Wissenschaftler entdecken neue Möglichkeit, Fehler bei Raumfahrzeugen zu verhindern

Wissenschaftler der National Research Nuclear University MEPhI (Russland) und des Wissenschaftlichen Forschungsinstituts für Systemanalyse der Russischen Akademie der Wissenschaften haben kürzlich Komponenten für den Entwurf fehlertoleranter asynchroner Schaltkreise entwickelt, die in Raumfahrzeugen eingesetzt werden können.

Mikroschaltungen, die traditionell in Autos und Computern verwendet werden, sind für Raumfahrzeuge aufgrund ihrer geringen Zuverlässigkeit bei Einwirkung von Weltraumstrahlung schlecht geeignet. Im Weltraum verursachen energiereiche Ionen Gerätefehler und Ausfälle. Bei der Entwicklung von ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) für Raumfahrzeuge Wissenschaftler Es müssen spezielle Methoden zur Verbesserung der Fehlertoleranz (vereinfacht: Zuverlässigkeit) entwickelt werden.

„Die Sache mit der Synchronität Schaltkreise liegt darin, dass ihre Komplexität ebenso wie die Anzahl der Elemente auf dem Schaltkreischip ständig zunimmt“, sagte Maxim Gorbunov, Assistenzprofessor am MEPhI. „Abschnitte dieser Schaltkreise, die weit entfernt liegen, müssen entsprechend ihrer Taktraten (den Taktzyklen einer CPU pro Sekunde) synchronisiert werden. Das heißt, wenn die vom Taktgenerator erzeugten Signale nicht in den exakten Zeitintervallen liegen, funktioniert die Schaltung einfach nicht mehr.“

Dies sei ein komplexes technisches Problem, zu dem auch die Verschlechterung der Mikrochip-Eigenschaften gehöre, sagte Gorbunov. Deshalb gelten asynchrone Schaltungen, die keine Taktsynchronisation erfordern, heute als so vielversprechend.

„In asynchronen Schaltkreisen erfolgt die Umschaltung parallel und ohne Verzögerung; Dadurch sind diese Schaltkreise effizienter und energieintensiver als ihre synchronen Gegenstücke“, erklärte Gorbunov. "Der Daten erreicht die Verarbeitungseinheit so schnell, wie es der Datenpfad des Prozessors zulässt, und wird verarbeitet, sobald die entsprechenden Mikroschaltungschips bereit sind.“

Wenn es um die Methodik zum Entwurf dieser Schaltkreise geht, ist dies weitaus problematischer, da es keine Standardroute für deren Entwurf gibt. Obwohl die allgemeine Idee zum Entwurf asynchroner Schaltkreise bereits in den 1970er Jahren vorgeschlagen wurde, arbeiten die meisten immer noch hauptsächlich mit synchronen Schaltkreisen.

„Wir haben die technischen Möglichkeiten synchroner Schaltungen bis an ihre Grenzen ausgelotet“, sagte Gorbunov. „Heutzutage überschreiten die Designparameter (die minimale Größe der Mikroschaltkreiselemente) zehn Nanometer nicht. Asynchrone Schaltkreise mit denselben Designparametern würden schneller arbeiten als ihre synchronen Gegenstücke, da sie keine Synchronisierung erfordern würden.“

Russische Wissenschaftler beschlossen daher, neue Elemente für schnellere und zuverlässigere asynchrone Mikroschaltungen zu entwickeln. Der Artikel, der in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Acta Astronautica, berichtet über fehlerresistente Muller-C-Elemente – die grundlegenden Logikgatter, die beim Entwurf asynchroner Schaltkreise verwendet werden.

C-Elemente sind Logikbausteine mit eingebautem Speicherelement. Sie sind im Wesentlichen Bausteine mit zwei Eingängen; Wenn sie übereinstimmen, wird das Signal fortgesetzt, wenn dies nicht der Fall ist, speichern die Elemente den vorherigen Wert in ihrem Speicher.

„Durch die Anwendung der DICE-Methode (Dual Interlocked Cell), die beim Entwurf synchroner Schaltkreise weit verbreitet ist, auf drei C-Element-Designs haben wir drei neue DICE-C-Element-Designs mit verbesserter Fehlertoleranz erhalten“, sagte ein anderer Autor des Artikels. Igor Danilov, Leiter der Abteilung für strahlungsresistente fehlertolerante VLSI-Schaltkreise am RAS Scientific Research Institute of System Development.

Die Forscher behaupten, dass diese neue Entwicklung zum Entwurf asynchroner Mikroschaltungen mit verbesserter Fehlertoleranz für anspruchsvolle Anwendungen genutzt werden kann Raumfahrzeuge.