Software & Systems

Под высокотемпературной электроникой понимается электроника, функционирующая при температуре свыше 150 ºС. Основные области ее применения: добыча энергоресурсов, промышленность, электроника для автомобилей, электроника для авиации и космоса [1].

В последние годы наблюдается значительный рост производства высокотемпературных компонент, что связано с увеличением объема выпуска автомобилей, самолетов, ракетно-космической техники, с увеличением глубины нефтегазовых скважин и пр. Целый ряд ведущих мировых компаний начали разработку и выпуск высокотемпературных электронных компонент.

В качестве примера можно привести следующие.

1.     Микропроцессоры компании Texas Instru­ments [2]:

–      SM320F28335-HT – 32-разрядный сигнальный микроконтроллер семейства С2000, функционирующий в диапазоне температур от –55 до 210 ºС, 150 МГц, включающий 12-разрядный 16-канальный АЦП с временем преобразования 80 нс;

–      SM320F2812-HT – 32-разрядный микроконтроллер для управления двигателем, 150 МГц, функционирующий в диапазоне температур от –55 до 220 ºС.

2.     Высокотемпературные драйверы компании Atmel [3], способные функционировать при тем- пературах переходов до 200 °C и температурах окружающей среды до 150 °C. Они поддерживают от 3 до 6 независимых задающих каскадов и ток до 1,0 А. Микросхемы разработаны с применением SOI-технологии SMART-I.S.™ с размерами порядка 0,8 мкм. Данная технология обеспечивает множество преимуществ, таких как возможность работы при высоких температурах и высоких напряжениях, компактность, улучшенная защита от эффекта защелкивания, низкие токи утечки и другие. Драйверы в сочетании с микроконтрол- лером и дискретными мощными полевыми МОП-транзисторами позволяют создавать блоки управления двигателем постоянного тока без щеток (BLDC).

3.     Продукция компании CISSOID [4], осно- ванной в 2000 году и специализирующейся на раз- работке высокотемпературных электронных ком- понентов: АЦП, операционные усилители, регу- ляторы напряжения, транзисторы, генераторы импульсов, драйверы ключей, микросхемы источников питания и пр. Компоненты CISSOID сохраняют работоспособность при жестких внешних воздействиях (вибрации, механические удары, перепады температур и пр.) в условиях повышенных температур от –55 до +225 °C. Часть изделий успешно выдержала тестирование NASA при экстремальных температурах от –195 до +400 °C для применения в составе космической аппаратуры. Продукция компании применяется в нефтегазовой, космической и авиационной отраслях, а относительно невысокая стоимость допускает использование в высоконадежных промышленных и автомобильных приложениях.

Высокотемпературная электроника для нефтегазовой отрасли

Для России наиболее критичной областью является нефте- и газодобыча. Актуальность работ по созданию требуемой электроники значительно выросла после введения санкций на поставку таких компонент в Россию.

Наиболее значимой задачей является создание Умных скважин (Intelligent Well – IW) [5, 6]. Широко распространенное определение предполагает, что Умной скважиной является та, которая имеет следующие возможности:

–      разделение потока: индивидуальные зоны/ ответвления в скважине изолированы друг от друга и поток из них или в них может управляться дистанционно посредством устройства управления скважинным потоком;

–      контроль параметров скважины: ствол скважины и/или параметры пласта могут контролироваться дистанционно в реальном масштабе времени;

–      оптимизация производительности скважины: устройство управления скважинным потоком может регулироваться по результатам знаний, полученных от оценки ствола скважины с целью достижения максимальной производительности данной скважины.

IW обеспечивает дополнительную выгоду, а именно: ускоренное восстановление, снижение себестоимости сооружения скважины, ускорение профилирования добычи, снижение частоты вмешательств в работу скважины и затрат, улучшенную эксплуатационную безопасность.

Условия эксплуатации в скважине экстремальные. Температура скважины более 100 °C, высокое давление, стальные вентили, предназначенные для работы в тяжелых условиях, и сложная обсадка – внутреннее пространство нефтяной или газовой скважины.

Дальнейшее развитие системы IW подтверждает, что эта технология находит все большее признание: так, почти стандартным стало теперь требование о необходимости совместимости морских подводных систем управления и древовидных систем с технологией IW. Однако системы IW являются относительно новым делом, совсем небольшой практический опыт их использования в реальных условиях не позволяет делать традиционные прогнозы надежности.

