¿Qué hace que el procesador RAD750 de Insight sea tan resistente a la radiación? (en comparación con el PowerPC 750 de iMac de 1998)

(Lamento no ser un experto, pero pasé medio día trabajando en esta respuesta).

Varias versiones del iMac G3 utilizaron PowerPC 750, 750CX y 750CXe. El RAD750 viene en dos versiones: "tolerante a la radiación" y "endurecido a la radiación". Según una cita en esta pregunta, InSight usó la versión endurecida por radiación.

BAE (el fabricante del RAD750) dice muy poco acerca de cómo sus productos se endurecen por radiación, pero le gusta promocionar que están endurecidos .

Diferencias confirmadas:

• El tamaño de la matriz RAD750 (130 mm ² ) es aproximadamente el doble del tamaño de la PPC750 (67 mm ² ) y aproximadamente tres veces el tamaño de la 750CX/CXe (42,7 mm ² ). ( Wikipedia )
• Hay notablemente más transistores (pero no el doble) en el RAD750 (10,4 millones) que en el PPC750 (6,35 millones). El PPC750CX/CXe tiene 20 millones de transistores, que se contabilizan en el caché L2 en el chip. (Wikipedia)
• Hay algunas diferencias en el tamaño del proceso de fabricación. El PPC750 era de 250 nm, el 750CX y el 750CXe eran de 180 nm (Wikipedia), el RAD750 tolerante a la radiación es de 250 nm y el endurecido por radiación es de 150 nm (hoja de ventas del fabricante ).
• Se eliminaron algunos pasos de fabricación especiales (del PPC750 y de productos BAE anteriores) para el RAD750, para ayudar a BAE a subcontratar la fabricación con otras empresas. No tiene nada que ver con la radiación, sino que es una diferencia entre los procesadores. (artículo de Berger et. al. )
• Cada circuito en el diseño original de IBM fue reemplazado por uno con mejor tolerancia a la radiación. La mayoría de los nuevos circuitos procedían de la biblioteca ASIC de 250 nm de Lockheed-Martin, pero muchas funciones complejas (incrementadores de 32 bits, comparadores y rotadores) tuvieron que diseñarse especialmente para el RAD750. Cada circuito tenía la misma función que la versión original de IBM, pero era tolerante a la radiación. (Berger)
• El PPC750 tenía más de 800 000 elementos de almacenamiento, muchos de los cuales eran dinámicos. Todos estos elementos se actualizaron a versiones estáticas endurecidas por radiación. (Berger) Se puso un esfuerzo particular en el endurecimiento de las celdas RAM, los amplificadores de detección, los decodificadores y los pestillos. (presentación de Burcin )
• La lógica combinacional se rediseñó para rechazar los breves transitorios que puede causar la radiación. (Berger)
• El bucle de bloqueo de fase (utilizado para multiplicar la frecuencia del reloj) fue rediseñado para ser más tolerante a la radiación y también para aumentar el rango de temperatura de funcionamiento del chip. (Berger)
• Los PowerPC estaban empaquetados en plástico; los RAD750 están empacados en cerámica. Esto ayuda a absorber algo de radiación.
• Los RAD750 funcionan a velocidades de reloj más lentas. El tolerante a la radiación funciona de 110 a 132 MHz y el resistente a la radiación funciona a 200 MHz (hoja de ventas del fabricante). El iMac registró entre 233 y 700 MHz.
• Tanto los procesadores iMac como RAD750 usaban un chip de soporte que proporcionaba un bus PCI y algunos periféricos. Sin embargo, estos chips de soporte son completamente diferentes. En particular, el del RAD750 está diseñado para facilitar la actualización desde el RAD6000 y también es compatible con SpaceBus. (Berger)
• Una cosa que BAE tiene muy clara es que cada chip se prueba exhaustivamente. La cantidad de pruebas que se realizan simplemente no sería económica para los chips comerciales.
• En relación con el diseño y las pruebas, los productos de BAE están certificados para cumplir con varios estándares. Eso no se consigue con los chips PowerPC comerciales.

