Rad-Hard: Hardware Super Resistente

Satélites e naves espaciais tripuladas exigem componentes eletrônicos de alta confiabilidade. E ai entram os circuitos Rad-Hard!

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1. Introdução

Rad-Hard é o termo popular para Radiation hardening: componentes que possuem proteção extra contra radiação, seja ela derivada de uma bomba nuclear ou mesmo de uma explosão de um reator de uma usina nuclear; até mesmo a perigosa radiação espacial que todos os dias bombardeia os satélites, sondas e a Estação Espacial Internacional. E nesse contexto, antes de aprofundar em detalhes desse tipo de hardware, vamos a um pouco de história!

2. A Guerra Fria

Antes da queda do Muro de Berlim em 1989, o mercado rad-hard estava projetando e fabricando componentes eletrônicos que poderiam operar através da intensa radiação de uma explosão de armas nucleares.

Uma base de fornecedores rad-hard estabelecida, que incluiu empresas como a IBM, TRW e Honeywell teve grandes problemas e gastos exorbitantes para elaborar metodologias de design de microeletrônica para produzir partes analógicas e digitais que poderiam operar através de um evento nuclear ou ter o circuito a bordo para detectar uma onda de radiação e desligar as partes vulneráveis antes de ocorrer um dano ao equipamento como um todo.

As aplicações espaciais ainda eram uma parte importante do mercado rad-hard naquela época, mas não exerciam quase nada da influência que eles fazem hoje. Os satélites militares de comunicações e reconhecimento, como MILSTAR e os satélites “Keyhole” KH-11, foram impulsionadores importantes de projetos rad-hard, mas essas redes espaciais foram projetadas basicamente para sobreviver a uma explosão nuclear no espaço.

As peças militares rad-hard durante a Guerra Fria não foram restritas a aplicações espaciais; haviam muitos sistemas terrestres, como comunicações estratégicas e veículos de combate que se beneficiaram com a base de fornecedores de eletrônicos rad-hard.

No entanto, o fim da Guerra Fria diminuiu a demanda por peças rad-hard, e hoje, o que era a base de fornecedores rad-hard tradicional, reduziu-se a um punhado de fornecedores. Isso não quer dizer que as aplicações de armas nucleares não tenham influência no mercado rad-hard. Os mísseis balísticos terrestres e marítimos dos EUA, por exemplo, ainda possuem requisitos rigorosos de endurecimento anti-radiação.

3. O Espaço

Quantidades substanciais de radiação sob a forma de partículas carregadas ocorrem naturalmente no espaço. Grande parte dessa radiação espacial que ocorre naturalmente vem do Sol. E ainda, grande parte dessa supracitada radiação espacial é muito menos intensa do que a radiação produzida por explosões nucleares, mas ainda é um fator primário quando se trata de operar no espaço, no aspecto longo prazo.

As partículas carregadas em ambientes de radiação podem causar avarias, danos ou mesmo destruição de dispositivos eletrônicos, dependendo da intensidade da radiação e duração da exposição à radiação. A eletrônica espacial sujeita a radiação ao longo do tempo, além disso, pode sofrer degradação no desempenho, ciclos de vida encurtados ou mesmo grandes falhas.

Os chips de memória de estado sólido (SSD), por exemplo, podem sofrer alterações de bits quando atingidos com partículas carregadas, o que pode corromper dados armazenados. Outro tipo de transtorno de evento único é chamado de latchup de evento único, o que interrompe o funcionamento da peça. Curar o problema geralmente requer o desligamento e a ativação da parte afetada. Sem este tipo de correção, a parte pode entrar em sobrecorrente, o que pode causar danos ou destruição.

4. O Endurecimento dos Circuitos

O que diferencia um Rad-Hard para um componente comum de computação, está no endurecimento dos circuitos, isto é, na proteção que recebem para tolerar essas cargas espaciais a longo prazo.

Os chips endurecidos são frequentemente fabricados em substratos isolantes em vez das bolachas semicondutoras usuais. O isolador de silicone (SOI) e a safira (SOS) são os mais comumente utilizados. Enquanto os chips normais de grau comercial podem suportar entre 50 e 100 cinzas (5 e 10 krad), os chips SOI e SOS de grau espacial podem sobreviver a doses de muitas ordens de grandeza maiores.

Temos a placa mãe usada na sonda Curiosity que está neste momento em Marte tirando fotos e coletando material para análise. Nota-se que esses componentes são pouco usuais; são circuitos mais simples, rodam um sistema operacional menos sofisticado.

A quem pode ter imaginado que seja, não, ele não roda sob o linux!
Ele roda o Sistema Operacional de Tempo Real chamado VxWorks; otimizado para que cada instrução não tenha qualquer delay e poder computacional não seja desperdiçado, já que no Espaço tudo é limitado.

Placa mãe da sonda Curiosity: Note que o encapsulamento dos componentes diversos possui um revestimento extra para protegê-los da radiação espacial, poeira e temperaturas extremas. São reforçados tanto externamente quanto internamente.

Marte é um terrível deserto cujas temperaturas noturnas chegam a -128 graus Celsius!
A nível de comparação, o ponto mais gelado do nosso planeta mal chega a -70 graus Celsius.

O que a placa mãe da sonda Curiosity tem de simples, tem de resistente. As camadas extras, seja na confecção do chip, seja na confecção da armadura do corpo dos microcontroladores e microprocessadores possuem compostos como carboneto de silício ou nitreto de gálio. Protegendo os próprios chips, temos o uso de boro empobrecido – consistindo apenas em isótopos de boro-11 – na camada de passivação de vidro de borofosfosilicato que protege as microplaquetas, pois o boro-10 captura facilmente neutrons e sofre decaimento alfa, servindo como um poderoso escudo contra radiação espacial.

Na parte lógica, a programação também recebe reforços!

Temos a correção de erros na memória que usa bits de paridade adicionais para verificar e, possivelmente, corrigir dados corrompidos. Uma vez que os efeitos de radiação danificam o conteúdo da memória mesmo quando o sistema não está acessando a RAM, um circuito de “depurador” deve varrer continuamente a RAM.

Elementos redundantes podem ser usados no nível do sistema misto ao hardware. Três placas separadas de microprocessador podem calcular de forma independente uma resposta para um cálculo e comparar suas respostas. Qualquer delas que produzir um resultado minoritário ou diferente será recalculado. A lógica pode ser adicionada de modo que, se ocorrerem erros repetidos por muito tempo no mesmo sistema, essa placa é desligada em definitivo.

5. Conclusão

Isso tudo comporta os circuitos que chamamos Rad-Hard: Hardwares projetados para trabalhar com extremos de temperatura, radioatividade e até poeira, sendo adicionalmente devidamente refrigerados. No caso da Curiosity, ela possui aquecedores que operam durante a noite para manter os circuitos numa temperatura ideal: Se a sonda congelar no terrível frio Marciano que pode chegar a -128 graus Celsius, ela pode sofrer danos permanentes.

Pra quem estiver interessado, segue o link oficial para maiores informações sobre a Sonda Curiosity!

#UrbanCompassPony

Fontes:
MilitaryAeroSpace: RadHard
Tecmundo: Curiosity
Wiki: Rad-Hard

UrbanCompassPony (José Humberto)

Autodidata, me aprofundei em sistemas operacionais baseados em UNIX®, principalmente Linux. Também procuro trazer assuntos correlacionados direta ou indiretamente, como automação, robótica e embarcados.