SpaceVPX (VITA 78) et le monde de l'interconnexion

SpaceVPX est une norme permettant de créer des cartes enfichables (PIC) à partir de son profil d'emplacement et de son profil du module (protocole). À leur tour, ces blocs de construction créent des sous-systèmes et des systèmes interconnectés. Développée dans le cadre de la norme NGSIS (Next Generation Space Interconnect Standard), elle est le résultat d'une collaboration entre le gouvernement et l'industrie. L'objectif principal de SpaceVPX est d'éliminer de manière rentable la bande passante en tant que contrainte pour les futurs systèmes spatiaux.

SpaceVPX est basée sur la norme OpenVPX de la VITA (VMEbus International Trade Association), avec des améliorations qui lui permettent d'être utilisée dans le cadre des applications spatiales.

L'équipe NGSIS a choisi la série de normes OpenVPX comme base pour la nouvelle norme SpaceVPX. En effet, VPX prend en charge les facteurs de forme 3U et 6U avec des fonctionnalités robustes et refroidies par conduction adaptées à une utilisation dans des environnements extrêmes. L'infrastructure d'OpenVPX permet également de prototyper et de tester SpaceVPX au sol.

SpaceVPX s'appuie sur plusieurs normes, certaines d'entre elles faisant partie de la famille OpenVPX de l'American National Standards Institute (ANSI)/VITA et de l'European Cooperation for Space Standardization (ECSS) :

• VITA 46 VPX et son dérivé ANSI/VITA 65.0 OpenVPX – Norme de base
• ANSI/VITA 60 et ANSI/VITA 63 – Connecteurs compatibles
• ANSI/VITA 62 – Module d'alimentation normalisé
• ANSI/VITA 66 et 67 – Remplacement des sections électriques par des solutions RF ou optiques
• ANSI/VITA 46.11[4] – Protocole de gestion, base de la gestion tolérante aux pannes du système SpaceVPX
• ECSS – Norme SpaceWire
• ECSS – Protocole d'accès à la mémoire à distance (RMAP)
• ECSS – Norme SpaceFibre
• Gigabit Ethernet

OpenVPX est un ensemble défini d'implémentations système au sein de VPX qui spécifie un ensemble d'architectures système. OpenVPX organise les connexions en quatre grands plans d'interconnexion : les données, le contrôle, l'utilité et l'expansion.

Le plan de données intègre des connexions multigigabits à grande vitesse entre les modules pour transporter les données de la charge utile et de la mission.

Le plan de contrôle, également une connexion de structure, a généralement moins de capacité et est utilisé pour la configuration, le paramétrage, les diagnostics et d'autres fonctions de contrôle opérationnel au sein de la charge utile, ainsi que pour les transferts de données à faible vitesse.

Le plan utilitaire permet la configuration et le contrôle des fonctions de base du module pour le séquençage de l'alimentation, les diagnostics de bas niveau, les horloges et d'autres signaux de base nécessaires au fonctionnement du système. 

Le plan d'expansion peut être utilisé comme connexion distincte entre des modules utilisant des interfaces similaires ou pour relier des interfaces héritées dans une topologie plus limitée, par exemple un bus ou une boucle.

Les broches qui ne sont pas définies comme faisant partie de l'un de ces plans sont généralement définies par l'utilisateur et peuvent être transférées à partir de cartes filles ou mezzanine, ou vers des modules de transition arrière (RTM). Pour une réutilisation maximale des modules, les broches définies par l'utilisateur doivent être configurables afin de ne pas interférer avec les modules qui utilisent différemment les mêmes broches. Consultez la norme ANSI/VITA 65.0 pour plus de détails.

Une étude d'OpenVPX pour une utilisation dans l'espace a révélé plusieurs faiblesses. La principale limitation était le manque de caractéristiques disponibles pour soutenir une configuration complète, tolérante aux pannes et hautement fiable. Les signaux utilitaires étaient transportés par bus et, dans la plupart des cas, ne prenaient en charge qu'un seul ensemble de signaux via des broches de signal vers un module. Par conséquent, un système OpenVPX pur présente des risques de défaillances multiples. De plus, un mécanisme complet de contrôle de gestion n'a pas été entièrement défini avec VITA 46.11.

