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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Raumfahrzeug mit einer Datenverarbeitungsanlage zum redundanten Ausführen von Datenverarbeitungsoperationen, wobei das Raumfahrzeug bevorzugt für die Verwendung im außeratmosphärischen Orbit bzw. im Vakuum vorgesehen ist.
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Technischer Hintergrund
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Redundanz in Datenverarbeitungsanlagen erhöht die Betriebssicherheit, indem die Redundanz mindestens eine Fehlererkennung und ggf. sogar eine Fehlerkorrektur ermöglicht. Redundanz in technischen Anlagen kann insbesondere in sicherheitskritischen oder hochautomatisierten Anwendungen gefordert sein, insbesondere wenn ein Eingriff durch menschliche Bediener nur in einen Teil der Funktionen möglich ist, wie z.B. bei einem unbemannten im Orbit befindlichen Raumfahrzeug. Auch ist bei einer solchen abgesetzt operierenden Plattform ein Eingriff eines menschlichen Bedieners nur dann möglich, wenn zumindest eine Kommunikationsverbindung zu einer Bedienstation besteht, wobei die Kommunikationsverbindung genutzt wird, um Steuerkommandos oder andere Anweisungen zu übertragen.
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Je nach Maß der Redundanz ist nur eine Fehlerkennung oder eine Fehlerkorrektur möglich. Wird Redundanz durch das Vorhalten mehrerer identischer Komponenten einer Datenverarbeitungsanlage bereitgestellt, können diese entweder als Reserve vorgehalten oder parallel betrieben werden. Im Falle des Parallelbetriebs, in welchem alle Komponenten zeitgleich die gleichen Operationen ausführen, kann bei zwei Komponenten ein Fehler festgestellt werden, wenn die beiden Ergebnisse voneinander abweichen. Es kann in der Regel jedoch nicht festgestellt werden, welches Ergebnis richtig bzw. falsch ist. Dazu ist es üblicherweise erforderlich, dreifache oder noch höhere Redundanz vorzuhalten. Sodann kann z.B. mittels eines Mehrheitsentscheids das (wahrscheinlich) richtige Ergebnis ermittelt werden.
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Daneben sind weitere Fehlererkennungs- und Fehlerkorrekturmechanismen bekannt, welche je nach Anwendungsgebiet zur Verwendung kommen können.
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Feldmann Melanie: Einfach redundante Steuerungssystem aufbauen, beschreibt Redundanz und Redundanzkonzepte in Datenverarbeitungsanlagen, insbesondere ein redundantes System mit zwei Komponenten, wobei ein Sekundärelement die Durchführung einer Operation übernimmt, wenn ein Primärelement ausfällt.
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Ng, Herath: Radiation-Tolerant Intelligent Memory Stack (RTIMS), 2nd IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology (SMC-IT'06), 2006, beschreibt Redundanzkonzepte in Raumfahrtanwendungen und geht insbesondere auf durch hochenergetische Teilschenstrahlung verursache Fehler in Halbleiterbauelementen ein. Es wird eine kompakte Bauweise von elektronischen Komponenten und eine geeignete Abschirmung vorgesch lagen.
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US 6 376 914 B2 beschreibt den strukturellen Aufbau einer Halbleiterbaugruppe und insbesondere die räumliche Anordnung von zwei Halbleiterelementen zueinander, um das Herstellen einer Verbindung zwischen ihnen zu erleichtern.
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Decoursey, Estes, Melton: Non Radiation Hardened Microprocessors in Spaced Based Remote Sensing Systems beschreibt Redundanzkonzepte in Datenverarbeitungsanlagen und insbesondere Rechner mit einer einzelnen Hauptplatine (sog. single borad computers) und die Verwendung spezieller, strahlungsresistenter Schaltkreise, um Fehler durch hochenergetische Teilchenströme zu vermeiden.
