Project: TRISTAN (Together for RISC-V Technology and Applications)
Satellieten hebben betrouwbare computers nodig om te functioneren in de extreme stralingsomgeving van de ruimte. Moderne benaderingen bieden kortere ontwikkelingscycli en voordelen voor grootte, gewicht, vermogen en kosten. Het behalen van een lange levensduur met commerciële elektronica blijft echter een uitdaging. Het TRISTAN-consortium heeft RISC-V, een open-source processorarchitectuur, onderzocht als Europees alternatief voor gebruik in de ruimte om de afhankelijkheid van niet-EU-leveranciers te verminderen en tegelijkertijd aanpasbare, stralingsbestendige ontwerpen mogelijk te maken.*
De uitdaging
Ruimtestraling kan ernstige problemen veroorzaken in elektronische systemen, zoals gegevenscorruptie, processorstoringen en systeemuitval. Om deze effecten tegen te gaan, hebben we de effectiviteit van logica-niveau- en geheugenniveau-bescherming voor een RISC-V processor vergeleken. Bovendien kan de doeltreffendheid van beschermingsmaatregelen variëren afhankelijk van de operatie die de processor uitvoert. Om een realistisch beeld te krijgen, moet hier dus rekening mee worden gehouden. De resultaten zullen missie-ontwerpers helpen om de beste beschermingsstrategie te selecteren voor specifieke banen en toepassingen.
De oplossing
We hebben acht fouttolerante configuraties van een RISC-V-processor onderzocht onder protonen- en zware-ionenbestraling met behulp van meerdere benchmarks. De configuraties combineerden systematisch verschillende technieken zoals lockstep, triple modular redundancy en error correction code om de bijdrage van logica-niveau- en geheugenniveau-bescherming te isoleren. Daarnaast zijn ook de effecten van hybride configuraties getest. Methoden voor gegevensintegriteit bleken het meest effectief, waardoor stille gegevenscorruptie en functionele interruptiegevoeligheid aanzienlijk werden verminderd, met minimale impact op energieverbruik en processorformaat. De experimentele gegevens maken een betrouwbaarheidsanalyse mogelijk, waardoor nauwkeurige voorspellingen kunnen worden gedaan.
Wat we hebben gedaan
NLR heeft een speciale testprintplaat ontworpen met een Microchip PolarFire FPGA en de FreNox RISC-V softcore van Technolution. Deze was verbonden met een host controller voor geautomatiseerde benchmarktests en real-time foutdetectie. Ons team heeft ook stralingsexperimenten uitgevoerd met protonen bij HollandPTC met een energie van 200 MeV, waarbij acht configuraties en vier benchmarks getest zijn. Hiermee zijn gevoeligheidsgegevens verkregen met statistische betrouwbaarheidsintervallen. In een vervolgexperiment met zware ionen in CERN’s HEARTS-faciliteit zijn loodionen gebruikt met verschillende linear energy transfer waarden om directe ionisatie-effecten en meervoudige bit-fouten te karakteriseren. De gemeten systeemgevoeligheden maken het mogelijk om voorspellingen te doen over fouten en falen in de ruimte, waardoor er beter kan worden bepaald welke architectuur het beste is voor toekomstige missies.
Projectpartners:
NLR, Technolution, Irdeto, Universiteit Twente
Looptijd project:
2023-2026
Het TRISTAN-project heeft financiering ontvangen van de Europese Unie onder GA nr. 101095947 en wordt gesteund door de Chips Joint Undertaking en haar leden.
Deze publicatie geeft uitsluitend de visie van de auteur weer en de Europese Commissie kan niet aansprakelijk worden gesteld voor het gebruik dat van de informatie kan worden gemaakt.
*Dit onderzoek draagt bij aan de ontwikkeling van een SmallSat Instrument Control and Data Processing Unit (CDPU) in Nederland.
