Радиационно стойкие микросхемы для космоса

Радиационно-стойкие микросхемы

Современные радиационно-стойкие микросхемы для использования в космосе.

Радиационно-стойкие микросхемы предназначены для эксплуатации в максимально жестких условиях космического пространства.

Описание:

Радиационно-стойкие микросхемы представлены в виде комплекта, который включает в себя 5 изделий: микропроцессор «Спутник», мультиплексор (позволяет собирать сигналы с десятков датчиков и передавать их далее на АЦП) и три типа аналого-цифровых преобразователей: 14-, 12- и 10- разрядный .

Весь комплект специальной микроэлектроники соответствует требованиям Федерального космического агентства по стойкости к воздействию факторов космического пространства. Это позволяет использовать его как на околоземных орбитах, так и при межпланетных экспедициях.

Микросхемы могут использоваться как в комплекте, так и по отдельности.

Описание микропроцессора «Спутник»:

Предназначен для построения специализированной аппаратуры, в том числе контрольно–измерительных и телеметрических систем космических аппаратов.

Преимущества:

– радиационно-стойкий, отказоустойчивый,

– возможность эксплуатации в максимально жестких условиях космического пространства,

– создание систем управления космическими аппаратами совместимых с международными стандартами CCSDS,

– снижение массогабаритных характеристик и потребляемой мощности аппаратуры контрольно-измерительных систем, телеметрии служебных систем космических аппаратов в 4-5 раз.

Примечание: описание технологии на примере микропроцессора «Спутник» и других микросхем.

микропроцессор российского производства
микросхемы аналоговых мультиплексоров российского производства
микросхемы ацп российского производства
микросхемы российского производства
производители российских микросхем
радиационно стойкие микросхемы российского производства
российские микропроцессоры
российские микросхемы ангстрем
микросхемы современных
замена микросхемы к1ус221г на современные
радиационно стойкие микросхемы
современные микросхемы унч
5000 современных микросхем
5000 современных микросхем унч и их аналоги
современные интегральные микросхемы
микросхемы современных зарубежных усилителей низкой частоты 1
радиационная стойкость микросхем
современные микросхемы питания
справочник современным микросхемам
современные микросхемы памяти
микросхемы современных биоса spi разновидности
радиационно стойкие микросхемы российского производства
напряжение питания современных микросхем
радиационно стойкая микросхема dc dc преобразователя
современные отечественные микросхемы
микросхемы для современных импульсных источников питания скачать
микросхемы для современной бытовой радиоаппаратуры 2008 djvu
современные микросхемы регуляторов мощности аналогичные к1182пм1
современные аналоги микросхемы lm 350
радиационно-стойкие микросхемы для космоса интегральные включение плата памяти тда подключение замена звука унч своими руками параметры выводы распиновка устройства телевизора цифровые управления контроллеров скачать ли драйвера данных мощность для пайки логические простейшие регуляторы отечественные магнитолы фото тока компьютер

Источник

В России разработаны радиационно-стойкие микросхемы для космоса

24-05-2016, 09:45 | Наука и техника / Новость дня | разместил: Редакция ОКО ПЛАНЕТЫ | комментариев: (1) | просмотров: (3 972)

«Ангстрем» разработал комплект современных радиационно-стойких микросхем для космоса. Работы выполнялись по заказу Министерства промышленности иторговли Российской Федерациив рамках ОКР «Обработка-15»

(лот№6–ОКР«Разработка комплекта радиационно-стойких СБИС для построения аппаратуры КИС, телеметрии служебных систем космических аппаратов», шифр «Обработка-15»). Создано пять изделий: микропроцессор «Спутник», мультиплексор и 3 типа аналого-цифровых преобразователей. Микросхемы могут использоваться как в комплекте, так и по отдельности.