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Baze et al.: Angular Dependence of Single Event Sensitivity in Hardened Flip/Flop Designs, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 55, No. 6, December 2008, beschreibt Redundanzkonzepte in Datenverarbeitungsanlagen und insbesondere die Abhängigkeit einer Fehlerrate von einem Auftreffwinkel einer externen Strahlung auf ein einzelnes Halbleiterelement. Dieses Dokument zielt darauf ab, die räumliche Lage eines einzelnen Halbleiterelements so zu wählen, dass die Fehlerrate reduziert wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es kann als Aufgabe der Erfindung betrachtet werden, ein Raumfahrzeug mit einer redundanten Datenverarbeitungsanlage anzugeben, welche das Erkennen und Korrigieren von Fehlern insbesondere bei einer Verwendung im außeratmosphärischen Orbit unterstützt bzw. erleichtert.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Raumfahrzeug angegeben, welches ausgeführt ist, in einer Erdumlaufbahn betrieben zu werden. Das Raumfahrzeug weist eine redundante Datenverarbeitungsanlage auf, welche angeordnet ist, Datenverarbeitungsoperationen in dem Raumfahrzeug auszuführen. Die redundante Datenverarbeitungsanlage weist ein erstes Halbleiterelement und ein zweites Halbleiterelement auf, wobei das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement ausgeführt sind, eine Datenverarbeitungsoperation redundant auszuführen und wobei das erste Halbleiterelement so angeordnet ist, dass es relativ zu dem zweiten Halbleiterelement einen ersten Winkel aufspannt, welcher größer als 0° und kleiner als 180° ist, so dass ein das Raumfahrzeug treffender homogener, hochenergetischer Teilchenfluss auf das erste Halbleiterelement und auf das zweite Halbleiterelement in einem unterschiedlichen Winkel auftrifft.
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Ein Halbleiterelement im Sinne dieser Beschreibung kann ein Prozessor, ein sog. Chip, ein Mikrocontroller oder ein Speichermodul sein oder ein elektrischer Bauteilträger (z.B. eine Platine), auf dem eine der genannten Komponenten angeordnet ist. Allgemein ist ein Halbleiterelement also eine Komponente der elektronischen Datenhaltung und Datenverarbeitung, welche auf Halbleitermaterial wie z.B. Silizium oder anderen Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit beeinflusst werden kann (z.B. durch Anlegen einer Steuerspannung), sowie Legierungen dieser Materialien, basieren.
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Insbesondere kann ein Halbleiterelement eine Vielzahl von Transistoren oder anderen Komponenten (allgemein: Schalter, unabhängig von ihrer konkreten schaltungstechnischen Realisierung) aufweisen, welche angeordnet sein können, in ihrer Gesamtheit Datenverarbeitungsoperation durchzuführen oder Daten zu speichern, zum Abruf bereit zu halten und die Daten auf Anforderung herauszugeben.
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Eine redundante Datenverarbeitungsanlage eignet sich insbesondere für die Verwendung im Weltraum (außeratmosphärisches Orbit um die Erde, Vakuum). In dieser Umgebung, z.B. an Bord eines Satelliten, können elektromagnetische Strahlung und/oder Teilchenflüsse Halbleiterelemente dahingehend beeinflussen, dass ein Zustand (leitend oder sperrend) eines Schalters des Halbleiterelements verändert werden kann. Damit kann es in Datenverarbeitungsanlagen zu Fehlern auf Grund dieser Einflüsse kommen. Ein solcher Fehler kann z.B. als Bitfehler (auch: störendes singuläres Ereignis, oder engl.: single event upset oder single event effect) bezeichnet werden, z.B. wenn in einem Speichermodul der Zustand einer Speicherzelle (Bit) durch die elektromagnetische (ggf. ionisierende) Strahlung oder durch deren Eigenschaft als Teilchenfluss geändert wird. Um solche Fehler mindestens zu erkennen und ggf. auch zu korrigieren, werden in technischen Systemen für die Verwendung im Weltraum Datenverarbeitungsanlagen redundant aufgebaut. D.h. es sind insbesondere mehrere Prozessoren und Speichermodule vorgesehen, welche die gleiche Operation zeitgleich durchführen bzw. die gleichen Daten vorhalten. Je nach Anzahl (n) der vorgehaltenen redundanten Komponenten (n-Redundanz) können Fehler erkannt oder auch korrigiert werden. Je nach Anzahl der von einer durch einen Teilchenfluss hervorgerufenen Störung betroffenen redundant vorgehaltenen Komponenten kann es passieren, dass ein Fehler nicht erkannt und auch nicht korrigiert werden kann. Besonders nachteilig kann es sein, wenn mehrere Komponenten (Halbleiterelemente) in der gleichen Art und Weise von einem hochenergetischen Teilchenfluss beeinflusst werden und das gleiche falsche Ergebnis liefern. Ein solches Szenario kann dazu führen, dass ein Fehler nicht nur nicht erkannt, sondern irrtümlich für richtig gehalten wird.
