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Strahlungstolerante FPGAs: Künstliche Intelligenz im All

| Redakteur: Michael Eckstein

Mit Microchip zum Mars? Mit seinen neuen strahlungstoleranten und energieeffizienten FPGAs will der Halbleiterhersteller das Design weltraumtauglicher Schaltungen vereinfachen. Mit mehr Rechenleistung, Logikelementen und SerDes-Bandbreite sollen auch KI-Anwendungen möglich sein.

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Hoch hinaus: Microchips neue RT-Polarfire-FPGAs sollen auch mit der starken Strahlung im Weltraum klarkommen udn einen sicheren Betrieb etwa von Raumfahrzeugen ermöglichen.
Hoch hinaus: Microchips neue RT-Polarfire-FPGAs sollen auch mit der starken Strahlung im Weltraum klarkommen udn einen sicheren Betrieb etwa von Raumfahrzeugen ermöglichen.
(Bild: Microchip )

In Filmen ist alles ganz einfach: Da zischen Gleiter durch den Weltraum, deren bunt blinkende Cockpits auf jede Menge Elektronik hinter den Verkleidungen schließen lassen. Probleme mit Komponenten, die strahlungsgeschädigt ausfallen oder zumindest in ihrer Funktion beeinträchtigt werden, sind meist kein Thema. Dabei ist ionisierende Strahlung eine große Herausforderung, wenn eine elektronische Schaltung dauerhaft im All funktionieren soll. Denn das schützende Erdmagnetfeld ist dort draußen viel schwächer – oder gar nicht mehr vorhanden.

Besonders programmierbare Logikbausteine sind anfällig gegenüber Neutronenbeschuss, wie das Forschungsinstitut Iroc Technologies ermittelt hat. Dazu zählen auch FPGAs, besonders solche, die ihre Konfigurationsdaten in einem integrierten SRAM (Static Random Access Memory) vorhalten: Neutronen können die Inhalte in den Speicherzellen verändern, wenn sie auf die CMOS-Strukturen treffen. Die immer kleineren Geometrien der Halbleiter begünstigen derartige Upsets. Bereits auf Meereshöhe kann die natürliche Strahlung Fehler in FPGAs verursachen. In großen Höhen oder im Weltraum ist die Gefahr um ein Vielfaches größer.

Auch im All steigt der Bedarf an Rechenleistung für die Datenvorverarbeitung

Doch elektronische Bauteile für Raumfahrzeuge und im Orbit kreisende Satelliten müssen auch bei erhöhten Strahlungswerten sicher funktionieren. Gleichzeitig dürfen sie nur wenig Strom verbrauchen und wenig Wärme entwickeln. Auch bei Weltraumanwendungen steigt die Nachfrage nach mehr Rechenleistung, um Rohdaten an Ort und Stelle verarbeiten zu können und so mit weniger Übertragungskapazität auszukommen – was angesichts der begrenzten Bandbreite von Downlinks sinnvoll ist.

Für diese Anforderungen hat US-Hersteller Microchip seine RT-Polarfire-FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) RTPF500T entwickelt. Das RT steht in diesem Fall für „Radiation Tolerant“, also strahlungstolerant. Im Gegensatz zu ASICs (Application Specific ICs) sollen die Entwicklungskosten und -zyklen deutlich geringer und kürzer sein, wirbt der Hersteller. Im Vergleich zu FPGAs mit herkömmlichen SRAM sei zudem der Stromverbrauch erheblich geringer. Auch gebe es keine Anfälligkeit für strahlungsinduzierte Konfigurationsstörungen. Die RTPF500T-ICs bauen auf den RTG4-FPGAs von Microchip auf, die bereits in Weltraumanwendungen zum Einsatz kommen, wenn Strahlungsfestigkeit gegen Single Event Upsets (SEUs) und damit verbundene Immunität gegen Single Event Latch-ups (SELs) und Konfigurationsstörungen gefordert ist.

Embedded SRAM soll immun sein gegen ionisierende Strahlung

Die RT-Polarfire-FPGAs erreichen laut Hersteller eine 50% höhere Rechenleistung, haben die dreifache Anzahl von Logikelementen und die dreifache SERDES-Bandbreite (Serialiser-Deserialiser) als ihre Vorgänger. Ihr Embedded-SRAM ist sechsmal so groß wie bisher, was den Aufbau komplexerer Systeme ermöglicht. Nach Angaben von Microchip widerstehen die programmierbaren Bausteine einer TID (Total Ionizing Dose) über 100 Kilorad (kRad), wie sie für die meisten erdumlaufenden Satelliten und viele Deep-Space-Missionen typisch ist. Diese Leistungsmerkmale sollen für Weltraumanwendungen ausreichen, die einen bis zu fünfmal höheren Datendurchsatz erfordern als bisher.

