Los diseñadores de sistemas de satélites y vehículos espaciales disponen de varias opciones a la hora de seleccionar semiconductores FPGA (field programmable gate arrays). Una de las opciones consiste en componentes FPGA comerciales (commercial off-the-shelf, COTS) que reducen el coste por unidad de cada componente y el plazo de entrega pero en general no son lo bastante fiables, se deben blindar (lo cual incrementa el coste y los recursos de ingeniería) y requieren triple redundancia modular (Triple Modular Redundancy, TMR) de software y hardware para atenuar los efectos de la radiación en el espacio.

En aquellas misiones que no contemplen la posibilidad de un fallo, los diseñadores suelen escoger FPGA con un coste más elevado y resistentes a la radiación por diseño (radiation-hardened by design, RHBD), que ya están blindadas y homologadas según los estándares QML (Qualified Manufacturers List) Clase Q y V. QML Clase V es el estándar más exigente para semiconductores en el espacio; las misiones tripuladas y de seguridad crítica confían en componentes QML-V para disminuir el riesgo de que se produzca un fallo.

Algunos diseñadores trabajan con sistemas que deben cubrir la creciente necesidad de una complicada combinación de mayor rendimiento, nivel superior de procesamiento de datos a bordo y capacidad de establecer comunicaciones a alta velocidad en el espacio. Estas FPGA tolerantes a la radiación (radiation-tolerant, RT) proporcionan una solución que tolera la radiación por diseño y cuentan con la experiencia y los conocimientos del fabricante en vuelos espaciales, así como con soluciones que han superado los ensayos de QML Clase V. Este artículo revisa las diferentes tecnologías de FPGA disponibles para aplicaciones espaciales y el proceso para desarrollar los componentes.

Efectos de la radiación en el espacio
Las FPGA RT son necesarias porque los componentes COTS no son inmunes frente a los diversos efectos de la radiación en el espacio que pueden afectar al rendimiento de un circuito integrado o provocar un fallo en su funcionamiento.
Uno de estos efectos de la radiación es la dosis total de ionización (total ionizing dose, TID), cuya causa es la radiación generada por las partículas cargadas y los rayos gamma del espacio. Esta radiación deposita energía ionizando el material. La ionización puede cambiar las propiedades de excitación de carga, transporte de carga, unión y descomposición del material, lo cual afecta negativamente a los parámetros del dispositivo. La TID es la radiación ionizante acumulada que recibe un dispositivo electrónico a lo largo de un período determinado, generalmente el tiempo que dura la misión. Los daños dependen de la cantidad de radiación y se expresan como la dosis absorbida de radiación (radiation absorbed doce, RAD). En función de la tolerancia a la radiación para TID, un dispositivo puede sufrir fallos de tipo funcional o paramétrico. Entre los parámetros que se suelen ver afectados por la radiación TID en las FPGA se encuentra el retardo de la propagación, que disminuye el rendimiento del dispositivo. Otro mecanismo de fallo es el aumento de la corriente de fuga tras una alta exposición a TID.

Otro efecto de la radiación consiste en efectos aislados (single-event effects, SEE). Se trata de perturbaciones instantáneas, transitorios o daños permanentes debidos a la radiación de partículas como protones, iones pesados y partículas alfa, que pueden impactar sobre regiones sensibles del transistor y provocar varios fallos. Los SEE pueden ser de diferente tipo, como perturbaciones aisladas (Single Event Upsets, SEU) que se pueden producir cuando se irradian partículas ionizantes de alta energía como iones pesados, partículas alfa o protones sobre un circuito o atraviesan un circuito integrado. Como resultado de ello se altera la lógica del sistema.
También es problemático un bloqueo aislado (Single Event Latch-Up, SEL), un trastorno que tiene como consecuencia una pérdida de funcionalidad en el dispositivo por la alta corriente provocada por un hecho aislado. Un SEL puede o no ser destructivo: en un bloqueo destructivo, la corriente no recuperará el valor nominal, mientras que en un bloqueo no destructivo, la corriente de alto nivel volverá a su valor nominal tras desconectar y volver a conectar la FPGA.

Comparación entre tecnologías de FPGA
Existen cuatro tipos básicos de FPGA:

FPGA basadas en SRAM
Una FPGA basada en SRAM almacena los datos de configuración de las células lógicas en la memoria estática. La SRAM es volátil y no puede retener la configuración del dispositivo sin alimentación. Por tanto, estas FPGA se deben programar cada vez que se conectan a la alimentación. La tecnología basada en SRAM tiende a consumir más y es más sensible a la radiación.

