатное состояние мелкодисперсной взвеси, способной проникать в мельчайшие, не превышающие размеров молекул, щели.
Существенно расширен и температурный диапазон, в котором должна работать военная и космическая техника. На орбите температура может опускаться до значений, близких к абсолютному нулю, что ведет к изменениям в кристаллической структуре вещества. А трение быстро движущихся тел в газовой среде способно привести к их разогреву до точек начала плавления оболочки. Электроника же при этом обязана работать штатно и безаварийно.
Ракеты, летательные аппараты (самолеты, вертолеты, БПЛА), наземные и морские системы управления во время выполнения поставленных задач подвергаются интенсивному электромагнитному воздействию, которое различается по уровню, а также широте спектра. Это может быть облучение как собственными радиоэлектронными средствами для наведения на цель, так станциями радиоэлектронной борьбы (РЭБ) противника. Такое воздействие вызывает накопление статического электричества, ведущего к электрическому пробою между цепями схем и их выходу из строя.
Одной из особенностей эксплуатации микроэлектроники военного и аэрокосмического назначения является возможность воздействия ионизирующего излучения, в более широком понимании этого слова упоминающаяся как радиоактивность. Да, ракеты и системы наведения оружием должны нормально работать в условиях применения противником ядерного оружия, использование которого сопровождается электромагнитным импульсом и выбросом элементарных частиц, а также осколками ядер атомов после их деления. В открытом космосе радиоактивность вообще является штатной, обычной ситуацией. Поэтому защита электронных схем от нее является обязательным условием, без которых их эксплуатация невозможна.
Для учета этих факторов применяется особое конструктивное исполнение микросхем. Например, для изготовления печатных плат используется металлокерамика. А корпуса выполняются из материалов, имеющих экранирующие свойства. Кроме того, разрабатываются особые схемные решения, топология которых позволяет дублировать наиболее значимые цепи без увеличения габаритов изделия.
Военно-космические микропроцессоры SPARC
Европейское аэрокосмическое агентство (ESA) с 1990 года разрабатывает микрочипы, используя масштабируемую архитектуру SPARC. В настоящее время используются две версии – V8 и V9. Первая для чипов на 32 бита, вторая для микропроцессоров на 64 бита.
Эту технологию используют две компании:
- Amtel.
- Aeroflex.
Amtel изготавливает микропроцессоры на ядре LEON 2FT. А Aeroflex использует другую версию, которая не имеет принципиальных отличий – LEON3FT.
Amtel
Наиболее свежая разработка – процессоры AT697E. Они производятся по КМОП-технологии с плотностью размещения элементов 180 нм. Быстродействие до 100 МГц.
Его особенностью является использование схемы тройного резервирования триггеров с возможностью «голосования». Что позволяет существенно снизить одиночные сбои при работе в режиме нерегулярной управляющей логики.
Эти микросхемы могут работать в условиях открытого космоса без отсутствия тиристорного эффекта. Частота сбоев снижена до 10-5 в сутки.
Aeroflex
Применяемое этой компанией ядро LEON 3FT имеет большее число стадий конвейера, чем версия 2FT – семь, а не пять. Кроме того, оно поддерживает мультипроцессорную архитектуру. Производимые ею ПЛИС (программируемые логические схемы)обладают радиационной стойкостью. Они промаркированы индексом RTAX2000S.
Существует 8 типов микропроцессоров LEON3FT-RTAX, используемых в военных целях и для аэрокосмической отрасли. Они отличаются количеством блоков умножения и деления, арифметических процессоров и количеством каналов SpaceWire.
Международная и отечественная система классификации микросхем
Для упрощения определения пригодности микросхем к использованию в тех или иных условиях, в Европе разработана специальная система их классификации. Она не является всеобъемлющей и категоричной, существуют модели так называемого двойного назначения. В ней всего три вида чипов:
- Commercial.
- Industrial Military.
- Space.
К категории Commercial относится вся микроэлектроника, к условиям эксплуатации которой не предъявляется особых требований. Они могут работать при умеренных механических нагрузках. Например, в станках, автомобилях и специальной технике, носимой электронике. Степень их защищенности от пыли и влаги определяется обычным стандартом IP. А температурный режим находится в пределах от 0 до 75 0С.
Industrial Military – это микрочипы, мало отличающиеся от коммерческой категории. Однако в их конструкции предусматривается дополнительная защита от различного вида воздействий. Например, использованием металлокерамических плат и экранированных корпусов. Расширен у них и температурный диапазон, он находится в пределах от -40 до +125 0С. Чтобы микросхеме была присвоена эта категория, производится ее дополнительное тестирование. Вся продукция, которая эти испытания не прошла, переводятся в разряд коммерческой.
Space. К этому разряду относится микроэлектроника особой надежности. Она имеет возможность противостоять ионизирующему излучению и бомбардировке элементарными частицами. А также способна выдерживать ускорения свыше 3G и работать в расширенном диапазоне температур – от -273 до 400 0С. Такие микросхемы реализуются только по специальным государственным контрактам, в свободной продаже они не встречаются.
В нашей стране различается номер приемки. Если в модельном индексе этому параметру соответствует цифра 1, то качество продукции контролировалось ОТК самого производителя. Изготовление по особому заказу с приемкой военного представителя маркируется цифрой 5. Такие микросхемы могут изредка попадать в свободную продажу. Литера 9 свидетельствует о том, что микроэлектроника создавалась по особому заказу для работы в космосе, на атомных электростанциях.
Микросхемы для военных и космических аппаратов являются двигателями прогресса. Именно на них отрабатываются схемные решения для выполнения различных задач по сложным алгоритмам. После этого, уже в упрощенном конструктивном виде, они поступают для изготовления бытовой техники и на прилавки магазинов.