Du point de vue du protocole, SpaceWire est l'interface dominante de données et de plan de contrôle à moyenne vitesse pour la plupart des engins spatiaux, mais les plans de contrôle OpenVPX typiques sont PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) ou Ethernet qui ne sont généralement pas utilisés dans les applications spatiales.  (Remarque : Gigabit Ethernet a été ajouté à la révision 2022 de la norme SpaceVPX.)

L'objectif de SpaceVPX est d'atteindre un niveau acceptable de tolérance aux pannes, tout en maintenant un niveau raisonnable de compatibilité avec les composants OpenVPX existants, y compris l'affectation des broches de connecteur pour la carte et le fond de panier (figure 1).

En matière de tolérance aux pannes, un module (défini comme un assemblage de fils imprimés conforme à des spécifications mécaniques et électriques définies) est considéré comme l'élément de redondance minimum ou le point de contrôle minimum des pannes. Le plan de service et le plan de contrôle de SpaceVPX sont tous distribués de manière redondante et sont disposés en étoile, en double étoile, en maillage partiel ou en maillage complet afin d'assurer la tolérance aux pannes de l'ensemble du système.

Pour atteindre le niveau souhaité de tolérance aux pannes, les signaux du plan utilitaire doivent être doublement redondants et commutés sur chaque fonction de la carte SpaceVPX. 

Une étude commerciale, menée en 2010 dans le cadre d'une collaboration entre le gouvernement et l'industrie avec le soutien du groupe de travail SpaceVPX, a comparé diverses mises en œuvre, notamment l'ajout de la commutation à chaque carte de différentes manières et la création d'une carte de commutation unique. Cette dernière approche a été choisie pour que les cartes SpaceVPX puissent chacune recevoir les mêmes signaux de plan utilitaire qu'une carte OpenVPX, avec des ajustements mineurs pour tout changement de topologie. Cette approche a donné naissance au module de gestion utilitaire spatiale (SpaceUM), un élément majeur de la norme SpaceVPX.

Un module SpaceUM 6U contient jusqu'à huit ensembles de commutateurs d'alimentation et de signaux pour supporter huit modules de charge utile SpaceVPX – la version 3U du SpaceUM peut en supporter jusqu'à cinq. Il reçoit un bus d'alimentation de chacune des deux alimentations et un groupe de signaux de plan utilitaire de chacune des deux fonctions du contrôleur système nécessaires dans le fond de panier du SpaceVPX. Les différentes parties du module SpaceUM n'ont pas besoin de leur propre redondance. Elles sont considérées comme des extensions de l'alimentation, du contrôleur système et d'autres modules SpaceVPX pour le calcul de la fiabilité.

Chaque emplacement, module et profil de fond de panier dans OpenVPX est entièrement défini et interconnecté. L'adaptation de ces profils pour une utilisation dans l'espace requiert la spécification d'une version SpaceVPX de chaque profil.

Un profil d'emplacement fournit une correspondance physique entre les ports de données et le connecteur de fond de panier d'un emplacement, quel que soit le type de protocole utilisé pour le transfert de données de l'emplacement du fond de panier.

Les profils de module sont des extensions des profils d'emplacement qui les accompagnent et qui permettent de mapper les protocoles à chaque port de module. Un profil de module comprend des informations sur les exigences thermiques, de puissance et mécaniques pour chaque module. Certains profils de module pour SpaceVPX sont similaires à OpenVPX, ce qui permet d'utiliser des modules et des fonds de panier OpenVPX pour le prototypage ou les tests au sol. Cependant, la plupart des profils de modules pour les applications spatiales sont très différents de ceux nécessaires pour les applications au sol, ce qui signifie que des spécifications complètes conformes à SpaceVPX sont requises. Le chapitre de la norme SpaceVPX qui définit ces profils représente la majeure partie de la norme.

