Системи забезпечення безпеки атомних електростанцій: значення платформ на базі FPGA

Сучасні системи безпеки на атомних електростанціях та промислових об'єктах спираються на концепцію Defense-in-Depth - багаторівневого захисту. Цей підхід передбачає декілька незалежних рівнів захисту, які перекривають одне одного. Пріоритетом для цих систем є запобігання аваріям, попередження про небезпеки та повне стримування імовірних загроз.

Головні принципи забезпечення безпеки

Сучасні системи безпеки функціонують відповідно до жорстких міжнародних стандартів, зокрема тих, які затверджені Міжнародним агентством з атомної енергії (МАГАТЕ). Додаткову інформацію можна знайти на відповідній сторінці.

* Резервування та різноманітність. Системи застосовують кілька незалежних маршрутів та різноманітні технології для забезпечення однакових завдань безпеки. У разі збою або відключення живлення основної системи, резервна система автоматично активується і продовжує виконувати її функції.

* Надійна система. Пристрої та виконавчі механізми розроблені так, щоб у разі відключення живлення або зниження тиску повітря автоматично переходити в безпечний режим (наприклад, закриватися або вимикатися).

* Фізичні бар'єри . У небезпечних галузях промисловості кілька фізичних шарів запобігають витокам небезпечних речовин. Наприклад, ядерні реактори використовують фізичні бар'єри, такі як паливна оболонка, важкий корпус реактора та товсті бетонні захисні споруди.

Охорона навколишнього середовища є важливою задачею. Об'єкти зобов'язані належним чином обробляти, зберігати та утилізувати всі небезпечні матеріали та забруднені інструменти відповідно до встановлених стандартів, щоб уникнути забруднення ґрунту і водних ресурсів.

Що таке FPGA і які його основні відмінності від мікропроцесорів?

FPGA (Field-Programmable Gate Array) платформи стали ключовим елементом цифрових рішень у системах безпеки атомних електростанцій. Вони успішно замінюють традиційні аналогові та мікропроцесорні системи управління. Завдяки використанню апаратно-програмованої логіки замість звичайного програмного забезпечення, FPGA забезпечують неймовірну швидкість, фізичну ізоляцію та надійний захист від кіберзагроз для критично важливої інфраструктури.

Що таке FPGA?

FPGA — це напівпровідниковий пристрій, який можна налаштувати для виконання специфічних апаратних функцій. На відміну від традиційних процесорів, таких як звичайні комп'ютерні ЦП (Центральні Процесори), що функціонують під контролем операційної системи, яка завантажує та виконує різні програми, FPGA працює без необхідності в операційній системі.

Апаратно-програмовна логіка : уявіть собі FPGA як чисту електронну макетну плату. При програмуванні за допомогою мов опису апаратного забезпечення її внутрішні вентилі постійно з'єднані або налаштовані на маршрутизацію даних певним чином. Вона діє точно так само, як і спеціально виготовлені електронні схеми.

Переваги FPGA-технологій: передбачуваність, стійкість до відмов, сертифікація.

Система захисту реактора (RPS) виконує роль "охоронця безпеки" на атомній електростанції. Вона здійснює моніторинг параметрів, таких як температура та тиск, і в разі їх перевищення автоматично зупиняє роботу реактора. FPGA відіграють важливу роль у цій системі з кількох суттєвих причин:

Захист критичної інфраструктури від кіберзагроз

Атомні електростанції виступають головними об'єктами для кібератак. Звичайні цифрові системи піддаються значному ризику злому. FPGA забезпечують захист інфраструктури різними шляхами:

* Відсутність операційних систем для зламу: хакери зазвичай шукають вразливі місця в операційних системах, таких як Windows чи Linux, або ж вносять зміни до програмного коду. Оскільки FPGA не містять програмного забезпечення чи операційних систем, вони не підлягають зараженню відомими шкідливими програмами.

* Пам'ять лише для читання: критичні для безпеки FPGA часто використовують енергонезалежну пам'ять лише для читання. Після програмування на заводі їх не можна модифікувати дистанційно.

Перевірка та уніфікація

Оскільки FPGA-код функціонує подібно до апаратних компонентів, процес ліцензування і тестування є надзвичайно строгим. Органи регулювання, такі як Міжнародне агентство з атомної енергії (МАГАТЕ) та Комісія з ядерного регулювання США (NRC), накладають вимоги до ретельного тестування.

Приклад української розробки FPGA - платформа RadICS

RadICS - це інформаційно-керуюча платформа, що базується на FPGA-технології і призначена для систем безпеки атомних електростанцій. Завдяки використанню FPGA вдається значно зменшити ризики, пов'язані з операційними системами, а також знизити вплив людського фактора. Це сприяє підвищенню надійності обладнання, спрощує процеси технічного обслуговування та забезпечує можливість масштабування рішень для проектів різного рівня складності.

Платформа RadICS отримала незалежну оцінку від міжнародної компанії exida та була сертифікована на рівень функціональної безпеки SIL 3 в одноканальному виконанні згідно зі стандартом IEC 61508. Додатково, вона отримала схвалення від Комісії з ядерного регулювання США (US NRC) для безобмеженого використання в системах безпеки атомних електростанцій.

FPGA як стандарт галузі

FPGA-технології займають провідні позиції в секторах, де необхідна обробка даних з максимальною швидкістю та надійністю. Це пояснює їх популярність у таких галузях, як енергетика, телекомунікації, аерокосмічна і оборонна промисловості, а також у високочастотній торгівлі, медичних пристроях і сучасних дата-центрах. На відміну від програмних рішень, FPGA гарантують детерміновану затримку, високу пропускну здатність і можливість реалізації глибокого паралелізму, що є критично важливим для систем, що працюють у реальному часі. Завдяки поєднанню високої продуктивності, енергоефективності та можливості реконфігурації, FPGA залишаються важливою платформою для розвитку високоефективних цифрових систем. Щоб дізнатися більше, відвідайте сторінку RadICS.