Confirmado no diferente:

• Todos los procesadores discutidos aquí son CMOS.
• El diseño general del chip del RAD750 es el mismo que el del PPC750. (Berger)
• Todos los procesadores discutidos aquí son de un solo núcleo (Wikipedia). Además, el RAD750 simplemente no tiene suficientes transistores para dar cuenta de un segundo núcleo (redundante). Vale la pena señalar que Curiosity y Perseverance tienen cada uno dos computadoras completas basadas en RAD750, para redundancia.
• Tanto el PPC750 como el RAD750 no incluyen caché L2 en chip; sin embargo, ambos permiten la memoria caché fuera del chip. El PPC750CX/CXe tiene un caché en chip L2 de 256 kB.

Probablemente diferente:

• La página de BAE sobre endurecimiento por radiación tiene un enlace a este artículo militar y aeroespacial , que sugiere que su endurecimiento por radiación se debe a diferencias de diseño:

  En BAE Systems, el trabajo de diseño puro de rad-hard ha desaparecido en los últimos 10 años, pero la compañía todavía está en el negocio de proporcionar los procesadores de rad-hard más avanzados y las computadoras de uso general para programas militares y espaciales gubernamentales.

  “Rad-hard por diseño ya no es necesario”, dice Gonzales. “Podemos aprovechar las fundiciones comerciales para fabricar las obleas y devolver las obleas a BAE Systems en Manassas. Operamos sin fábrica, pero todas nuestras capacidades rad-hard todavía están aquí”.

  Otra cita en el mismo artículo:

  En el futuro, es probable que los diseñadores de chips rad-hard combinen técnicas en rad-hard by design con técnicas de mitigación de radiación para garantizar la mayor confiabilidad posible y, al mismo tiempo, brindar a los diseñadores de sistemas de armas estratégicas las últimas tecnologías electrónicas. “Para aplicaciones estratégicas, podríamos combinar una parte de diseño radicalmente difícil donde podamos obtenerlos, con mitigación de radiación con filtrado analógico y digital, blindaje y ejecución de cálculos en diferentes momentos y compararlos para permitir que el sistema responda a corrupción potencial”, dice Wiley.

  Aún así, sigue existiendo la necesidad de un diseño radicalmente resistente con los más altos estándares, a pesar de que el mercado de estas piezas se está reduciendo. “La fundición es un activo nacional”, dice Wiley. “Es el único lugar que fabrica partes digitales como procesadores y memorias que pueden tolerar la radiación a estos niveles”.

• El sustrato es probablemente diferente. Algunas versiones del PPC750 usaban silicio sobre aislante, pero parece que los tipos usados ​​en el iMac no. La hoja de ventas del fabricante del RAD750 no especifica el sustrato, pero promociona "latchup-inmune". El enganche puede ser causado por radiación y puede ser fatal para un chip. Por lo general, se resuelve con silicio sobre aislante o silicio sobre zafiro (este último es bastante estándar para los procesadores de naves espaciales).

• Al dividir el área de la matriz por el número de transistores, parece que los transistores son generalmente más grandes. El tamaño del proceso de fabricación no es una buena métrica aquí; le dice que un fabricante puede fabricar transistores más pequeños, pero no le dice si el tamaño real de los transistores es más pequeño. Los transistores más grandes son menos susceptibles a la radiación.

• El PPC750 no tenía un temporizador de vigilancia y el RAD750 no lo menciona. Sin embargo, es una pieza fácil de agregar a una CPU y estándar en los sistemas aeroespaciales, por lo que es probable que esté presente en el RAD750.

Desconocido:

Las siguientes medidas se analizan en Wikipedia , pero no hay evidencia de ninguna manera para el RAD750:

• Uso de boro empobrecido en boro-10 en la capa de pasivación
• Uso de transistores CMOS sin bordes