Les interconnexions sont un autre élément essentiel de SpaceVPX. À l'instar des autres éléments de la norme, elles sont basées sur des interconnexions développées pour OpenVPX, mais conçues pour l'environnement spatial extrême.

Des températures problématiques, des vibrations, des dégazages et d'autres facteurs peuvent compromettre de manière catastrophique les systèmes d'interconnexion, ainsi que l'intégrité du signal et de l'alimentation. Pendant des décennies, les concepteurs d'applications spatiales se sont appuyés sur des conceptions d'interconnexion personnalisées pour garantir la fiabilité de l'électronique embarquée exposée aux conditions extrêmes de l'espace. Le coût élevé et les longs délais d'exécution d'une solution d'interconnexion personnalisée étaient autrefois considérés comme un investissement rentable contre les défaillances extrêmement coûteuses ou impossibles à réparer dans l'espace.

Aujourd'hui, l'utilisation d'interconnexions standard permet de réduire les coûts, d'améliorer la disponibilité et de rester sur la voie d'une expansion future.

En tirant parti de l'architecture OpenVPX, SpaceVPX apporte les solutions d'interconnexion qui sont définies dans les normes VITA et ont fait l'objet de tests approfondis pour prendre en charge leur utilisation dans l'espace.

Les profils des emplacements SpaceVPX définissent l'utilisation des connecteurs VPX (VITA 46 ou connecteurs VPX alternatifs) et permettent la mise en œuvre de modules RF (VITA 67) et optiques (VITA 66) au niveau de l'interface entre le module enfichable et le fond de panier. Les alimentations suivent la norme VITA 62, qui définit également l'interface du connecteur d'alimentation. Pour les cartes mezzanine XMC dans les modules enfichables, il est recommandé d'utiliser des connecteurs XMC 2.0 pour VITA 61. Au lieu de définir de nouveaux connecteurs avec des caractéristiques particulières, les profils d'emplacement SpaceVPX font référence aux normes de connecteur VITA qui prennent en charge l'architecture OpenVPX.

Le connecteur VPX VITA 46  constitue l'interconnexion VPX d'origine. Il est basé sur le connecteur MULTIGIG RT 2 de TE Connectivity (TE), qui a été introduit à la norme VITA 46 en 2006.

La gamme de connecteurs MULTIGIG RT offre aux concepteurs un système d'interconnexion facile à mettre en œuvre, modulaire, standardisé et rentable qui permet de garantir la fiabilité de leurs applications informatiques embarquées pour les systèmes spatiaux. 

Les connecteurs MULTIGIG RT ont fait l'objet de tests approfondis par TE afin d'établir leur adéquation à une utilisation dans l'espace, notamment :