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Diesem Szenario beugt die redundante Datenverarbeitungsanlage wie hierin beschrieben vor, indem die redundanten Halbleiterelemente windschief zueinander angeordnet sind, so dass ein hochenergetischer Teilchenfluss auf die einzelnen Halbleiterelemente in unterschiedlichem Winkel auftrifft. Es kann davon ausgegangen werden, dass ein hochenergetischer Teilchenfluss im Weltraum zumindest bei begrenzter räumlicher Ausdehnung, also über das räumliche Volumen eines Satelliten, als homogen betrachtet werden kann. Unter einem homogenen Teilchenfluss wird insbesondere verstanden, dass die Fließrichtung und die Intensität des Teilchenflusses gleich sind oder sich nicht wesentlich verändern, wenn das räumliche Volumen eines Satelliten betrachtet wird.
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Die Halbleiterelemente sind insbesondere windschief zueinander angeordnet, d.h. dass zwei gedachte Ebenen, in welcher sich jeweils eines der Halbleiterelemente erstreckt, sich schneiden und nicht parallel zueinander verlaufen. Die Halbleiterelemente sind damit weder übereinander und parallel zueinander verlaufend noch derart nebeneinander angeordnet, dass sie als auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet betrachtet werden können. Die Halbleiterelemente erstrecken sich also in zueinander windschiefen Ebenen. Für die Zwecke dieser Betrachtung kann ein Halbleiterelement als Komponente mit im Wesentlichen zweidimensionaler, flächiger Erstreckung betrachtet werden, also wird die Stärke/Dicke eines Prozessors bzw. die dreidimensionale Koordinate, entlang welcher das Halbleiterelement die geringste räumliche Ausdehnung hat, vernachlässigt. Auch können von den Halbleiterelementen sich entsprechende Oberflächen gewählt werden, deren flächige Erstreckung windschief zueinander ist. Beispielsweise kann von jedem Halbleiterelement diejenige Oberfläche betrachtet werden, welche elektrische oder optische Anschlusselemente aufweist, mit denen das Halbleiterelement an einem Bauteilträger angeschlossen wird. Diese beiden Oberflächen der Halbleiterelemente sind windschief zueinander angeordnet. Mit Hilfe dieser Betrachtung kann auch im Falle, dass das Halbleiterelement würfelförmig ist, bestimmt werden, ob zwei Halbleiterelemente windschief zueinander angeordnet sind.
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Die windschiefe Anordnung von zwei Halbleiterelementen relativ zueinander hat den Effekt, dass insbesondere in Satelliten, welche starken elektromagnetischen Strahlungen und Teilchenflüssen im Weltraum ausgesetzt sind, die Halbleiterelemente unterschiedlich von eben diesen Strahlungen und Teilchenflüssen beeinflusst werden, weil die Teilchenflüsse und Strahlungen in unterschiedlichen Winkeln auf die Halbleiterelemente auftreffen und somit die Wahrscheinlichkeit, dass beide Halbleiterelemente eine Operation gleich fehlerhaft ausführen, reduziert wird.
