Пермские ученые нашли баланс между надежностью и энергоэффективностью электроники
Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали алгоритм, который позволяет значительно повысить надежность электронных блоков, работающих в экстремальных условиях или в технике, требующей особой ответственности.
Традиционный подход к повышению отказоустойчивости электронных компонентов заключается в многократном резервировании самых ответственных систем. Вместо одного блока ставятся два или даже три. Если речь идет об авиации, космической технике, атомной энергетике или медицине это вполне оправдано. Но параллельно работающие устройства не только ведут к значительному удорожанию техники, но и сказываются на габаритах и на стоимости.
В качестве альтернативы используется резервирование не только вычислительных блоков – процессоров – но и транзисторов, которые обеспечивают их работу. Однако такой подход замедляет работу электроники.
Ученые ПНИПУ предложили принципиально иную архитектуру защиты. Их метод комбинированного резервирования сочетает макрорезервирование (дублирование блоков) и микрорезервирование (защита на уровне отдельных транзисторов). При этом речь не идет о конкретном «железном» решении. Специалисты университета разработали методику и алгоритм, который просчитывает параметры системы на стадии проектирования, моделирует все возможные варианты соединения и выдает готовый результат. Полученные данные можно использовать при разработке конкретных устройств.
От лаборатории до атомной станции
У использования новой методики большие перспективы. Подобные решения востребованы там, где нужна особенная надежность, а техника зачастую работает в экстремальных условиях. Это авиация и космическая техника – там, где устройства испытывают высокие вибрационные нагрузки и подвергаются воздействию радиации, атомная энергетика – системы контроля реакторов, медицинская техника, такая как томографы и ИВЛ, а также беспилотный транспорт.
Методика может быть востребована у российских производителей электронного оборудования, как в гражданской, так и в военно-промышленной сфере. Причем алгоритмы могут быть доработаны для использования в системах автоматизированного проектирования (САПР).
Непрерывные поиски устойчивости
Работа над повышением надежности электронных элементов ведется непрерывно. Так что пермские ученые действуют в русле общетехнологического тренда.
В 2022 году Российская академия наук сообщала о новых разработках в области радиационно-стойких решений для космоса и робототехники. В 2023 году ученые из Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники сообщили о разработке нового метода защиты электронных компонентов от электромагнитных импульсов. Результаты работы уже защищены несколькими патентами.
Работа ПНИУПУ становится еще одним важным звеном в цепочке импортозамещения, закрывая пробелы на стадии проектирования.
Новая инженерная философия
Разработка Пермского политеха важна не как готовое техническое решение, а как новый инженерный подход. Ученые решили одну из ключевых проблем подобных разработок – смогли отказаться от грубого наращивания количества резервных элементов в пользу тонкой настройки архитектуры защиты.
Для российских отраслей, связанных с применением чувствительной электронной аппаратуры, это своевременное решение. Теперь пермским ученым предстоит воплотить алгоритмы математического моделирования в реальные прототипы, которые должны пройти испытание на конкретных объектах.
В ближайшие годы возможно использование новой методики в различных НИОКР, а также в специализированных конструкторских центрах, которые занимаются разработкой микросхем. Возможно и коммерческое внедрение в виде дополнительных программных модулей для САПР. С учетом того, что проблемы резервирования актуальны для техники, производящейся в любой стране, у разработки пермских ученых большой экспортный потенциал.
