Raumfahrt-Elektronik aus Europa

Europäisches FPGA für den Weltraum: NG-ULTRA nach ESCC 9030

NanoXplore und STMicroelectronics qualifizieren mit NG-ULTRA erstmals ein SoC-FPGA nach ESCC 9030. Das Bauteil kombiniert hohe Rechenleistung, Strahlungshärtung und eine vollständig europäische Lieferkette für New-Space-Missionen.

Nicole Ahner Redakteurin
2 min
NG-ULTRA ist das erste nach ESCC 9030 qualifizierte SoC-FPGA. Europäische Lieferkette, 28 nm FD-SOI, Strahlungshärtung für New Space.
NG-ULTRA ist das erste nach ESCC 9030 qualifizierte SoC-FPGA. Europäische Lieferkette, 28 nm FD-SOI, Strahlungshärtung für New Space.

ESCC 9030: Neuer Qualifikationsstandard für New Space

Mit der Qualifikation des NG-ULTRA setzt Europa erstmals den neuen ESCC-Standard 9030 praktisch um. Der Standard adressiert gezielt Hochleistungs-Mikroelektronik für Weltraumanwendungen auf Basis moderner Flip-Chip-Technologien mit organischen Substraten oder Kunststoffgehäusen. Er ermöglicht den Abschied von klassischen Keramikgehäusen, die zwar extrem robust, aber teuer, schwer und für große Konstellationen nur bedingt skalierbar sind.

Damit reagiert ESCC 9030 direkt auf die Anforderungen von LEO- und MEO-Missionen mit höheren Stückzahlen, kürzeren Innovationszyklen und stärkerem Kostendruck.

SoC-FPGA-Architektur für skalierbare Satellitensysteme

NG-ULTRA ist ein strahlungsgehärtetes SoC-FPGA, das Mehrkernprozessoren und programmierbare Logik auf einem Chip vereint. Das Bauteil integriert einen Quad-Core Arm Cortex R52 sowie 537k LUTs und 32 Mb RAM. Die All-in-One-Architektur reduziert externe Bausteine, vereinfacht das Leiterplattendesign und senkt Systemmasse, Leistungsaufnahme und Latenz.

Adressiert werden zentrale Bordfunktionen wie Onboard Computer, Datenmanagement, Routing zwischen Subsystemen, Bild- und Videobearbeitung, Software Defined Radio sowie autonome Funktionen zur Erkennung, Überwachung und Entscheidungsunterstützung.

28 nm FD-SOI und Strahlungshärtung

Die technologische Basis bildet die 28-nm-FD-SOI-Digitalplattform von STMicroelectronics, die sich durch geringe Leckströme, hohe Energieeffizienz und inhärente Vorteile bei der Strahlungsresistenz auszeichnet. Ergänzt wird dies durch eine fortschrittliche Härtung gegen Weltraumeinflüsse.

NG-ULTRA ist für eine gesamtionisierende Dosis von bis zu 500 Gray (50 krad) Si ausgelegt.
NG-ULTRA ist für eine gesamtionisierende Dosis von bis zu 500 Gray (50 krad) Si ausgelegt.

NG-ULTRA ist für eine gesamtionisierende Dosis von bis zu 500 Gray (50 krad) Si ausgelegt. Die Immunität gegen Single Event Latch-up ist bis 65 MeV·cm²/mg getestet, die Robustheit gegenüber Single Event Upsets wurde für LET-Werte über 60 MeV·cm²/mg validiert. Damit eignet sich das Bauteil sowohl für klassische Raumfahrtmissionen als auch für dynamische New-Space-Konstellationen.

Rekonfigurierbare Hardware im Orbit

Als SRAM-basiertes FPGA erlaubt NG-ULTRA eine unbegrenzte Rekonfiguration im Orbit. Hardwarefunktionen lassen sich nach dem Start anpassen, erweitern oder neu definieren. Dieses Hardware-as-Software-Prinzip ermöglicht es, Kommunikationsprotokolle weiterzuentwickeln, Missionsphasen zu optimieren oder neue Algorithmen einzuspielen. Für Betreiber verlängert sich damit die Nutzungsdauer und operative Relevanz von Satelliten deutlich.

Der ESCC-9030-Standard im Detail

Der ESCC-Standard 9030 ist ein neuer europäischer Qualifikationsstandard für Mikroelektronik in Weltraumanwendungen, der gezielt auf die Anforderungen des New Space zugeschnitten ist. ESCC steht für European Space Components Coordination und wird unter dem Dach der ESA gepflegt.