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Wird im Zusammenhang dieser Beschreibung von einer Beeinflussung der Halbleiterelemente durch einen Teilchenfluss gesprochen, so schließt dies stets auch eine Beeinflussung durch elektromagnetische Strahlung ein und bezieht sich allgemeine auf eine ungewollte Beeinflussung eines Halbleiterelements. Bei einer solchen ungewollten Beeinflussung des Halbleiterelements durch einen Teilchenfluss kann ein Zustand in dem Halbleiterelement auf Grund des Teilchenflusses geändert werden, ohne dass die Zustandsänderung durch eine Datenverarbeitungsoperation der Datenverarbeitungsanlage initiiert worden ist.
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Die räumliche Anordnung der Halbleiterelemente relativ zueinander kann auch definiert werden, indem auf eine erste Längserstreckungsrichtung des ersten Halbleiterelements und eine zweite Längserstreckungsrichtung des zweiten Halbleiterelements zurückgegriffen wird. Die Längserstreckungsrichtungen schneiden sich in einem Winkel der größer als 0° und kleiner als 180° ist. Die Längserstreckungsrichtung eines Halbleiterelements ist beispielsweise eine gedanklich verlängerte Linie, welche entlang einer Oberfläche eines Halbleiterelements verläuft. Im dreidimensionalen Raum können die Längserstreckungsrichtungen in Form gedanklich verlängerter Linien auch so verlaufen, dass sie sich nicht schneiden. In dem Fall ist es nötig, dass sie zumindest nicht parallel zueinander verlaufen und auch nicht zusammenfallen, sie also windschief zueinander sind. In der Terminologie eines dreidimensionalen Koordinatensystems bilden aber auch solche im dreidimensionalen Raum sich nicht schneidenden Längserstreckungsrichtungen zumindest in einer Projektion auf eine zweidimensionale Ebene einen Schnittpunkt und schließen damit in jedem Fall einen Winkel ein, welcher größer als 0° und kleiner als 180° ist. Die in dieser Beschreibung verwendeten Winkelangaben beziehen sich auf einen in 360° aufgeteilten Vollkreis.
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Die redundante Datenverarbeitungsanlage weist in einer Ausführungsform Fehlererkennungsmechanismen und ggf. Fehlerkorrekturmechanismen auf. Diese sind funktional unabhängig von den Halbleiterelementen und deren Anordnung und arbeiten lediglich mit den von den Halbleiterelementen gelieferten Daten bzw. Ergebnissen. Auch können Fehlererkennungsmechanismen und Fehlerkorrekturmechanismen (z.B. Vorwärtsfehlerkorrekturmechanismen) in den Halbleiterelementen implementiert sein. Im Falle von zwei Halbleiterelementen kann also erkannt werden, dass ein Fehler vorliegt, wenn diese beiden Halbleiterelemente unterschiedliche Ergebnisse liefern. Eine Fehlerkorrektur kann in diesem Fall in der Regel jedoch nicht vorgenommen werden, da üblicherweise nicht bestimmt werden kann, welches Halbleiterelement nun den fehlerhaften Wert liefert und welches den richtigen Wert liefert.