Самой важной причиной для введения системы IW с целью управления всем производством является необходимость улучшения реальных показателей добычи на разрабатываемых месторождениях. Но подобное возможно только в случае, когда система достигает требуемой надежности и удобства эксплуатации. При определении желательной надежности системы IW следует рассмотреть много различных параметров, таких как капитальные затраты на оборудование, использующаяся технология и последствия отказа системы. Эти параметры могут значительно отличаться на разных месторождениях и при разных условиях эксплуатации.

Одной из базисных проблем при оценке надежности систем IW является ограниченный практический опыт в реальных условиях, который осложняет получение важных исходных данных. Следовательно, имеется определенный риск получения неправильных заключений, если внимание фокусируется исключительно на абсолютной надежности прогнозов.

Для улучшения надежности системы управления и мониторинга IW создаваемые компоненты должны быть основаны на архитектуре, в которой заложены избыточность и отказоустойчивые схемотехнические решения. Эти решения должны применяться для создания систем всех типов скважин, включая производящие и нагнетательные.

Важным компонентом системы является система телеметрии скважин, состоящая из наземного и подземного блоков. Ее функциями являются контроль над работой погружного двигателя и мониторинг параметров среды в забое скважины; диагностика неполадок и проведение предупредительных профилактических мероприятий (например засорение, запарафинивание); оптимизация режима работы установки электроцентробежных насосов (работа на максимальной депрессии, оптимальный режим автоматического повторного включения); проведение гидродинамических исследований в постоянно работающих скважинах. Необходимо также обеспечить передачу геофизической информации на поверхность для таких параметров, как температура, давление масла и окружающей среды, вибрация корпуса погружного электродвигателя и др.

Из приведенных требований следует, что для электронной системы IW необходимо создать микропроцессоры со встроенными датчиками, памятью, сетевыми и системными контроллерами. Для высокоинтеллектуальных систем необходимо также создать отдельные микросхемы памяти.

Типовой температурный градиент в скважинах составляет 25 °С на километр глубины, поэтому на больших глубинах температура в скважине может достигать 175 °С. В настоящее время ведется экспериментальная разработка полезных ископаемых на сверхглубинах, где температура может превышать 200 °С, при этом давление в таких скважинах составляет 25 кП/дюйм. На рисунке 1 приведен пример электронного корпуса для проведения телеметрии в буре для таких скважин.

Компания Schlumberger разделяет скважины высокого давления и высоких температур на три класса: 150–205 °C, 205–260 °C и свыше 260 °C.

Помимо решения важных производственных задач, высокотемпературные вычислительные системы должны обеспечить импортозамещение и существенную экономию средств. Например, каждая из электронно-управляемых задвижек вблизи перфорационных отверстий IW оснащена датчиками положения задвижки, притока флюидов, температур. В 2001 году типичная цена подобной задвижки приближалась к $500 000.

Высокотемпературная электроника для авионики и космонавтики

Кроме газо- и нефтедобывающей промышленности, высокотемпературные интегральные микросхемы (ИМС) широко используются в авионике и космонавтике [7]. В соответствии с программой Электронный самолет (More Electric Aircraft – MEA) в новых проектах вместо центрального компьютера используется множество распределенных микроконтроллеров и микропроцессоров. Это позволяет значительно уменьшить число и длину медных кабелей, снизить вес самолета и увеличить надежность управления, приблизив микроконтроллер к исполнительному механизму. Кроме того, замена центрального компьютера множеством распределенных микроконтроллеров позволяет уменьшить число разъемных соединений, повысить надежность и привести ее в соответствие с требованиями стандарта MIL-HDBK-217F [8]. Однако такое решение (приближение ИМС к двигателям) приводит к тому, что диапазон температур, в котором должны работать ИМС, составляет от –55 до 200 °С. Применение принудительного охлаждения ИМС в таких системах нежелательно, так как это приводит к увеличению веса и стоимости самолета. Кроме того, выход из строя системы охлаждения может вызвать отказ системы управления. Другим аспектом программы МЕА является замена гидравлических систем управления электронными, благодаря чему повышается надежность и снижается стоимость этих систем. Новая технология управления получила название «механотроника». При ее внедрении необходимо использовать сенсоры, сенсорные интерфейсы, системы обработки данных, которые будут расположены вблизи исполнительных механизмов и, как правило, ра- ботают в диапазоне высоких температур, а сами являются источниками тепла. Еще одной областью применения высокотемпературных ИМС является автомобильная электроника. Аналогично авиационной промышленности автомобильная отрасль тоже переходит к замене гидравлических и механических систем управления электронными. Использование электронных систем управления в авто- мобиле упрощает производство, управление, тестирование автомобиля, что, в конечном счете, позволяет снизить его стоимость и повысить надежность. Особо следует отметить электромобили и гибридные автомобили, в которых управление двигателями обеспечивается электронными системами управления.