Zielsetzung von ESCC 9030

Im Gegensatz zu klassischen ESCC-Standards, die stark auf Deep-Space-Missionen, geringe Stückzahlen und maximale Robustheit ausgelegt sind, adressiert ESCC 9030 hochintegrierte, leistungsfähige Halbleiter für LEO- und MEO-Missionen mit höheren Volumina, kürzeren Innovationszyklen und strikteren Kostenrestriktionen. Der Standard schließt damit eine Lücke zwischen klassischer Raumfahrtqualifikation und industrieller Halbleiterfertigung.

Technischer Fokus

ESCC 9030 definiert Anforderungen für Hochleistungs-Mikroelektronik in Flip-Chip-Technologie, insbesondere auf organischen Substraten oder Kunststoffgehäusen, anstatt der bislang dominierenden Keramikgehäuse. Diese Packaging-Ansätze ermöglichen geringere Masse, bessere Skalierbarkeit und niedrigere Kosten, ohne die für den Weltraum notwendige Zuverlässigkeit zu kompromittieren.

Qualifikationsumfang

Der Standard beschreibt ein vollständiges Qualifikations- und Abnahmeregime, darunter:

• Design- und Prozessqualifikation

• Fertigungs- und Lieferkettenkontrolle

• Umweltprüfungen wie Thermozyklen, Vibration und Schock

• Langzeit-Zuverlässigkeitstests

• Strahlungstests, inklusive TID und Single Event Effects

• Rückverfolgbarkeit über den gesamten Produktlebenszyklus

Dabei wird explizit berücksichtigt, dass moderne SoCs und FPGAs hochkomplexe digitale Systeme mit Softwareabhängigkeiten sind.

Bedeutung für New Space

ESCC 9030 erlaubt erstmals, moderne, industrielle Halbleitertechnologien kontrolliert in Weltraummissionen einzusetzen. Das ist entscheidend für große Satellitenkonstellationen, Edge Computing im Orbit, softwaredefinierte Nutzlasten und kürzere Entwicklungszyklen.

Strategische Relevanz

Neben der technischen Dimension hat ESCC 9030 eine klare industriepolitische Funktion: Er stärkt die europäische technologische Souveränität, indem er es ermöglicht, fortschrittliche Chips vollständig innerhalb Europas zu entwickeln, zu fertigen, zu qualifizieren und langfristig zu liefern.

Vollständig europäische Lieferkette

Ein zentrales Merkmal von NG-ULTRA ist die durchgängig europäische Wertschöpfungskette. Design, Fertigung, Assembly und Test erfolgen ausschließlich in Europa. NanoXplore bringt eigene F&E- und Designkapazitäten in Paris, Grenoble und Montpellier ein. STMicroelectronics steuert unter anderem das Designzentrum in Grenoble, die 300-mm-Fertigung in Crolles, die auf Weltraum spezialisierte Packaging-Anlage in Rennes sowie Test- und Zuverlässigkeitsstandorte in Grenoble und Agrate bei. Redundante qualifizierte Standorte erhöhen die Liefersicherheit für Langzeitprogramme.

Beschleunigte Entwicklung durch Evaluierungskit

Zur Unterstützung der Systementwicklung ist NG-ULTRA als Evaluierungskit verfügbar. Die Plattform ermöglicht frühes Prototyping, Validierung von Schnittstellen und Leistungsdaten sowie eine beschleunigte Entwicklung von Software und Bordlogik. Integrationsrisiken lassen sich so deutlich reduzieren, bevor der Übergang in die Serienfertigung erfolgt.

Stimmen zum NG-ULTRA

„Die ESCC 9030-Qualifikation für das NG-ULTRA ist ein historischer Schritt. Sie beweist, dass Europa nun die gesamte Produktionskette für hochmoderne digitale Komponenten beherrscht, die auf die Anforderungen sowohl von Deep-Space- als auch von New-Space-Konstellationen zugeschnitten sind. Dank der Unterstützung von ESA, CNES und der Europäischen Kommission über DG-DEFIS sichern NanoXplore & STMicroelectronics die strategische Autonomie der EU und machen europäische Satelliten wettbewerbsfähiger denn je.“ Édouard Lepape, CEO von NanoXplore

„Weltraumanwendungen erfordern eine robuste, unabhängige Lieferkette sowie strahlungsgehärtete und kostenoptimierte Chips. ST nutzt sein Know-how im Bereich GEO- und LEO-Plattformen mit bewährter FD-SOI-Technologie, seine Fachkompetenz im Bereich Härtung, Fertigung, fortschrittliche Verpackung und Qualitätssicherung in Europa, um NanoXplores NG-ULTRA für den New-Space-Markt zu ermöglichen.“ Thomas Goust, General Manager Space Division, RF & Optical Communication Sub-Gruppe, STMicroelectronics

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