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Die Verbesserung der Fähigkeit, Fehler zu erkennen und zu korrigieren, erfolgt in der hier beschriebenen Datenverarbeitungsanlage unabhängig von den Fehlererkennungs- und Fehlerkorrekturmechanismen durch die räumliche Anordnung der Halbleiterelemente relativ zueinander. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit, dass mehrere Halbleiterelemente den gleichen Fehler aufweisen, reduziert, so dass es einem nachgelagerten Mechanismus der Fehlerkennung und Fehlerkorrektur ermöglicht wird, Fehler zuverlässiger zu erkennen und in der Folge zu korrigieren. Einzelheiten hierzu sind eine Frage dieser Mechanismen und vorliegend von nur nachrangiger Relevanz. Entscheidend hier ist, dass die Halbleiterelemente so angeordnet werden, dass sie nach Möglichkeit bei der gleichen Operation nicht den gleichen Fehler machen um zu vermeiden, dass ein solcher gleicher Fehler als solcher gar nicht erkannt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Winkel größer als 60°. In einer Ausführungsform ist der erste Winkel 90°, so dass die Halbleiterelemente senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
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Damit wird eine genügend große abweichende Anordnung der Lage der beiden Halbleiterelemente relativ zueinander erzeugt, so dass ein Teilchenfluss in einer zumindest zeitweise gleichbleibenden ersten Richtung die beiden Halbleiterelemente unterschiedlich beeinflusst und auch geringfügige Änderungen der Richtung des Teilchenflusses nicht dazu führen, dass beide Halbleiterelemente gleich beeinflusst werden.
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Die redundante Datenverarbeitungsanlage kann bevorzugt so aufgebaut sein, dass die redundant vorgehaltenen Komponenten (Halbleiterelemente) identisch sind. Somit kann eine windschiefe Lage der Halbleiterelemente relativ zueinander einfach festgestellt werden, indem einander entsprechende Oberflächen der identischen Halbleiterelemente für die relative Lage herangezogen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das erste Halbleiterelement räumlich getrennt von dem zweiten Halbleiterelement angeordnet.
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Dies kann zusätzlich dazu beitragen, die Beeinflussung der Halbleiterelemente durch einen Teilchenfluss zu variieren bzw. zu diversifizieren, so dass zwei Halbleiterelemente gerade nicht den gleichen Fehler hervorrufen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die redundante Datenverarbeitungsanlage ein drittes Halbleiterelement auf, welches so angeordnet ist, dass es relativ zu dem ersten Halbleiterelement einen zweiten Winkel aufspannt und relativ zu dem zweiten Halbleiterelement einen dritten Winkel aufspannt, wobei der zweite Winkel und der dritte Winkel jeweils größer als 0° und kleiner als 180° sind.
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In dieser Konfiguration weist die redundante Datenverarbeitungsanlage insgesamt drei Halbleiterelemente auf. Damit ist ein Mehrheitsentscheid bei der Fehlererkennung und ggf. Fehlerkorrektur möglich. Fehler eines einzelnen Halbleiterelements können durch zwei übereinstimmende Ergebnisse der anderen beiden Halbleiterelemente erkannt und ggf. korrigiert werden. Das dritte Halbleiterelement ist sowohl zu dem ersten Halbleiterelement als auch zu dem zweiten Halbleiterelement windschief angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich der zweite Winkel von dem dritten Winkel.
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Damit sind die Halbleiterelemente so angeordnet, dass sich einander entsprechende Oberflächen der einzelnen Halbleiterelemente in unterschiedliche Richtungen erstrecken, so dass die Einwirkungen eines hochenergetischen Teilchenflusses durch diese unterschiedliche (oder unregelmäßige) räumliche Anordnung der Halbleiterelemente relativ zueinander noch weiter diversifiziert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die redundante Datenverarbeitungsanlage ein viertes Halbleiterelement auf, welches windschief zu dem dritten Halbleiterelement, dem zweiten Halbleiterelement und dem ersten Halbleiterelement angeordnet ist und wobei das vierte Halbleiterelement zu jedem der anderen Halbleiterelemente einen Winkel einschließt, der von den anderen beiden Winkeln abweicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die redundante Datenverarbeitungsanlage ein Gehäuse auf, wobei zumindest das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement in dem Gehäuse angeordnet sind.
