Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales

Microprocesadores aplicados a
sistemas espaciales
Cristina Calzadilla Gutiérrez
Microprocesadores para comunicaciones
5º ETSIT
Microprocesadores aplicados a sistemas espaciales
Contenido
1.
Introducción. ................................................................................................................................. 3
2. Características de un sistema electrónico orientado a aplicaciones espaciales.
Radiation Hardened Processors..................................................................................................... 3
3.
High-reliability space systems ............................................................................................... 6
4.
Microprocesadores de la ESA ................................................................................................. 7
5.
Microprocesadores desarrollados por ATMEL..............................................................12
6.
COTS (Comercial Off The Shelf) basados en aplicaciones espaciales. ..................16
7.
Referencias. .................................................................................................................................19
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1. Introducción.
La era de los satélites comenzó a mediados del siglo XX posiblemente, en
gran medida, gracias al descubrimiento del transistor en 1947 por el Dr. William
Shockley de Bell Telephone Labs, lo que cambió el curso de la historia al sustituir
los tubos termiónicos de alto vacío que tenían una vida limitada y un alto consumo.
Gracias a este hito nació la industria electrónica y se desarrollaron circuitos
integrados con capacidad de incluir muchos transistores en un único chip lo que
abrió las puertas al desarrollo del mundo de los ordenadores y microprocesadores.
2. Características de un sistema electrónico orientado a
aplicaciones espaciales. Radiation Hardened
Processors.
Los sistemas electrónicos orientados a aplicaciones espaciales, han de tener
ciertas características especiales para poder operar en un espacio el cual no está
protegido por la atmósfera terrestre. Esto es debido a que dichos sistemas se ven
expuestos a ciertos fenómenos de radiación que pueden provocar fallos en el
sistema, o en el peor de los casos, que el sistema deje de funcionar. Estos fallos son
de vital importancia, debido a que el astronauta confía el control de la navegación a
estos sistemas electrónicos y por lo tanto, las interferencias pueden ser fatales. Por
ello, es importante que estos sistemas se diseñen de manera que sean capaces de
superar la radiación a la que se ven expuestos.
Las causas más importantes que pueden provocar que estos sistemas fallen
y que por consiguiente no presten la seguridad adecuada a la misión a la que
atienden son las siguientes:



Larga exposición a la radiación
Actividad impredecible de los vientos solares
Rayos cósmicos
De forma ilustrativa se muestra la siguiente gráfica, en la que se observa la
influencia de la radiación emitida por diferentes tipos de partículas como son:
vientos solares, auroras boreales y rayos cósmicos, por centímetro cuadrado y por
segundo:
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Figura 1: Efecto de las partículas en el ámbito espacial.
Como podemos observar, se muestra la energía de las partículas en millones
de electrón voltio respecto a la densidad de partículas que atraviesan una
superficie de un centímetro cuadrado en un segundo. Las partículas emitidas por
los rayos cósmicos son las de mayor energía. En cambio, las emitidas por los
vientos solares tienen menor energía pero la densidad de partículas por unidad de
área es mucho mayor que la anterior.
Protección de los sistemas electrónicos
Se pueden emplear múltiples técnicas (de forma independiente o en combinación)
para proteger los sistemas electrónicos en el entorno de radiación:


Blindajes
Basados en la arquitectura:
o Configuración
redundante.
Triplicando
el
número
de
microprocesadores que se necesitan: Los tres microprocesadores
realizan los mismos cálculos y se vota acerca de los resultados. Si
uno de los microprocesadores ha cometido un error inducido por
radiación, los otros dos que habrán obtenido el mismo resultado,
ganan así la votación y dan el resultado correcto.
o Existen múltiples niveles de redundancia:
 A nivel de componente.
 A nivel de subsistema.
 A nivel de nave espacial
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Es decir, se contempla incluso la posibilidad de duplicar la nave
espacial, ya que en ciertas ocasiones ahorras en costes y tiempo si
una de las naves se estropea, puesto que no tienes que volver a
lanzarla, sino que ya se encuentra en órbita.
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