Космическое направление высокотемпературной электроники является наиболее наукоемким в силу повышенных требований к надежности и радиационной стойкости. Каждый спутник для научных исследований уникален и во многом из-за этого приходится под каждый эксперимент создавать уникальную вычислительную систему. Специфика области не позволяет использовать коммерческие микросхемы для создания вычислительных систем, серийность требуемых микросхем небольшая, а сами микросхемы должны функционировать в течение многих лет под воздействием радиации. Кроме того, космическое пространство в ряде случаев создает значительные проблемы по отводу тепла. Планируемые полеты в дальний космос неизбежно поставят задачи дальнейшего повышения надежности вычислительных систем и расширения температурного диапазона функционирования.

Основные требования к элементной базе космического применения

Применение микроэлектронных изделий в условиях космического пространства предъявляет к ним ряд специальных требований: долговечность – не менее 200 тысяч часов; стойкость к накопленной дозе – не ниже 200 крад; стойкость к тяжелым заряженным частицам (ТЗЧ) с линейной передачей энергии (ЛПЭ) – не ниже 100 МэВ×см2/мг; сохранение работоспособности после 50 нс импульсного облучения – до 1012 рад/с; стойкость к нейтринному потоку – до 1013 нейтрино/см2; минимальная чувствительность к сбоям, вызываемым космическими частицами с высокими энергиями, то есть речь должна вестись о создании специальной категории микросхем для космических применений. Целесообразность разработки такой категории изделий подтверждена практическим опытом ряда фирм, таких как Aeroflex, Atmel и др. Так, для построения бортовых вычислителей наиболее широко используются специальные микропроцессоры, выпускаемые компанией Aeroflex (66 МГц, технология 0,25 мкм, 5 млн транзисторов) и фирмой Atmel (100 МГц, технология 0,18 мкм, 8 млн транзисторов). Оба процессора имеют уровень стойкости к накопленной дозе 300 крад, порог по сбоеустойчивости 10–15 МэВ и уровень стойкости к эффекту защелки 100 МэВ×см2/мг. Для повышения устойчивости микропроцессоров к эффектам одиночных сбоев использованы специальные схемные решения функциональных элементов, а для обеспечения защиты вычислительного процесса от ошибок в процессорах применено мажорирование. В ближайшей перспективе (3–5 лет) указанные фирмы планируют начать выпуск микропроцессоров с рабочей частотой 150–200 МГц и количеством транзисторов, превышающим 10 млн. Таким образом, очевидно, что обеспечение паритета России в использовании космического пространства возможно только при использовании элементной базы такого же уровня.

Дополнительными могут быть требования к широкому температурному диапазону, порой заметно отличающиеся в зависимости от места расположения аппаратуры. В настоящее время в мире существуют 4 общепринятых диапазона темпера- тур функционирования микросхем: коммерческий – от 0 до +70 °С, индустриальный – от –40 до +85 °С, авиационный – от –40 до +125 °С, военный (в рамках стандарта MIL-STD-883) и космический (Space) – от –55 (–60° для России) до +125 °С. Выделяются также высокотемпературные микросхемы, функционирующие при температурах свыше 150 °С.

Часть сложных физических детекторов для исследования космоса не могут функционировать в широком диапазоне температур, соответственно, требования к аппаратуре, устанавливаемой вблизи таких физических установок, аналогичны. Однако в большинстве случаев требования к комплектующим соответствуют понятиям Military и Space. Прежде всего это требования к электронике аппаратов, функционирующих на высоких орбитах и в дальнем космосе.

Одна из наиболее сложных задач – создание электронной аппаратуры для контроля и управления двигателем для полета в дальний космос. Использование множества распределенных микроконтроллеров и микропроцессоров позволит значительно уменьшить число и длину медных кабелей, снизить вес аппарата и увеличить надежность управления. Однако температура функционирования микросхем в подобных условиях приближается к +200 °С.

Таким образом, для таких применений должна создаваться радиационно стойкая высокотемпературная элементная база.

Основные характеристики базовых микросхем разработки НИИСИ РАН

В таблице дается сравнение основных характеристик микропроцессоров КОМДИВ [9] рад. стойкого применения.

