РЕКОНФИГУРИРУЕМЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ПРОБЛЕМЫ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ НА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

© Л.В.Савкин
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2014 г.

С непрерывным ростом сложности бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) космических аппаратов (КА) неуклонно продолжают развиваться разнообразные комплексные подходы по повышению её надёжности и живучести, совершенствуются методы программно-аппаратной реализации трудоёмких вычислений и обработки больших массивов информации за короткие временные интервалы. Помимо разработки методов повышения надёжности электронной компонентной базы, ведутся исследования по реализации наиболее эффективных архитектур электронных вычислительных систем. Поиски новых подходов в этом направлении привели к созданию так называемых реконфигурируемых вычислительных систем (РВС).

Использование РВС позволяет сегодня решать широкий спектр задач, стоящих перед КА научного и прикладного назначения. Базовым элементом наиболее распространённых видов РВС является программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), которая в свою очередь является сложной высокоинтегрированной микросхемой, способной менять свою внутреннюю структуру в зависимости от программы, написанной разработчиком. Соединениями в ПЛИС можно управлять путём замыкания транзисторных ключей, для чего предназначены низкоуровневые языки описания аппаратуры (Hardware Description Language, HDL), описывающие не порядок действий при вычислениях, а список соединений компонентов.

Важной особенностью реконфигурируемых систем, в отличие от ЭВМ других архитектур, является возможность адаптации (гибкость) своей архитектуры к информационной структуре решаемой задачи или её фрагмента. В процессе обработки информации посредством РВС все этапы их выполнения представляют собой набор математических операций, который, в свою очередь, распределяется между отдельными ПЛИС в соответствии с заданным алгоритмом.

Одной из уникальных особенностей РВС является способность восстановления промежуточных вычислительных процессов при физическом выходе из строя ПЛИС, посредством которой эти процессы осуществлялись. Это достигается за счёт перераспределения набора операций вышедшей из строя ПЛИС между оставшимися исправными. К следующей важной особенности РВС можно отнести возможность наращивания функциональных ресурсов по аналогии с модульно–наращиваемыми системами. Наличие запасного ресурса ПЛИС позволяет создавать новые аппаратно-вычислительные структуры и совершенствовать имеющиеся, что становится важным при изменении параметров бортовых электронных систем или при изменении процедур обработки информации.

В отличие от наземной аппаратуры, где практически всегда есть возможность наращивания аппаратной части, бортовая аппаратура КА этого не предусматривает, что еще раз показывает преимущество РВС перед электронными системами с постоянной архитектурой.

Благодаря таким факторам как гибкость архитектуры, способность к восстановлению без использования резервной аппаратуры, высокие надёжность и живучесть, сегодня РВС завоёвывают всё большую популярность при решении задач в различных областях науки и техники.

Перед отечественными разработчиками стоит целый ряд проблем по реализации РВС на отечественной элементной базе и использованию её в космической технике. Первой и основной проблемой создания РВС, не уступающей последним зарубежным разработкам, является отсутствие на российском рынке ПЛИС с необходимыми характеристиками. Также перед российскими разработчиками стоит проблема создания радиационностойких ПЛИС, способных конкурировать с западным производителем.

В настоящее время отечественная элементная база позволяет создавать РВС, способные функционировать на борту КА. Однако, из-за вышеуказанных проблем их функциональные возможности значительно меньше по сравнению с РВС, реализованных на базе зарубежных ПЛИС класса «Space».