Основным изделием ОКРа «Обработка-15» является радиационно-стойкий отказоустойчивый 32-х разрядный микропроцессор «Спутник», предназначенный для построения спецаппаратуры, в том числе контрольно-измерительных и телеметрических систем космических аппаратов. Конструктивные решения позволяют эксплуатировать его в максимально жестких условиях космической радиации. Применение процессора «Спутник» позволяет создавать системы управления космическими аппаратами совместимыми с международными стандартами CCSDS, а также снизить массу и габариты, потребляемую мощность аппаратуры контрольно-измерительных систем, телеметрии служебных систем космических аппаратов в пять раз. Разработка процессора осуществлялась совместно с партнером – ООО «Цифровые решения»*.

Дополнительно к процессору были разработаны аналого-цифровые преобразователи. Изначально техническое задание по ОКРу «Обработка-15» предполагало создание только одного вида АЦП. Конструкторы ОАО «Ангстрем», оценив потенциал всего комплекта микросхем, предложили расширить этот перечень, чтобы перекрыть как можно больший спектр выполняемых задач. В итоге потребители получили не один, а три АЦП: 14-, 12- и 10-разрядный.

На фото: микропроцессор «Спутник»

Еще одной важной микросхемой ОКР «Обработка-15» является мультиплексор, который позволяет собирать сигналы с десятков датчиков и передавать их далее на АЦП.

Все эти изделия выполнены на современном уровне и позволяют развиваться отечественной космической программе без оглядкина западные технологии. Сейчас мы находимся на пороге космической революции, которая требует новых технических решений. Комплект, выполненный в рамках ОКР «Обработка-15», является одним из шагов по созданию принципиально новой электронно-компонентной базы для масштабных космических проектов.

Весь комплект специальной микроэлектроники, разработанный ОАО «Ангстрем», соответствует требованиям Федерального космического агентства по стойкости к воздействию факторов космического пространства.

Напомним, что Китай готов был передать России технологии, необходимые для создания радиационно-стойкой электронной компонентной базы (ЭКБ) космического применения. Вобмен Пекин хотел получить технологии создания жидкостных ракетных двигателей.

Китайцы намеривались получить уРоссии непросто кислород-керосиновые ракетные двигатели, ноитехнологии ихпроизводства. Вобмен они предлагают технологии производства ЭКБ категории Space для использования вкосмических аппаратах.

При этом в «Роскосмосе» считают обозначенный обмен неравноценным. Хорошо известно, что Россия является абсолютным лидером в области создания жидкостных ракетных двигателей. К примеру, даже США сегодня вынуждены закупать ракетные двигатели в России. А все усилия по созданию собственной замены им пока не принесли практического результата. В этой связи американцы вынуждены использовать российские двигатели, благодаря которым осуществляются все пуски, связанные с оборонной программой. Китайцы, в свою очередь, не могут скопировать даже лучшие американские образцы.

Что касается Китая и его технологий сверхчастотного излучения, то они действительно являются достаточно продвинутыми и соответствуют лучшим мировым аналогам, а по некоторым направлениям даже превосходят их. Однако и российская наука в этом плане не особо отстает от Запада и Китая. Яркий пример: создание конструкторами ОАО «Ангстрем» микропроцессора «Спутник», мультиплексора и трех типов аналого-цифровых преобразователей. В этой связи обмен технологии создания ракетных двигателей на технологии создания космической радиационно-стойкой электронной компонентной базы не выглядит целесообразным.

Внешний вид демонстрационной платы процессора «Спутник»

*НПП «Цифровые решения» было создано в октябре2003 года выпускниками МГТУ им. Н.Э. Баумана. До этого времени коллектив единомышленников совместно работал в научной лаборатории, основным направлением деятельности которой была разработка и синтез алгоритмов цифрового радиоприёма, обработки изображения, радиолокации, а также проектирование различных устройств на ПЛИС и цифровых сигнальных процессорах.

В настоящее время компания представляет собой современный дизайн-центр с собственным опытным производством.