В микросхемах для создания многопроцессорных систем используются стандарты SpaceWire и RapidIO. Они имеют существенно разные скорости передачи и дополняют друг друга. Каналы SpaceWire являются стандартом де факто для космических применений, однако имеют скорость передач до 200 Мб/с. В стандарте RapidIO предусмотрена скорость передач до 6,25 Гбит/с на линию.

Рассмотрим основные микросхемы, позволяющие создавать законченные вычислительные системы [10].

Система на кристалле (СнК) 1907ВМ038 является перспективной микросхемой для создания различных систем бортового космического применения. Технология изготовления – КНИ 0,25 мкм. Структурная схема СнК приведена на рисунке 2.

В состав системы входят следующие основные блоки: 32-разрядное управляющие ядро (CPU), 128-разрядный арифметический сопроцессор (на рисунке обозначен как CP2), системный контроллер с набором интерфейсов: DDR2, SPI, два канала Serial RapidIO, четыре канала SpaceWire, I2C, GPIO, два контроллера UART.

Тактовая частота микросхемы – 100 МГц. Пропускная способность ОЗУ – 512 Мбайт/с.

Конструкция корпуса микросхемы: металлокерамический корпус типа dumpled BGA с числом выводов 675 шт.

Микросхема коммутатора последовательных каналов 1907КХ018 предназначена для организации связи между устройствами (коммутаторами и СнК), имеющими в своем составе каналы последовательного RapidIO. Коммутатор является перспективной микросхемой для создания высокопроизводительных систем бортового космического применения. Технология изготовления – КНИ 0,25 мкм.

Коммутатор содержит шесть портов последовательного RapidIO, среда передачи – LP-Serial 4Х либо 1Х. Максимальная скорость передачи по каждой линии – 1,25 Гбит/с. Структурная схема мик- росхемы представлена на рисунке 3. Отличи- тельными характеристиками являются отдельная таблица коммутации для каждого порта, система контроля производительности, встроенный блок управления ошибками. Коммутатор способен непосредственно соединять до 256 оконечных устройств (СнК, контроллеры ввода-вывода и т.п.) в системе, что обычно является достаточным для бортовых систем. Индивидуальные таблицы коммутации позволяют гибко настраивать пути прохождения пакетов по сети. Система контроля производительности используется для определения характеристик потока данных в канале, определения перегрузок в сети, определения мест блокировок. Определение величины потока данных в канале производится при выборе топологии сети на этапе моделирования и проведении натурного эксперимента. Причиной перегрузок в сети может быть ухудшение состояния канала, возникшее в результате сбоев. Поэтому раннее оповещение об ошибках уменьшает время, необходимое на подключение резервного пути. Для выбора обходного пути крайне полезной является способность коммутатора определять заблокированные каналы.

Максимальная потребляемая мощность при использовании всех шести портов в режиме 4Х не более 6 Вт. Предусмотрено снижение потребляемой мощности в режимах работы портов 1Х, а также путем индивидуального отключения передатчиков каждого порта. Микросхема имеет два канала питания: 2,5 В и 3,3 В.

Конструкция корпуса микросхемы: керамический корпус типа dumpled BGA с числом выводов 399 шт.

Повышенная стойкость к сбоям достигается комплексом дополнительных мер: помехоустойчивое кодирование при обращении к памяти буферов пакетов; использование резервирования таблиц маршрутизации; топологические и схемотехнические решения библиотечных элементов.

Коммутатор имеет расширенные возможности диагностики работоспособности. Состояние диа- гностических регистров доступно через интерфейс I2C, либо отдельные интегрированные сигналы сбоев и ошибок могут быть выведены на порт дискретных сигналов для дальнейшего анализа системой контроля исправности (СКИ), которая в данном случае упрощается и соответственно повышается надежность.

Микросхема многопортового коммутатора SpaceWire со встроенным микропроцессором (ОКР «Схема-23») проектируется в НИИСИ РАН, срок окончания ОКР – 2016 г. Технология изготовления – КНИ 0,24 мкм. Структурная схема коммутатора представлена на рисунке 4.

Тактовая частота микросхемы – 100 МГц. Максимальная потребляемая мощность – не более 6 Вт. Предусмотрены режимы отключения неиспользуемых функциональных блоков с целью понижения потребляемой мощности.

При выполнении функций коммутатора для работоспособности микросхемы требуется малое количество элементов, например, не требуются микросхемы внешнего ОЗУ.