• Technologie de broches conforme (insérées par force) : des tests ont été effectués sur des tailles de trous de carte min-max et différents placages de carte de circuit imprimé (PCB) afin de vérifier la fiabilité des conceptions de broches conformes. Aujourd'hui, de nombreuses applications spatiales utilisent une technologie de broches conforme (par rapport aux connexions soudées traditionnelles), et leur utilisation est en augmentation.
• Vibrations : le groupe d'étude VITA 72 a été créé pour répondre aux besoins des applications impliquant des vibrations extrêmes. Le groupe a mis au point un test de vibration qui a soumis une unité de test VPX 6U à des niveaux de vibration aléatoires de 0,2 g2/Hz pendant 12 heures, une exigence sévère par rapport à la norme VPX d'origine. Le connecteur MULTIGIG RT 2-R de TE, doté d'un système de contact de connecteur de fond de panier quadruple redondant amélioré et d'un matériel de guidage robuste, a été testé avec succès dans le cadre de cet effort et est utilisé dans des applications très robustes depuis 2013.
• Températures extrêmes : les connecteurs MULTIGIG ont été soumis à une plage de températures de -55 °C à +105 °C lors de leur première qualification pour VPX en 2006, ce qui répondait aux spécifications de la norme VITA 47 pour les modules enfichables. En réponse directe aux exigences des développeurs de systèmes spatiaux, les connecteurs MULTIGIG RT ont depuis été testés et ont survécu à des températures de -55 °C à +125 °C, y compris une exposition à une chaleur de 125 °C pendant 1 000 heures et 100 cycles de chocs thermiques de -55 °C à +125 °C.
• Dégazage : contrairement aux connecteurs de module enfichable en polymère lourd utilisés dans les conceptions de connecteurs de fond de panier conventionnelles, les connecteurs MULTIGIG RT intègrent des espaces d'air, ce qui signifie que la quantité de polymère nécessaire est réduite. Cette réduction de la quantité de polymère diminue le poids et le dégazage. Avec les matériaux de connecteur MULTIGIG RT, la perte de masse totale (TML) est inférieure à 1 % et les matériaux condensables volatils collectés (CVCM) sont inférieurs à 0,01 %, ce qui répond aux exigences de dégazage de la NASA et de l'Agence spatiale européenne (ESA).
• Capacité actuelle : lorsque la norme VITA 78 a été développée, il était nécessaire de disposer de connecteurs VPX pour prendre en charge de nouveaux brochages (non définis dans VITA 46) afin de répondre aux exigences de distribution d'alimentation redondante et de distribution de gestion redondante. TE a effectué des tests approfondis pour la capacité de transport de courant sur plusieurs wafers de puissance MULTIGIG adjacents dans des connecteurs de modules enfichables et a également publié de nouvelles configurations de wafers pour prendre en charge l'architecture du module VITA 78 de gestion utilitaire spatiale.

La plupart des concepteurs de systèmes spatiaux utilisent des connecteurs MULTIGIG RT pour répondre à leurs besoins, sans modification physique de la conception ou des matériaux et des finitions. Si des changements minimes sont nécessaires (par exemple, une teneur plus élevée en plomb [40 %] dans les pattes de contact est spécifiée pour atténuer davantage la formation d'une barbe d'étain), des tests de sélection supplémentaires sont requis en fonction des exigences de l'utilisateur ou du programme, mais les processus de fabrication des connecteurs sont relativement identiques, ce qui contribue à améliorer les coûts et la disponibilité.

Les modules de connecteurs RF et optiques peuvent être intégrés dans un emplacement OpenVPX pour transporter des signaux via le fond de panier vers/depuis le module enfichable. Ces modules de connecteurs sont montés sur les cartes (y compris les ouverture standard sur le fond de panier) pour accueillir plusieurs contacts coaxiaux ou fibres optiques. Ils peuvent remplacer certains connecteurs VITA 46 à l'intérieur d'un emplacement. Ces modules et contacts de connecteurs RF et optiques ont été utilisés dans les systèmes satellitaires et conviennent à d'autres applications dans l'espace.

VITA 67 est la norme de base pour les modules RF. VITA 67.3 est utilisé pour l'architecture SpaceVPX avec des ouvertures définies dans des profils d'emplacement spécifiques pour les modules de connecteurs RF et optiques.  La norme VITA 67.3 offre des solutions de contacts coaxiaux avec les contacts initiaux SMPM (sub-miniature push-on micro) ainsi que des interfaces coaxiales à plus haute densité NanoRF et SMPS (switched-mode power supply), qui peuvent augmenter la densité des contacts de deux à trois fois par rapport aux contacts SMPM. Une nouvelle révision de VITA 67.3 a commencé à ajouter des interfaces coaxiales de 75 Ohms pour prendre en charge la vidéo à plus grande vitesse.

VITA 66 est la norme de base pour les modules optiques, avec des ferrules MT comme interface optique principale entre le module enfichable et le fond de panier. Les ouvertures des profils d'emplacement SpaceVPX accueillent des modules de connecteurs RF/optiques hybrides répondant aux exigences de la norme VITA 66.5. Les interfaces MT peuvent être spécifiées pour 12 ou 24 fibres pour une densité maximale.