Основные направления деятельности:

разработка СБИС c последующим изготовлением на отечественных и зарубежных кремниевых фабриках (цифровое и аналоговое проектирование, изготовление опытных образцов и серийных партий);
разработка цифровых вычислительных модулей различного назначения (ПЭВМ, авиационные, космические и т.д.);
разработка радиоэлектронной техники (высокоскоростные радиолинии, высокопроизводительные модули управления робототехническими комплексами, мощнейшие телекоммуникационные устройства и т.д.).

НПП «Цифровые решения» выполняет полный цикл проектирования цифровых устройств на основе микросхем ПЛИС, микроконтроллеров и сигнальных процессоров, при этом обеспечивается сквозной маршрут проектирования – от разработки алгоритма, схемотехники и программного кода до постановки изделия в производство. В процессе разработки радиоэлектронных устройств так же выполняются работы по разработке корпуса устройства, 3D моделирования, расчеты тепловых режимов, расчеты надежности радиоэлектронных устройств и СБИС.

Предприятие выполняет полный цикл проектирования СБИС (сверх больших интегральных схем), а также выполняет работы по переводу проектов ПЛИС в СБИС. На данный момент освоены следующие технологии:

ОАО «НИИМЭ и Микрон»: 0,18 мкм;

Silterra: 0,18 мкм и 0,13 мкм;

TSMC: 0,25 мкм HV; 0,18 мкм; 90 нм и 65 нм;

Также предприятие занимается научно-исследовательскими работами по таким направлениям как:

запись и хранение информации на твердотельных носителях, алгоритмы фильтрации и шумоподавления, алгоритмы коррекции битовых ошибок цифровых потоков данных, алгоритмы кодирования и декодирования.

Источник

Дополнительные требования к космическим и военным микросхемам

В первую очередь — повышенные требования к надежности (как самого кристалла, так и корпуса), устойчивости к вибрации и перегрузкам, влажности, температурный диапазон — существенно шире, т.к. военная техника и в -40С должна работать, и при нагреве до 100С.

Затем — стойкость к поражающим факторам ядерного взрыва — ЭМИ, большой мгновенной дозе гамма/нейтронного излучения. Нормальная работа в момент взрыва может быть невозможна, но по крайней мере прибор не должен необратимо выйти из строя.

И наконец — если микросхема для космоса — стабильность параметров по мере медленного набора суммарной дозы облучения и выживание после встречи с тяжелым заряженным частицами космической радиации (об этом подробнее ниже).

О категориях микросхем

На западе микросхемы делятся на категории commercial, industrial, military и space.

Commercial — обычные, самые массовые микросхемы для домашних и офисных продуктов, обычно рассчитанные на диапазон температур 0..75C.

Industrial/Military — те же обычные микросхемы, но с дополнительным тестированием, рассчитанные на чуть более широкий температурный диапазон (-40..125С например) и опционально — в металлокерамическом корпусе (микросхемы, не прошедшие дополнительные тесты — могут быть проданы как Commercial).

Space — радиационно-стойкие микросхемы для космического применения, тут уже металлокерамический корпус, скорее правило. На микросхемы Military и особенно

Space существуют существенные ограничения на продажу.

Как же влияет радиация на микросхемы

В «штуках частиц» космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов Водорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц),

1% более тяжелые атомы и

1% электроны. Ну и звезды (включая солнце), ядра галактик, млечный путь — обильно освещают все не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением. Во время вспышек на солнце — радиация от солнца увеличивается в 1000-1’000’000 раз, что может быть серьёзной проблемой (как для людей будущего, так и нынешних космических аппаратов за пределами магнитосферы земли).
Нейтронов в космическом излучении нет по очевидной причине — свободные нейтроны имеют период полураспада 611 секунд, и превращаются в протоны. Даже от солнца нейтрону не долететь, разве что с совсем уж релятивистской скоростью. Небольшое количество нейтронов прилетает с земли, но это мелочи.