Basados en el diseño:
o Estrategias TMR (Triple Modular Redundancy) dentro del propio
chip.
o Implementando circuitos de detección y corrección de errores.
o Dispositivos espaciados y desacoplados.
Basados en el proceso de fabricación:
o Empleando materiales específicos y técnicas de procesamiento no
convencionales.
o Realizando los sistemas electrónicos en fábricas dedicadas al
desarrollar dispositivos rad-hard.
En este contexto cabe destacar lo que se conoce como Radiation Hardened
Electronics for Space Environments (RHESE), que se basa en el desarrollo de
dispositivos de alto rendimiento, lo suficientemente robustos para soportar las
exigencias de la radiación y condiciones de temperatura dentro del entorno
espacial y lunar, es decir, dispositivos tolerantes a la radiación (RadiationTolerant). Los objetivos de dicho proyecto eran los siguientes:







Mejorar la tolerancia a la ionización de partículas subatómicas y ondas
electromagnéticas. Esta ionización se conoce con el nombre de TID (Total
Ionizing Dose), o lo que es lo mismo: dosis completa de ionización, la cual es
el resultado de la acumulación de los efectos debido a una larga exposición
a las radiaciones.
Reducir los fallos debidos a SEU (Single Event Upset). En este caso se debe
al impacto de una única partícula sobre el material, de forma que se
deposita suficiente energía como para causar algún efecto en el dispositivo.
Incrementar el umbral para dichos errores.
Incrementar el rendimiento y eficiencia del microprocesador.
Reducir el límite inferior del rango de temperatura de operación del chip.
Incrementar los niveles de redundancia.
Incrementar la fiabilidad y exactitud de los modelos existentes de los
efectos de la radiación.
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Todo proyecto que requiera operación en condiciones extremas del espacio,
procesadores, automatización, comunicaciones, debe incluir Radiation Hardened
Electronics for Space Environments en su implementación.
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3. High-reliability space systems
Aunque los dispositivos utilizados actualmente son cada vez más complejos
también aportan un mayor grado de fiabilidad. La NASA y la Fuerza Aérea están
buscando métodos que conduzcan al desarrollo de sistemas de mayor fiabilidad.
Los nuevos diseños de procesadores incorporan modelos de fiabilidad que son más
precisos, ya que ciertos fabricantes de componentes están realizando muchos de
estos modelos, como es el caso de Texas Instruments.
En las condiciones fuera de la atmósfera terrestre se debe aumentar el nivel
de fiabilidad al máximo, ya que por un lado, si se trata de una nave espacial a la que
un astronauta confía su navegación por el espacio, la fiabilidad debería de ser la
máxima posible, y por otro lado, cuanto más fiable sea, menos probabilidades de
reparación de dicho sistema se requerirá. Se debe tener en cuenta que reparar un
componente de un sistema espacial requiere un costo muy superior a un sistema
convencional, puesto que se ha de traer de vuelta el sistema a la Tierra. La
fiabilidad de estos sistemas se mide mediante pruebas en la Tierra antes de ser
lanzados.
Para lograr dichos modelos de fiabilidad se debe tener en cuenta que
incrementar el nivel de fiabilidad de un componente debería crear paralelamente
mejoras en la fiabilidad de toda la nave espacial. Las naves espaciales más
pequeñas ofrecen además, ventajas adicionales de fiabilidad, ya que la fiabilidad de
todo el sistema aumenta a medida que disminuye el tamaño del dispositivo.

Altos niveles de integración, por lo general conducen a un aumento de
fiabilidad al reducir el número de subconjuntos y cableado necesario
para realizar las interconexiones. Esto se traduce en un menor número de
fallos y por consiguiente en un aumento de la fiabilidad total del sistema.