Wie der Anbieter mitteilt, reduzieren die RTPF500T-Bausteine den Stromverbrauch auf etwa die Hälfte anderer SRAM-basierter FPGAs bei vergleichbarer Dichte und Rechenleistung. Die zugrunde liegende, nichtflüchtige (non-volatile, NV) „SONOS“-Architektur würde durch ein vereinfachtes Design der Power-Management-Schaltkreise Entwicklungs- und Materialkosten einspare. Gleichzeitig minimiere sie die Wärmeentwicklung, was das Wärmemanagement vereinfache.

Einfachere Designs und erhöhte Rechenleistung für KI-Anwendungen

Im Vergleich zu SRAM-basierten FPGAs seien einfachere Designs möglich, da sich mit den RT-Polarfire-FPGAs die Kosten, die Komplexität und die Ausfallzeiten bei der Wiederherstellung nach Konfigurations-SEUs verringern ließen. Gegenüber sonst oft eingesetzten FPGAs mit einmal programmierbarem Anti-Fuse-Speicher lassen sich die Konfigurationsdaten der RTPF500T-ICs nachträglich ändern.

„Unser RT-Polarfire-FPGA erreicht einen viel höheren Datendurchsatz, als dies bisher möglich war“, sagt Bruce Weyer, Vice President des FPGA-Geschäftsbereichs von Microchip – und früherer Vice President und Business Unit Manager der SoC Products Group von Microsemi. Damit seien neuartige Anwendungen für die Raumfahrt möglich, zum Beispiel „verarbeitungsintensive neuronale Netzwerke zur Objekterkennung und -identifizierung, hochauflösende passive und aktive Bildgebung sowie hochpräzise wissenschaftliche Remote-Messungen.“

Strahlungstolerante Halbleiter müssen QML-Standards erfüllen

Nach Angaben des Herstellers durchlaufen die neuen FPGAs einen Standardprozess, der sicherstellt, dass sie QML-Standards einschließlich der Klasse-V-Qualifikation für kritische Anwendungen erfüllen. Dies erfordere umfangreiche und kontinuierliche Tests, etwa das Überprüfen jedes einzelnen Wafers und jeder Baugruppe.

Microchip liefert seine RT-Polarfire-FPGAs RTPF500T in hermetisch versiegelten CCGA-Gehäusen (Ceramic Column Grid Array) mit integrierten Entkopplungskondensatoren. „Ab 2021 werden sie für den Einsatz im Weltraum qualifiziert sein“, sagt Weyer. Anwender können Designs bereits jetzt mit der kommerziellen Version der Bausteine, den Polarfire-FPGAs MPF500T, und dem hauseigenen Libero-Softwaretool beginnen. Libero unterstützt optional die TMR-Synthese (Triple-Mode-Redundanz), mit der sich unter anderem „Single Events Upsets abschwächen lassen – wichtig zum Beispiel für Steuerungen“.

Passende, mit den kommerziellen Varianten ausgestattete Entwicklungsboards sind bereits verfügbar. Zukünftig wird Microchip auch Versionen mit den weltraumtauglichen Chips verkaufen. Wichtige Kenndaten bezüglich der Strahlungstoleranz sind bereits verfügbar, etwa TID, SEL, Konfigurationsstörungen sowie Störungen im ungeschützten D-Flip-Flop (DFF) und Speicher.

Hohe Anforderungen an alle Komponenten

Neben Microchip hat unter anderen auch FPGA-Marktführer Xilinx strahlungstolerante Produkte im Angebot. Doch RT-FPGAs alleine reichen nicht: Damit eine elektronische Schaltungen den widrigen Bedingungen in erdnahen Umlaufbahnen (Low Earth Orbit, LEO) und im Weltall (Deep Space) widerstehen kann, müssen selbstverständlich auch die anderen verwendeten Bauteile strahlungstolerant oder strahlungsfest sein – zum Beispiel Mikrocontroller, Operationsverstärker, digitale und analoge Multiplexer, CAN-Transceiver, Leistungshalbleiter, Treiber, Spannungsregler, Power-Management-ICs, PWM-Controller und auch Isolatoren. Mehrere Hersteller haben derartige Komponenten im Programm, etwa die Renesas-Tochter Intersil und Texas Instruments.

Auch Microchip bietet neben seinen RT-FPGAs ARM-basierte Mikrocontroller (MCUs) für die Raumfahrtbranche an, etwa den strahlungstoleranten SAMV71Q21RT und den strahlungsfesten SAMRH71. Beide basieren auf dem für Automotive-Anwendungen qualifizierten Mikrocontroller SAMV71 mit integriertem Cortex-M7-SoC von ARM.

Um die Entwicklungskosten im Rahmen zu halten, sind auch die RT-Bauteile anderer Anbieter in der Regel Pin- und funktionskompatibel zu „Commercial Off-the-Shelf“-(COTS-)Komponenten, also den Standardvarianten. So können Entwickler zunächst – wie im Fall der RT-FPGAs – ihre Designs mit kommerziellen Bausteinen aufbauen und diese Vorentwicklungsstufe später mit den teureren RT-Komponenten verifizieren.

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