FPGA basadas en Flash
Las FPGA reprogramables basadas en Flash utilizan Flash como recurso principal para la memoria de configuración. La tecnología Flash es inmune a SEU, por lo que eliminan la amenaza de perturbaciones inducidas por la radiación en la memoria de configuración de la FPGA. Las FPGA basadas en Flash RTG4 consumen hasta un 50% menos que las FPA basadas en SRAM. La tecnología Flash simplifica el diseño de varias maneras ya que no requiere memoria externa, redundancia o una supervisión continua de la configuración. También elimina la necesidad de un disipador de calor y ello contribuye a reducir el tamaño y el peso de los diseños, así como su consumo, algo que puede ser especialmente importante si un módulo electrónico se alimenta por medio de paneles solares.

FPGA basadas en SONOS
Un ejemplo es la FPGA RT PolarFire de Microchip, que ofrece componentes con datos de radiación caracterizados, bajo consumo, inmunidad de configuración SEU y alta fiabilidad, además de hallarse en proceso de homologación QML-V. Estas FPGA se han desarrollado con una tecnología no volátil (NV) SONOS (silicon-oxide-nitride-oxide-silicon) sobre un nodo de 28nm. Se ha comparado el rendimiento de las tecnologías de 28nm y la anterior de 65nm midiendo el retardo de propagación de un inversor. Estas pruebas demuestran que la tecnología SONOS de 28nm multiplica por 2,5 el rendimiento de la tecnología Flash de 65nm. Estas FPGA basadas en SONOS también ofrecen una excelente respuesta frente a la radiación e inmunidad frente a SEU, además de proporcionar una solución de bajo consumo. Las FPGA basadas en SONOS, además de estar en proceso de homologación QML-V, son ideales en aplicaciones que exigen procesamiento de señal a alta velocidad.
 
La Figura 1 muestra la arquitectura de las FPGA basadas en Flash y SONOS para ofrecer inmunidad frente a SEU.

 
FPGA basadas en antifusibles
Las FPGA basadas en antifusibles se programan una sola vez y ello impide su reprogramabilidad, una ventaja fundamental de las FPGA basadas en Flash y SONOS. Los antifusibles no conducen corriente inicialmente pero se queman para conducir corriente (el funcionamiento del antifusible es el opuesto al de un fusible). La tecnología del antifusible es muy robusta frente a los efectos de la radiación.
 
Cómo se desarrollan las FPGA RT
Las FPGA RT se desarrollan a partir de tecnologías de proceso con excelentes niveles de TID por radiación. Pueden ser RHBD con flip-flops con TMR incorporada al nivel de circuito. La TMR instalada en software se puede implementar si la TMR no se ha implementado a nivel de silicio. Una vez desarrollado el silicio, las FPGA RT pueden superar un exigente proceso de homologación.
Para que los dispositivos logren la homologación según los máximos estándares deben cumplir el estándar MIL-PRF-38535 del Departamento de Defensa, que ha creado un exhaustivo conjunto de estándares de homologación, ensayos y fiabilidad para circuitos integrados destinados a aplicaciones militares y espaciales. MIL-PRF-38535 establece los requisitos para los fabricantes de estos circuitos integrados si desean inscribirse en la lista QML de la DLA (Defense Logistics Agency).
Otro aspecto relacionado con el desarrollo del producto es la caracterización de la respuesta frente a SEE, que no varía entre diferentes lotes de obleas si el diseño del silicio es el mismo. Tras congelar el diseño, los fabricantes de FPGA pueden iniciar el proceso de caracterización de SEE. Una vez que el dispositivo está en producción no es necesario realizar más ensayos de SEE pues no se han introducido cambios en el diseño y el componente ha sido totalmente caracterizado.
Algunas tecnologías de proceso pueden ofrecer una respuesta TID que varíe según el lote de obleas. Como resultado de ello se deben efectuar ensayos de TID en producción, tomando como referencia un lote de obleas, con el fin de garantizar que un dispositivo cumple el nivel de TID especificado (25 krad, 100 krad, 300k rad).

Impacto de las FPGA RT sobre el diseño de vehículos espaciales
Las FPGA RT más recientes ofrecen numerosas ventajas que abren la posibilidad de simplificar estos diseños y al mismo tiempo mejorar significativamente la capacidad de procesamiento de datos a bordo. Para cubrir estas necesidades, los nodos de tecnología FPGA RT están reduciendo su tamaño con el fin de conseguir unas mayores prestaciones y el procesamiento de señal a una velocidad más alta con más memorias y más capacidades de procesamiento de señal digital (DSP). Las FPGA RT también ofrecen otras ventajas primordiales como su reprogramabilidad y un tiempo de desarrollo más rápido si se comparan con un ASIC. Las FPGA no se suelen reprogramar cuando vuelan por el espacio, pero es una opción a medida que aumenta la complejidad de los diseños, siempre que los diseñadores de sistemas sigan las directrices y evalúen minuciosamente los éxitos y los riesgos asociados a la reprogramación en órbita.

Julian Di Matteo, Ingeniero Sénior de Marketing de Producto, Espacio y Aviación, Microchip