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Es können jedoch auch alle Halbleiterelemente der redundanten Datenverarbeitungsanlage in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Dabei sind zumindest zwei, bevorzugt jedoch mehr oder alle Halbleiterelemente der Datenverarbeitungsanlage in unterschiedlichen räumlichen Winkeln relativ zueinander angeordnet. In anderen Worten sind die Halbleiterelemente der Datenverarbeitungsanlage räumlich unregelmäßig angeordnet, so dass sie von den Wirkungen eines hochenergetischen Teilchenflusses nicht alle gleich beeinflusst werden oder im Idealfall nur ein einzelnes Halbleiterelement hiervon beeinflusst wird, je nach Richtung und Intensität des Teilchenflusses.
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Bei einer unregelmäßigen Anordnung in einem Gehäuse kann sich viel ungenutzter Raum oder nicht nutzbares Volumen ergeben. Insbesondere in der Raumfahrt kann der Bauraum jedoch eine knappe Ressource sein. Um den gesamten Bauraum in einem Satelliten effizient zu nutzen, können die Halbleiterelemente auch derart räumlich voneinander getrennt angeordnet sein, dass sie nicht in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, sondern in verschiedenen Gehäusen, wobei diese Gehäuse windschief zueinander angeordnet sind. Das führt dazu, dass in jedem einzelnen Gehäuse der verfügbare Raum effektiv genutzt wird und die Halbleiterelemente der redundanten Datenverarbeitungsanlage dennoch windschief relativ zueinander sind. In anderen Worten sind die Halbleiterelemente in verschiedenen Gehäusen angeordnet, aber dennoch funktional miteinander gekoppelt, um die redundante Datenverarbeitungsanlage zu bilden.
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Gemäß der Erfindung ist ein Raumfahrzeug angegeben, welches ausgeführt ist, in einer Erdumlaufbahn betrieben zu werden, und welches eine redundante Datenverarbeitungsanlage wie oben und im Folgenden beschrieben aufweist und wobei die redundante Datenverarbeitungsanlage angeordnet ist, Datenverarbeitungsoperationen in dem Raumfahrzeug auszuführen.
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Das Raumfahrzeug ist insbesondere ausgeführt, in einer Erdumlaufbahn in einer Höhe von beispielsweise 300 km oder mehr über dem Erdboden betrieben zu werden. Es kann sich dabei um ein bemanntes oder unbemanntes Raumfahrzeug handeln, welches insbesondere außerhalb der Erdatmosphäre betrieben wird, wo das Raumfahrzeug ohne den Schutz der Erdatmosphäre hochenergetischen Teilchenflüssen und/oder elektromagnetischen Wellen bzw. Strahlung ausgesetzt sein kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement räumlich getrennt voneinander in dem Raumfahrzeug angeordnet.
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Für die Anordnung der Halbleiterelemente kann der gesamte Innenraum und ggf. die Außenfläche des Raumfahrzeugs genutzt werden. Durch die räumliche Trennung der Halbleiterelemente können diese platzsparend windschief zueinander angeordnet werden und die Halbleiterelemente werden nicht an einer im Wesentlichen gleichen Stelle und in einer gleichen Winkellage den gleichen hochenergetischen Teilchenflüssen ausgesetzt. Somit wird eine bessere Fehlererkennbarkeit in der redundanten Datenverarbeitungsanlage ermöglicht.
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Eine der Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis kann wie folgt beschrieben werden:
- Die Effizienz redundanter Anlagen kann dadurch begrenzt werden, dass die Wahrscheinlichkeit nicht korrigierbarer multipler Bitfehler mit der Intensität eines hochenergetischen Teilchenflusses, welcher auf die Komponenten der redundanten Anlage im Wesentlichen homogen auftrifft, zunimmt. Bei gleichartig angeordneten Komponenten einer redundanten Anlage können diese Fehler gleichartig und gleichzeitig in mehreren Komponenten auftreten, so dass ein Fehler nicht erkannt oder gar irrtümlich für richtig gehalten wird. In sicherheitskritischen Umgebungen kann dies dazu führen, dass ein Ergebnis in einem vorher festgelegten Zeitraum (Echtzeitbedingung) nicht oder gar falsch vorliegt. Die Datenverarbeitungsanlage wie hierin beschrieben sieht vor, dass Rechenoperationen auf redundanten Komponenten ausgeführt werden, welche örtlich getrennt und in unterschiedlichen Winkellagen zueinander angeordnet sind. Jedenfalls sollen die redundanten Komponenten nicht so angeordnet sein, dass einander entsprechende Oberflächen der einzelnen Komponenten sich in der gleichen Ebene erstrecken und sie sich in unterschiedliche räumliche Orientierungen erstrecken.