Для определения возможности применения рассмотренных микросхем в космических аппаратах был проведен комплекс исследований. Получены следующие характеристики: пороговая величина линейных потерь энергии тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) по тиристорному эффекту – не менее 80 МэВ×см2/мг (эффект не наблюдался); пороговая величина линейных потерь энергии ТЗЧ по одиночным событиям – не менее 6 МэВ×см2/мг; сечение насыщения по одиночным событиям при воздействии ТЗЧ – не более 3×10–8 см2/бит; уровень стой- кости к накопленной дозе – 500 крад. Высокие параметры по стойкости объясняются прежде всего созданием в НИИСИ РАН специального технологического процесса производства микросхем с нормами 0,25–0,35 КНИ, а также разработкой радиационно стойкой библиотеки. Диапазон температур функционирования микросхем – от –60 до +125 °С. Таким образом, эти микросхемы позволяют решить большую часть задач создания вычислительных систем космического применения.

Для определения возможности использования микросхем в высокотемпературных приложениях были проведены исследования микросхем при температуре функционирования 150 °С. Получены следующие результаты. При данной температуре частота функционирования в среднем падает на 10 %, рост потребляемой мощности незначителен, что говорит о запасе в проекте и технологии из- готовления. Длительность функционирования в таком режиме не определялась. Для создания полноценного процесса изготовления высокотемпературных микросхем необходима модернизация технологического процесса: изменение типа примеси, переход на вольфрамовые или комбинированные (алюминий с вольфрамом) со специальной конструкцией проводники и их утолщение и пр. Тем не менее, показана принципиальная возможность создания высокотемпературных микросхем космического применения на базе имеющихся проектов.

В результате проделанной работы достигнута унификация микросхем космического применения на уровне ядра, внешних интерфейсов и среды обмена данными. Для сокращения потребляемой мощности и повышения надежности среда передачи данных сделана иерархической. На верхнем уровне находится коммутируемая среда RapidIO со скоростью обмена до 1 Гбайт/с на канал. На следующем уровне – коммутируемая среда Space­Wire со скоростью обмена до 200 Мбит/с, на нижнем уровне – низкоскоростные мультиплексный канал по ГОСТ Р 52070-2003 и RS232/RS485. Интерфейс Ethernet является технологическим и предусмотрен также для связи с ранее выпускаемыми модулями. Коммутируемые среды позволяют создавать различные архитектуры системы с резервированием в рамках стандартных решений для таких сред.

Температура функционирования микросхем от –60 до +125 °С. Проведенные исследования показали принципиальную возможность модернизации технологического процесса изготовления микросхем и имеющихся проектов для достижения температур функционирования порядка +200 °С.

Литература  

1.     Ватсон Дж., Кастро Г. Особенности применения электронных компонентов при температурах свыше 150 °С // Электронные компоненты и системы. 2012. № 7. С. 3–10.

2.     Texas Instruments. URL: http://www.ti.com/product/ (дата обращения: 25.07.2015).

3.     Drivers/High-Temperature ICs. URL: http://www.atmel. com/products/automotive/drivers/ (дата обращения: 25.07.2015).

4.     CISSOID. URL: http://www.cissoid.com/ (дата обращения: 25.07.2015).

5.     Кульчицкий В.В. Интеллектуализация скважинных систем – инновационное направление разработки нефтяных и газовых месторождений. 2011. № 11. С. 27–30.

6.     Черемисин А.Н., Рязанцев А.Э., Торопецкий К.В. Внутрискважинный мониторинг в концепции «умной» скважины // Вестн. ЦКР Роснедра. 2014. № 1. С. 2–6.

7.     Shepherd P., Smith S.C., Holmes J., Francis A. M., Chioli- no N., Mantooth H.A. A robust, wide-temperature data transmission system for space environments. Aerospace Conf., IEEE 2–9, March 2013, pp. 1–13.

8.     Willet M., Ward M., Behbahani A. Using high temperature electronics for distributed controls of turbine engines. 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Join Propulsion Conf. $ Exhibit, 25–28, Jule 2010, Nashville, TN, pp. 1–13.

9.     Бобков С.Г. Импортозамещение элементной базы вычислительных систем // Вестн. РАН. 2014. Т. 84. № 11. С. 1010–1016.

10.  Бобков С.Г., Еремин А.В., Кондратьева Н.В., Сер- дин О.В. Разработка высоконадежных многопроцессорных модулей на базе высокоскоростных каналов RapidIO // Програм- мные продукты и системы. 2013. № 4. С. 49–55.