ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЛОГИКИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МИКРОМОДУЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ С ПОВЫШЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ К РАДИАЦИОННОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Соглашения № 14.574.21.0155 (уникальный иденти­фикатор прикладных научных исследований RFMEFI57417X0155).

В области микроэлектроники повышение степени интеграции за счет уменьшения размеров конечного элемента уже приближается к границе физических возможностей, причем экономическая целесо­образность теряется из-за сложности и дороговизны технологических процессов. Более того, реализация готового устройства в рамках единого кристалла, так называемой SoC (системы на кристалле), требует высококвалифицированных специалистов, больших временных и денежных затрат на разработку. Именно поэтому миниатюризация готового устройства осуществляется за счет использования новейших методов сборки, таких как PoP (package on package), SiP (system in package) на основе 2.5 D и 3D технологий, а другие ведущие мировые производители стартовали в технологической гонке, разрабатывая новые и совершенствуя старые методы повышения плотности упаковки.

Разработка технологии, позволяющей использовать все современ­ные методы интеграции в единой конструкции, на сегодняшний день очень востребована и необходима для создания принципиально новой конкурентоспособной ЭКБ и изделий на ее основе.

В данной работе ведется разработка микромодуля оперативного хранения информации с повышенной устойчивостью к воздействию ионизирующего излучения космического пространства. Основные составные части микромодуля это контроллер управления, память типа NAND-Flash, как наиболее стойкая к радиационному излучению [1], и микросхема тиристорной защиты 1469ТК035 производства НПК «Технологический центр», работающая по принципу ограничения тока потребления [2].

Контроллер управления выполняет задачи доступа, чтения, записи информации в микросхемы памяти. Задача контроллера управления также состоит в повышении радиационной стойкости микромодуля за счет применения корректирующих кодов. Контроллер может быть реализован на основе базового матричного кристалла (БМК) или программируемой интегральной схемы (ПЛИС).

В НПК «Технологический центр» разработан БМК серии 5503, который может быть использован для разработки контроллера управления микромодуля.

Серия БМК 5529 является более продвинутой разработкой по сравнению с серией 5503 и является предпочтительным вариантом к моменту изготовления конечных изделий. Технология изготовления позволяет существенно снизить время задержки сигналов и повысить быстродействие.

Однако вариант реализации контроллера управления на ПЛИС является более гибким, так как логика работы ПЛИС задаётся не при изготовлении, а посредством программирования. Необходимая структура устройства может быть реализована в виде электрической схемы или с помощью языков программирования Verilog, VHDL. Общее число вентилей в схеме может достигать от нескольких тысяч до нескольких миллионов [3].

Еще одним преимуществом использования ПЛИС является возможность переноса проекта контроллера управления на БМК в короткие сроки. Такой вариант является предпочтительным для данного проекта, так как позволяет отладить логику работы, используя гибкость ПЛИС, а затем перенести проект на БМК.

Для реализации контроллера наиболее подходящими являются ПЛИС фирмы Xilinx. Данная компания является ведущим производи­телем программируемой логики в мире а также представляет широкую номенклатуру изделий для различных областей применения. В таблице 1 представлено сравнение характеристик нескольких семейств ПЛИС, потенциально подходящих для реализации проекта.

Таблица 1.

Сравнительный обзор ПЛИС

Исследования показали, что семейство Coolrunner II является наиболее подходящим для задач проекта. Необходимо выделить следующие преимущества Coolrunner II:

• наименьшие размеры корпуса;
• тип CPLD. Микросхема является энергонезависимой, и не тре­бует наличия внешней памяти для хранения конфигурации в отличие от FPGA;
• тип корпуса позволяет использовать стандартный и наиболее надежный поверхностный монтаж. Наименьший корпус под поверх­ностный монтаж в семействе Spartan-3e это VQ100 с размерами 16х16 мм. В более современных семействах используются только BGA-корпуса.

На рисунке 1 представлен макет микромодуля.

Примечание: 1 – плата с микросхемами памяти и тиристорной защиты, 2 – плата контроллера управления, 3 – отладочная плата

Рисунок 1. Макет микромодуля оперативного хранения информации

Контроллер управления реализован на 3 микросхемах XC2C32A (рис. 1). Каждая микросхема программируется отдельно при помощи интерфейса JTAG. Применение семейства Coolrunner II не приводит к снижению быстродействия по сравнению с семейством Spartan-3e. Время чтения также не превышает 33 нс. Оптимизация межсоединений, применение печатных плат более высокого класса а также переход на БМК позволит увеличить быстродействия в экспериментальных образцах микромодуля, выполненного по технологии 3D интеграции.

Список литературы:

1. Z.Wang, M. Karpovsky, A. Joshi Reliable MLC NAND Flash Memories Based on Non-Linear t-error Correcting Codes // Proceedings of International Conference on Dependable Systems and Networks.2010
2. Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А., Вильсон А.Л., Бражников С.С., Коновалов В.С., Малашевич Н.И., Росляков А.С. Микросхемы для аппаратуры космического назначения. Практическое пособие. Под общ. ред. Саурова А.Н. – М.: Техносфера, 2016 г. – 388 с.
3. Frank Hall Schmidt, Jr. Fault Tolerant Design Implementation on Radiation Hardened By Design SRAM-Based FPGAs // B.S., Electrical Engineering. 2011. P. 31-36.