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Selbst wenn die Halbleiterelemente in Form von Prozessoren, Speicher, oder anderen Chips eigene Fehlerbehandlungsmechanismen (Erkennung und/oder Korrektur) aufweisen, welche die Korrektur von einfachen Bitfehlern und das Erkennen von Mehrfachfehlern ermöglichen, können diese Mechanismen außer Kraft gesetzt werden und nicht mehr wirksam sein, wenn die Anzahl der Mehrfachfehler einen bestimmten Wert übersteigt. Gerade im Falle von hochenergetischen Teilchenflüssen, welche im Weltraum auf Halbleiterelemente wirken können, kann dieses Szenario mit einer hohen Anzahl von Mehrfachfehlern in einem Halbleiterelement eintreten. Wenn dann die Fehlerbehandlungsmechanismen des Halbleiterelements nicht mehr wirksam sind, kann es zu Auswirkungen auf die Arbeitsweise der redundanten Datenverarbeitungsanlage kommen. Hier setzt dann die unterschiedliche räumliche Anordnung der Halbleiterelemente an, auf Grund derer die einzelnen Halbleiterelemente nicht in gleicher Weise von einem Teilchenfluss beeinflusst werden. Die redundante Datenverarbeitungsanlage kann wiederum selbst Fehlerbehandlungsmechanismen (Erkennung, Korrektur, insbesondere Rückwärtskorrektur) aufweisen, um ein fehlerhaftes Ergebnis eines Halbleiterelements zu erkennen und ggf. zu korrigieren. Damit können Fehlerhandhabungsmechanismen auf zwei Ebenen vorhanden sein: in den einzelnen Halbleiterelementen (untere Ebene) und in der Datenverarbeitungsanlage (obere Ebene). Die Anordnung der Halbleiterelemente kann dabei unterstützen, dass Fehler, welche auf der unteren Ebene nicht erkannt und/oder korrigiert werden, auf der oberen Ebene erkannt und/oder korrigiert werden, weil die Halbleiterelemente so angeordnet sind, dass sie nach Möglichkeit nicht demselben Fehler unterliegen.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
- 1 eine redundante Datenverarbeitungsanlage für ein Raumfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine redundante Datenverarbeitungsanlage für ein Raumfahrzeug gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt eine redundante Datenverarbeitungsanlage 100 mit vier Halbleiterelementen 110, 120, 130, 140. Die Halbleiterelemente sind einem hochenergetischen Teilchenfluss 10 ausgesetzt. Wie in 1 angedeutet, weist der hochenergetische Teilchenfluss 10 zumindest örtlich begrenzt eine Hauptfließrichtung auf, hier angedeutet durch die senkrecht verlaufenden Pfeile ober in 1. Zusätzlich können weniger intensiver Teilchenflüsse (horizontal, schräg) vorliegen. Es kann unterstellt werden, dass der Teilchenfluss in Hauptfließrichtung den größten Einfluss auf die Halbleiterelemente 110, 120, 130 und 140 hat. Um zu vermeiden, dass der Teilchenfluss im Wesentlichen in gleicher Intensität und in gleicher Winkellage auf die Halbleiterelemente auftrifft, sind diese windschief zueinander angeordnet, bevorzugt so, dass keine zwei Halbleiterelemente die gleiche Winkellage zu einer bekannten oder angenommenen Hauptfließrichtung des Teilchenflusses 10 einnehmen. Damit kann erreicht werden, dass im Idealfall höchstens ein Halbleiterelement überhaupt von dem Teilchenfluss 10 beeinflusst wird oder, wenn mehr als ein Halbleiterelement beeinflusst wird, dass keine zwei Halbleiterelemente in gleicher Weise von dem Teilchenfluss 10 beeinflusst werden.