Les cartes mezzanine XMC peuvent être implémentées sur les modules enfichables SpaceVPX pour ajouter des E/S et d'autres fonctionnalités. VITA 61 XMC 2.0, la norme basée sur le connecteur Mezalok de TE, est le connecteur XMC recommandé de la norme SpaceVPX. Le connecteur Mezalok dispose de plusieurs points de contact par broche, ce qui permet de bénéficier de la redondance requise pour les applications spatiales. Ce connecteur répond aux exigences de dégazage et a été testé dans des environnements extrêmes, y compris 2 000 cycles thermiques de -55 ºC à +125 ºC sans défaillance du joint de soudure.

En tirant parti de l'architecture OpenVPX, SpaceVPX peut également tirer profit des perspectives d'interconnexion OpenVPX, qui prévoient des solutions plus rapides, plus denses, plus petites et plus légères. Il existe une activité importante avec les normes VITA nouvelles et révisées pour définir les technologies prenant en charge l'informatique embarquée de nouvelle génération.

Des connecteurs MULTIGIG RT 3 à débit de données plus élevé sont disponibles et normalisés selon les normes VITA 46.30 (broche conforme) et 46.31 (pattes à souder) pour prendre en charge des canaux de 25 à 32 gigabits par seconde, supportant l'Ethernet 100G et les PCI Gen 4 et 5. Ces connecteurs peuvent être incorporés dans un emplacement SpaceVPX en remplacement des connecteurs VITA 46.0.

La dernière révision de la norme VITA 67.3 comprend des interfaces RF à plus haute densité, NanoRF et SMPS, ce qui permet de réduire la taille et le poids – deux éléments essentiels pour les systèmes spatiaux – et de s'adapter à des fréquences plus élevées jusqu'à 70 GHz. Une nouvelle révision de VITA 67.3 a commencé à ajouter des interfaces coaxiales de 75 Ohms dans un module de connecteur afin de pouvoir prendre en charge des protocoles de vidéo à plus grande vitesse.

La norme VITA 66.5, publiée en 2022, répertorie les interfaces optiques à plus haute densité, regroupant jusqu'à trois interfaces MT dans un demi-module et permettant l'intégration d'un émetteur-récepteur fixe monté sur le bord. De plus, la norme VITA 66.5 propose des solutions avec des contacts NanoRF et des MT optiques intégrés dans un module de connexion commun, offrant une densité sans précédent dans un emplacement OpenVPX.

Les nouvelles normes d'alimentation VITA 62 ont pris en compte l'alimentation triphasée (VITA 62.1) et les tensions d'entrée supérieures de 270 VCC (VITA 62.2). Les nouveaux connecteurs MULTIFAISCEAUX XLE de TE avec des ailettes d'isolation permettent cette mise à niveau pour des niveaux de tension plus élevés tout en conservant la même interface VITA 62.0.

• SpaceVPX est une norme pour les composants des systèmes spatiaux qui permet de garantir l'interopérabilité et d'ajouter de la bande passante pour les futurs systèmes spatiaux à moindre coût.
• L'un des principaux objectifs de SpaceVPX est d'atteindre un niveau acceptable de tolérance aux pannes, tout en maintenant un niveau raisonnable de compatibilité avec les composants OpenVPX existants.
  
• Les interconnexions SpaceVPX sont basées sur des interconnexions développées pour OpenVPX, adaptées à l'environnement spatial extrême.
• Les connecteurs TE ont fait l'objet de tests approfondis pour établir leur aptitude à l'espace et ont été utilisés dans des systèmes satellitaires et autres applications spatiales.
• Les normes VITA nouvelles et révisées continuent de définir les technologies qui prennent en charge la prochaine génération d'informatique embarquée tout en réduisant les coûts, en améliorant la disponibilité des composants et maintenant la possibilité d'une expansion future.