Вокруг земли есть 2 пояса заряженных частиц — так называемые радиационные пояса Ван Аллена: на высоте

4000 км из протонов, и на высоте

17 000 км из электронов. Частицы там движутся по замкнутым орбитам, захваченные магнитным полем земли. Также есть бразильская магнитная аномалия — где внутренний радиационный пояс ближе подходит к земле, до высоты 200км.

Электроны, гамма и рентгеновское излучение

Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему — в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно, начинают медленно изменятся параметры транзисторов — пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад).

Помимо этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все pn переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи» — и если в космосе обычно радиация недостаточна, чтобы это сильно повлияло на работу микросхемы, во время ядерного взрыва потока гамма и рентгеновского излучения уже может быть достаточно, чтобы нарушить работу микросхемы за счет фотоэффекта. Затем — флеш/EEPROM память. Кто-то может еще помнить старые микросхемы памяти с ультрафиолетовым стиранием:

Чтобы снизить стоимость, выпускалась и версия без кварцевого окна, считавшаяся однократно-программируемой. В космосе радиация медленно стирает данные в eeprom/flash памяти, поэтому все активно исследуют FRAM/MRAM память для космических применений. Не стирается от радиации также память на пережигаемых и закорачиваемых перемычках — fuse и antifuse. На западе впрочем летают и на дешевой около-гражданской eeprom, и проблем в целом не имеют.

На низкой орбите 300-500км (там где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10’000-20’000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы.

Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) — протоны, альфа-частицы и ионы больших энергий

Это самая большая проблема космической электроники — ТЗЧ имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот — single-event upset, SEU), в худшем — привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания — то все будет работать как обычно.

Именно защелкивание ограничивает использование обычных наземных микросхем в космосе со всякими программными хитростями для увеличения надежности.

Бороться с защелкиванием можно несколькими способами:

Следить за потребляемым током, и быстро передергивать питание
Использовать микросхемы на сапфировой подложке (Silicon-on-sapphire, SOS, в более общем виде Silicon-on-insulator, SOI) — это исключает формирование биполярных паразитных транзисторов и соответственно защелкивание. Программные ошибки, тем не менее, все равно могут быть. Пластины кремний-на-сапфире стоят дорого, обрабатывать их сложно, и они имеют ограниченное применение в гражданском секторе — соответственно производство получается дорогим.
Использовать так называемый triple-well процесс — он также очень сильно снижает возможность защелкивания микросхемы за счет дополнительной изоляции транзисторов pn-переходом, но не требует каких-то особенных пластин или оборудования и соответственно само производство намного дешевле кремния на сапфире.

Исторически, в СССР и России больше работали с кремнием на сапфире, а на западе — стараются как можно больше использовать обычный кремний с triple-well (чтобы совмещать с коммерческими продуктами и снижать стоимость), но и SOS/SOI тоже делают по необходимости.

Нейтроны + 10 B

Бор используется для легирования кремния и в виде боросиликатного стекла для изоляции слоев металла. Проблема в том, что природный бор на 20% состоит из Бора-10, который очень хорошо реагирует с нейтронами с выделением альфа-частицы прямо в сердце микросхемы. Это приводило к ошибкам работы микросхем, особенно памяти.

Нейтроны получаются как вторичная радиация, или прилетают от земли, как мы помним в космической радиации их нет.

10 B + n → [ 11 B] → α + 7 Li + 2.31 MeV.

Эта одна из проблем которую удалось решить — используя для производства микросхем только изотоп 11 B. Теперь нейтроны практически беспрепятственно проходят через микросхему, не вызывая ошибок. Это свойство бора кстати используется для экстренной остановки атомных реакторов — в него заливают борную кислоту, обогащенную изотопом 10 B — альфа частицы там не проблема.