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Bei gleich gerichteter oder symmetrischer Anordnung der Halbleiterelemente 110, 120, 130, 140, z.B. parallel zueinander übereinander oder nebeneinander, kann es zu gleichartigen und mehrfachen Bitfehlern zum selben Zeitpunkt kommen, wenn die Gesamtheit der so angeordneten Halbleiterelemente einem homogenen gerichteten hochenergetischen Teilchenfluss ausgesetzt ist. Selbst wenn die Halbleiterelemente in Hauptfließrichtung übereinander angeordnet sind, kann der Teilchenfluss die Halbleiterelemente durchdringen und beeinflussen. In einem solchen Szenario liegt auch bei einem Mehrheitsentscheid kein verlässliches Ergebnis einer Operation vor, da überall der gleiche Fehler entstanden sein kann. Um diesen Überlegungen Rechnung zu tragen sind die Halbleiterelemente so zueinander angeordnet, dass unabhängig von der Richtung der Hauptfließrichtung eines Teilchenflusses die Halbleiterelemente in einer unterschiedlichen Winkellage relativ zu der Hauptfließrichtung angeordnet sind. Selbst wenn die so relativ zueinander angeordneten Halbleiterelemente in einem Satelliten angeordnet sind, der seine Lage im Raum ändert, ist immer die Bedingung erfüllt, dass die Halbleiterelemente zu einem homogenen, gleichgerichteten Teilchenfluss eine unterschiedliche Winkellage haben.
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Ausgehend davon, dass die Halbleiterelemente 110, 120, 130 und 140 identisch sind, können auf allen Halbleiterelementen einander entsprechende Oberflächen bestimmt werden. Für die Halbleiterelemente 110 und 120 sind diese mit den Bezugszeichen 112 und 122 gekennzeichnet. Bei diesen Oberflächen kann es sich z.B. um die Oberseite oder die Unterseite handeln, entscheidend ist, dass die gleichen Oberflächen betrachtet werden. Wenn die Halbleiterelemente 110, 120 windschief zueinander angeordnet sind, dann schließen diese beiden Oberflächen 112, 122 einen Winkel zueinander ein bzw. die Ebenen, in denen die Oberflächen 112, 122 sich erstrecken, schließen den besagten Winkel ein.
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Dies wird in 2 verdeutlicht, indem die Halbleiterelemente 110, 120 lediglich als Flächen dargestellt sind, wobei diese Flächen den Oberflächen 112, 122 aus 1 entsprechen. Werden die Flächen der Halbleiterelemente verlängert (gestrichelte Linien), so schneiden sich diese Ebenen 111, 121 unter Einschluss des Winkels 115.
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In 2 ist außerdem gezeigt, dass die Halbleiterelemente 110, 120 in einem gemeinsamen Gehäuse 105 angeordnet sind. In diesem Gehäuse können selbstverständlich auch mehr als zwei oder alle Halbleiterelemente der redundanten Datenverarbeitungsanlage 10 angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektromagnetische Strahlung/Teilchenfluss
- 100
- Datenverarbeitungsanlage
- 105
- Gehäuse
- 110
- erstes Halbleiterelement
- 111
- erste Ebene
- 112
- Oberfläche
- 115
- Einschlusswinkel
- 120
- zweites Halbleiterelement
- 121
- zweite Ebene
- 122
- Oberfläche
- 130
- drittes Halbleiterelement
- 140
- viertes Halbleiterelement