Las naves espaciales están formadas cada vez por más circuitos digitales
micro electrónicos por lo que aumentar la fiabilidad de estos componentes
se debe traducir en una mayor fiabilidad general de la nave.
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4. Microprocesadores de la ESA
Durante los últimos 20 años la Agencia Espacial Europea (ESA) ha estado
constantemente trabajando en el desarrollo de los microprocesadores para
aplicaciones espaciales.
El principal objetivo de la ESA ha sido garantizar a los dispositivos de la
comunidad del espacio europeo un alto rendimiento, fiabilidad y
microprocesadores hard-rad.
A finales de los 90, tres generaciones de microprocesadores ya habían sido
desarrolladas por la ESA y actualmente se usan ampliamente en muchos proyectos
espaciales.
En el siguiente cuadro, se pueden observar por orden cronológico, las
familias de microprocesadores más importantes desarrollados para la ESA:
I
Fecha
II
III
Principios de
los 90
MA3750
Mediados de Finales de
los 90
los 90
Prototipo
ERC32 3ERC32
Chip Set
Single Chip
TSC691,
TSC695
692, 693
Fabricante
DYNEX
ATMEL
ATMEL
Semiconductor
(TEMIC)
(TEMIC)
(MEDL)
Tecnología
CMOS/SOS
CMOS RT
SCMOS RT
1.25 micras
0.8 micras
Plus
0.5 micras
Bus de
16-bit
32-bit
32-bit
datos
SPARC V7
SPARC V7
MIPS 2 MIPS - 16
10 MIPS -14 20 MIPS-25
frecuencia
MHz
MHz
MHz
Aún bajo
producción
Obsoleta
Obsoleta
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IV
Principios
del siglo XXI
LEON2-FT
AT697
ATMEL
AT58KRHA
0.18 micras
32-bit
SPARC V8
85 MIPS
Dhrystone100 MHz
Prototipos
disponibles
desde abril
de 2005
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Capacidad del cómputo de los microprocesadores de la ESA medido en
millones de instrucciones por segundo (MIPS)
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Figura 2: Millones de Instrucciones por segundo de los microprocesadores de la ESA.
La primera generación de microprocesadores no utilizaba procesadores
comerciales y se fabricaron con tecnología específica para la influencia de la
radiación: CMOS/SOS. SOS, del Inglés Silicon on sapphire, es un proceso de
fabricación de circuitos integrados mediante el cual se hace crecer una delgada
capa de silicio sobre una oblea de zafiro. La segunda y tercera generación utilizaba
un procesador comercial, el cual fue modificado para mejorar la protección contra
la radiación.
ERC32
El primer ERC32 estaba compuesto por tres chips (una unidad de enteros, una
unidad de coma flotante y un controlador de memoria) que lograban operar a 10
MIPS con una tecnología de 0.8 micras. La computadora fue diseñada para utilizar
buses VME y, sobre ella, se ejecutaba el Sistema Operativo VxWorks en su versión
5.3.
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Figura 3: Arquitectura del ERC32.
En 1998 el ERC32 fue unificado en una única pastilla, el TSC695, fabricado
con un proceso de 0.6 micras, que opera hasta 20 MIPS. Este microprocesador
sigue siendo, hoy día, el procesador estándar en todas las misiones de la ESA,
además de haber sido usado por la NASA, China e Israel entre otros. La versión
TSC695F fabricada por Atmel con un proceso de 0.5 micras tolerante a radiaciones
incorporó nuevas funcionalidades. El chip, conjuntamente con una memoria y
unos periféricos de aplicación específica, forman un dispositivo on-board
completo. El resto de funciones del sistema están proporcionadas por el núcleo
como se puede observar en la siguiente figura:
Figura 4: Arquitectura del TSC695.
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Antes incluso de desarrollarse la versión TSC695 del ERC32, ya se había
manifestado cierta necesidad de un cambio de arquitectura en los
microprocesadores de la ESA ante ciertos problemas detectados en el ERC32.
La primera versión del LEON (LEON-1) se desarrolló en el año 2000 y su
prototipo fue fabricado con un proceso de 0.35 micras alcanzando un rendimiento
de 100 MIPS y con un consumo de 0.5 Vatios. En el diseño se incluían: un
multiplicador y divisor por hardware, un controlador de interrupciones, dos
relojes de 24-bits, dos UARTs, watchdog, un puerto de entrada/salida de 16 bits y
un controlador de memoria flexible. Este diseño estaba formado por un bus
estándar lo que permitía añadir fácilmente núcleos IP, es decir, nuevas
funcionalidades, al núcleo principal.
Figura 5: Arquitectura del LEON-1.
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Cuarta generación de microprocesadores. LEON-2, LEON2-FT.
Este microprocesador fue diseñado por la ESA. El diseño estaba hecho
en VHDL para dotarlo de portabilidad y de facilidades de configuración. Este
modelo en VHDL estaba disponible como núcleo IP en dos versiones diferentes:

No tolerancia a fallos (LEON-2). Las principales mejoras que introdujo
respecto al anterior fueron las siguientes: Las principales mejoras
introducidas son las siguientes: cachés Multi-way con reemplazo aleatorio,
LRU ó LRR, controlador de memoria para PROM y SRAM externa,
controlador de 32-bits para SDRAM PC133, sistema de Buses on-chip
AMBA-2.0, AHB y APB, sistema avanzado de Debugging on-chip y modo
Power-down. Disponible bajo licencia GNU/LGPL para aplicaciones
industriales.
Figura 6: Arquitectura del LEON-2.

Tolerancia a fallos (LEON2-FT). Disponible bajo la licencia de la ESA para
aplicaciones espaciales.
La disponibilidad de la versión no tolerante a fallos bajo GNU/LGPL
permitió un amplio uso de este microprocesador como núcleo IP en el mercado de
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consumo, donde han sido utilizados en muchos productos comerciales, tales como,
multimedia, GPS, teléfonos móviles y muchas otras aplicaciones no espaciales.
Un ejemplo de microprocesador tolerante a fallos es el desarrollado por
Atmel para la ESA, el LEON2-FT. Éste se fabricó con un proceso de 0.18 micras con
tecnología CMOS y se comercializa con el nombre de AT697. La primera versión de
este componente, la AT697E, fue testeada por ATMEL y se aseguró su
funcionamiento para los siguientes casos: TID de hasta un total de 60Krads e
inmunidad de los latch por encima de 80 MeV/mg/cm2.
La disponibilidad de la versión tolerante a fallos del LEON2-FT bajo la
licencia de la ESA también permitió el desarrollo por compañías del espacio de
implementaciones más específicas atendiendo a sus necesidades bajo la forma
“System on Chip” (SOC).
Al igual que la anterior generación de microprocesadores, existen
oportunidades para el desarrollo y comercialización de varias herramientas como
por ejemplo simuladores, software de validación y monitores de depuración.
En conclusión, comparando con las anteriores generaciones de
microprocesadores de la ESA el LEON-2/LEON2-FT, es un diseño abierto y
fácilmente portable y configurable. Además, como ya se ha dicho, se puede
aumentar fácilmente su funcionalidad, añadiendo nuevos núcleos IP gracias al uso
de un bus estándar interno.
5. Microprocesadores desarrollados por ATMEL
ATMEL trabaja en microprocesadores para el espacio desde hace más de 15 años.
Entre los microprocesadores existentes para aplicaciones espaciales se encuentran
los siguientes:




80C32E
TSC21020 DSP
TSC695F and TSC695FL Sparc V7
AT7913E LEON2-FT Sparc V8
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Figura 7: AT7913E – LEON2FT - SpaceWire RTC


AT697E/F LEON2-FT Sparc V8
Reconfigurable Processor
Dentro de la familia de productos de microprocesadores basados en el LEON2-FT
encontramos los siguientes:

B_ LEON2-FT Sparc V8:
 Arquitectura de 32 bits.
 Tecnología de 90nm.
 Frecuencias desde los 120MHz a los 200MHz.
 Añade nuevas características:
o Unidad de manejo de memoria: MMU.
o Aumenta el tamaño de la caché.
o Internal SRAM (HRAM Hardened) and ROM (HROM) with
Default Boot.
o SpaceWire, interfaz PCI y AHB External Bus.
o Interfaz exterior ADC/DAC
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Figura 8: B_ LEON2-FT Sparc V8

S_ LEON2-FT Sparc V8
 Arquitectura de 32 bits.
 Tecnología de 90nm.
 Low processing power
o
o
o
o
o
o
o
o
Low power single chip
Low end space application (Sensors,…)
No cache memories
4 Register Windows
No internal Sram
8 bits external memories interface
Limited addressing range (few Mbytes)
No FPU
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Figura 9:S_ LEON2-FT Sparc V8

DSP_ LEON2-FT Sparc V8
o DSP, programable en C.
o Unidad en punto flotante.
o Más de 10 operaciones en punto flotante por ciclo.
o Dos unidades de generación de direcciones y cuatro accesos a
memoria por ciclo.
o Program Memory Management Unit (PMU).
o DMA.
o Bus AMBA AHB maestro y esclavo.
Figura 10: DSP_ LEON2-FT Sparc V8
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6. COTS (Comercial Off The Shelf) basados en aplicaciones
espaciales.
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El uso de componentes comerciales para aplicaciones espaciales está
actualmente en pleno auge. Además, dicho uso se vuelve cada vez más atractivo si
comparamos estos componentes con sus equivalentes realizados bajo las premisas
de Hi-Rel (High Reliability) / Rad-Tol (Radiation-Tolerant) / Rad-Hard (RadiationHardened), ya que no todos estos modelos, puede ser completamente
desarrollados en sistemas empotrados. Los diseñadores de arquitecturas
hardware y software necesitan adaptar el uso de los componentes comerciales a
las limitaciones del espacio, generalmente, sacrificando parte de su rendimiento.
En primer lugar, el uso de componentes COTS en el entorno espacial, debe ser
examinado y revisado a través de unos criterios de selección y calificación
(primera fase que los componentes COTS han de pasar). En el campo de los
microprocesadores, existen tres grandes factores en los que se basan estos
criterios: la frecuencia, el consumo de potencia y la memoria.
Junto con los componentes comúnmente utilizados en un diseño Hi-Rel / RadTol en el desarrollo de aplicaciones espaciales, algunos componentes COTS son
también utilizados, principalmente en algunas misiones científicas donde el
rendimiento y la reducción de costes son factores importantes para la viabilidad
del proyecto.
Aunque el uso del componentes COTS actualmente es muy limitado, está sin
embargo aumentando, particularmente porque estos son capaces de proporcionar
un rendimiento a nivel de sistema que sus equivalentes Hi-Rel/Rad-Tol no pueden
proporcionar (por ejemplo para conversores analógicos digitales).
Por ejemplo, se puede observar el caso de la familia de micro satélites
MYRIADE, desarrollados por la CNES, la agencia espacial francesa, sus dos
computadores empotrados fueron en su mayoría desarrollados utilizando
componentes COTS para circuitos integrados.
Antes de utilizar los componentes COTS en una misión espacial estos deben
pasar por una etapa de selección y calificación. Se les realiza una serie de test, y
mediante los resultados obtenidos se decidirá sin son aptos para la aplicación
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espacial en cuestión o no. En primer lugar se les realizan unos test para medir los
requerimientos de garantía de calidad del componente (Quality Assurance), dicho
test se conoce como LAT (Lot Acceptance Test). En estos test se evalúa el
comportamiento del componente a tres temperaturas diferentes, pruebas en
condiciones de humedad, etc.
Finalmente, se realizan test específicos en los que se evalúan los requerimientos