Перейдем теперь к паре интересных мифов:

А давайте спутник в радиационную защиту завернем, и гражданские микросхемы поставим

Природа с усмешкой смотрит на игрушечные ускорители элементарных частиц, которые придумывают люди — на большом адронном коллайдере ими были (вернее будут) достигнуты жалкие энергии в 7 TeV для протонов, и 574 TeV для ионов свинца. А с галактическими космическими лучами к нам иногда прилетают частицы с энергией 3*10 20 eV, т.е. 300000000 TeV. Откуда берутся такие частицы еще вопрос, т.к. это выше теоретического предела энергии космических частиц Грайзена — Зацепина — Кузьмина. В человеко-понятных единицах, это около 50Дж, т.е. в одной элементарной частице энергия как у пули мелкокалиберного спортивного пистолета.

Когда такая частица сталкивается, например, с атомом свинца радиационной защиты — она просто разрывает его в клочья. Осколки также будут иметь гигантскую энергию, и также будут разрывать в клочья все на своём пути. В конечном итоге — чем толще защита из тяжелых элементов — тем больше осколков и вторичной радиации мы получим. Свинцом можно сильно ослабить только относительно мягкую радиацию земных ядерных реакторов.

Аналогичным эффектом обладает и гамма-излучение высоких энергий — оно также способно разрывать тяжелые атомы в клочья за счет фотоядерной реакции.

И наконец, давайте взглянем на конструкцию рентгеновской трубки:

Электроны от катода летят в сторону анода из тяжелого металла, и при столкновении с ним — генерируется рентгеновское излучение за счет тормозного излучения. Когда электрон космического излучения прилетит к нашему кораблю — то наша радиационная защита и превратится в такую-вот естественную рентгеновскую трубку, рядом с нашими нежными микросхемами.

Из-за всех этих проблем радиационную защиту из тяжелых элементов, как на земле — в космосе не используют. Используют защиту большей частью состоящую из алюминия, водорода (из различных полиэтиленов и проч), т.к. его разбить можно только на субатомные частицы — а это намного сложнее, и такая защита генерирует меньше вторичной радиации.

Но в любом случае, от ТЗЧ защиты нет, более того — чем больше защиты — тем больше вторичной радиации от высокоэнергетических частиц, оптимальная толщина получается порядка 2-3мм Алюминия. Самое сложное что есть — это комбинация защиты из водорода, и чуть более тяжелых элементов (т.н. Graded-Z) — но это не сильно лучше чисто «водородной» защиты. В целом, космическую радиацию можно ослабить примерно в 10 раз, и на этом все.

Еще один миф — современные тех.процессы менее радиационно-стойкие

Шанс получить ошибку в конкретном транзисторе пропорционален его объему, а он быстро уменьшается с уменьшением технологии (т.к. транзисторы становятся не только меньше по площади, но и тоньше). Помимо этого, отмечено аномальное увеличение радиационной стойкости с современными толщинами подзатворных диэлектриков (3нм и менее).

В целом, на современных стойких тех.процессах (65нм и менее) рутинно получаются микросхемы выдерживающие дозу облучения в 1млн рад, что превышает все разумные требования по стойкости. Стойкость к защелкиванию и программным ошибкам — достигается за счет triple-well и специальных архитектурных решений.

О soft-ошибках (single-event upset)

Т.е. когда из-за ТЗЧ у нас произошло искажение содержимого памяти или логика сработала неправильно.

Бороться с этим остается только архитектурными способами — мажоритарной логикой (когда мы соединяем по 3 копии каждого нужного нам блока на некотором расстоянии друг от друга — тогда 2 правильных ответа «пересилят» один неправильный, использованием более стойких к ошибкам ячеек памяти (из 10 транзисторов, вместо обычных 6), использованием кодов коррекции ошибок в памяти, кеше и регистрах, и многим другим.

Но полностью от ошибок избавиться невозможно — нам ведь может повезти и ТЗЧ (вернее целый веер вторичных частиц) пройдет точно вдоль чипа, и чуть ли не 5% чипа могут сработать с ошибкой… Тут и нужна высоконадежная система из нескольких независимых компьютеров, и правильное их программирование.

Михаил Сваричевский (по материалам из открытых источников)

Источник