Wissenschaftler entdecken neue Wege, um Fehler von Raumfahrzeugen zu vermeiden.

Wissenschaftler der National Research Nuclear University MEPhI (Russland) und des Scientific Research Institute of System Analysis der Russischen Akademie der Wissenschaften haben kürzlich Komponenten für den Entwurf fehlertoleranter asynchroner Schaltungen entwickelt, die in Raumfahrzeugen eingesetzt werden können.

Mikroschaltungen, die traditionell in Autos und Computern verwendet werden, eignen sich aufgrund der geringen Zuverlässigkeit bei Raumstrahlung schlecht für Raumfahrzeuge. Im Weltraum verursachen hochenergetische Ionen Gerätefehler und Ausfälle. Bei der Entwicklung von ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) für Raumfahrzeuge müssen Wissenschaftler daher spezielle Methoden zur Verbesserung der Fehlertoleranz (vereinfacht gesagt, Zuverlässigkeit) entwickeln.

„Das Besondere an synchronen Schaltungen ist, dass ihre Komplexität, ebenso wie die Anzahl der Elemente auf dem Schaltungschip, ständig zunimmt“, sagt Maxim Gorbunov, Assistant Professor am MEPhI. „Abschnitte dieser Schaltungen, die sich in großer Entfernung befinden, müssen entsprechend ihrer Taktfrequenz (die Taktzyklen einer CPU pro Sekunde) synchronisiert werden. Das heißt, wenn die vom Taktgeber erzeugten Signale nicht in den genauen Zeitintervallen ankommen, hört die Schaltung einfach auf zu funktionieren.“

Dies ist ein komplexes technisches Problem, das die Verschlechterung der Eigenschaften von Mikrochips beinhaltet, sagte Gorbunov. Deshalb gelten asynchrone Schaltungen, die keine Taktraten-Synchronisation benötigen, heute als vielversprechend.

„In asynchronen Stromkreisen erfolgt das Schalten parallel und ohne Verzögerung; dies macht diese Stromkreise effizienter und energieintensiver als ihre synchronen Gegenstücke“, erklärte Gorbunov. „Die Daten erreichen die Verarbeitungseinheit so schnell, wie es der Datenpfad des Prozessors zulässt, und werden verarbeitet, wenn die jeweiligen Mikroschaltungschips bereit sind.“

Wenn es um die Methodik des Entwurfs dieser Schaltungen geht, ist es viel problematischer, da es keinen Standardweg für deren Entwurf gibt. Trotz der Tatsache, dass die allgemeine Idee zum Entwurf asynchroner Schaltungen in den 1970er Jahren vorgeschlagen wurde, arbeiten die meisten noch immer in erster Linie mit synchronen Schaltungen.

„Wir haben die technischen Möglichkeiten synchroner Schaltungen bis an ihre Grenzen ausgelotet“, sagte Gorbunov. „Heute überschreiten die Designparameter (die minimale Größe von Mikroschaltungselementen) nicht mehr als zehn Nanometer. Asynchrone Schaltungen mit den gleichen Entwurfsparametern würden schneller arbeiten als ihre synchronen Gegenstücke, da sie keine Synchronisation erfordern würden.“

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

C-Elemente sind Logikbausteine mit einem eingebauten Speicherelement. Sie sind im Wesentlichen Bausteine mit zwei Eingängen; wenn sie zusammenfallen, wird das Signal fortgesetzt, aber wenn sie es nicht tun, speichern die Elemente den vorherigen Wert in ihrem Speicher.

„Durch die Anwendung der DICE-Methode (Dual Interlocked Cell), die beim Entwurf von Synchronschaltungen weit verbreitet ist, auf drei C-Element-Designs haben wir drei neue DICE-C-Element-Designs mit verbesserter Fehlertoleranz erhalten“, sagte ein anderer Autor zu dem Artikel, Igor Danilov, Leiter der Abteilung Radiation-Hard Fault-Tolerant VLSI Circuits am RAS Scientific Research Institute of System Development.

Die Forscher behaupten, dass diese Neuentwicklung dazu genutzt werden kann, asynchrone Mikroschaltungen mit verbesserter Fehlertoleranz für anspruchsvolle Raumfahrzeuge zu entwickeln.

Mehr Informationen:
I.A. Danilov et al. An Bord elektronischer Geräte wird die Sicherheit durch DICE-basierte Muller C-Elemente, Acta Astronautica (2018), gewährleistet. DOI: 10.1016/j.actaastro.2018.01.019

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