que han de tener dichos componentes en una misión espacial, éstos se miden en
términos de: TID (Total Integrated Dose), SEL (Single Event Latch-up), SEU (Single
Event Upset).
Límites del rendimiento de los componentes COTS
A. Frecuencia:
Los microprocesadores realizados con componentes COTS pueden tener
buses de 64 bits funcionando a frecuencias de cientos de MHz, que va
mucho más allá de las velocidades conseguidas en dispositivos
desarrollados específicamente para aplicaciones espaciales. Dichos buses,
requieren además memorias capaces de mantener esas tasas de datos: las
memorias de tipo Hi-Rel no son capaces de soportar dichas velocidades.
Por lo tanto, probablemente será necesario limitar la frecuencia de
funcionamiento del bus de los microprocesadores, por ejemplo, entre 50 y
100MHz para los PowerPC7448 de Freescale, el cual tiene un bus con una
frecuencia máxima de funcionamiento de 200MHz. Esto puede aumentar el
cuello de botella del sistema que normalmente se produce en el bus de la
memoria, reduciendo así la capacidad de cómputo de la misión.
B. Consumo de potencia:
El consumo de potencia de un computador Hi-Rel para la plataforma de un
satélite está en torno a 30 ó 40 W. Por otro lado, una estimación de la
máxima potencia que consume un circuito impreso muestra que 15 ó 20 W
es un valor razonable que no debe ser sobrepasado con el fin de evitar una
superficie de contacto mecánica más compleja y un sistema de
refrigeración.
Sin embargo, un microprocesador tal como los de la última generación de
PowerPC consume alrededor de 30W en el peor de los casos (funcionando a
la máxima frecuencia). A esto debemos añadirle que el microprocesador
estará además rodeado de otros elementos que también consumen potencia
como son la memoria, los dispositivos de entrada/salida etc. Es obvio por lo
tanto, que no será posible utilizar dichos microprocesadores a la máxima
frecuencia en aplicaciones espaciales.
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C. Memoria caché:
En el dominio espacial, las memorias caché son muy sensibles a SEU (Single
Events Upset). Los microprocesadores más recientes están empezando a
incluir paridad o EDAC en sus memorias caché (como es el PowerPC7448),
de manera que todos los bits de la memoria están protegidos.
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7. Referencias.
[1] http://www.esa.int/esaCP/index.html
[2] http://www.esa.int/TEC/Microelectronics/
[3]http://esamultimedia.esa.int/docs/industry/ISD2006/Presentations/3_R&D_E
SA_Microprocessors_AL-Pouponnot.pdf
[4]http://microelectronics.esa.int/mpsa/GeneralPurposeStandardMicroprocessor
s-Pres-MPSA.pdf
[5] http://microelectronics.esa.int/components/comppage.htm
[6]http://personal.ee.surrey.ac.uk/Personal/T.Vladimirova/LectureSeries/slides
2005/SurreyTalk07Dec2005-RW.pdf
[7]http://microelectronics.esa.int/conferences/mesa2010/04_S1_1000_ATMEL_G
uy_Mantelet.pdf
[8] http://microelectronics.esa.int/amicsa/2010/7am/Agarwal.pdf
[9] http://smartech.gatech.edu/bitstream/handle/1853/26381/97-168-1PB.pdf?sequence=1
[10] http://www.msc.de/en/produkte/elekom/3311-www.html
[11] http://www.electronicsweekly.com/Articles/2010/03/31/48331/freescale-64kprocessors-to-be-supplied-by-e2v.htm
[12] http://www.dateconference.com/proceedings/PAPERS/2010/DATE10/PDFFILES/09.4_1.PDF
[13]http://microelectronics.esa.int/erc32/Hardware%20and%20Documentation
%20Status%20of%20the%20ERC32%20Single%20Chip%20i1r1a.pdf
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[14] http://microelectronics.esa.int/mpsa/MPSA_MP_Atmel.pdf
[15]http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070018806_200701
8253.pdf
[16] http://microelectronics.esa.int/mpsa/Astrium-Computer-landscape.pdf
[17] http://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_hardening
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