Меню

Защита электроники для космоса

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:

Читайте также:  Зарядное устройство для ааа космос

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:

  1. Следить за потребляемым током, и быстро передергивать питание
  2. 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.
  3. 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.

Читайте также:  Путешествие по космосу первому классу

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.

Читайте также:  Дневник наблюдения за космосом

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

Физики ищут способы защиты электроники спутников от космических частиц

МОСКВА, 16 ноя — РИА Новости. Коллектив кафедры микро- и наноэлектроники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» представил новую методику, позволяющую предсказывать сбои интегральных микросхем в космосе. Статья о проведенном исследовании опубликована в авторитетном научном журнале «IEEE Transactions on Nuclear Science».

Обеспечение надежной работы микросхем в космосе – важная научная и экономическая задача. Для того, чтобы современные метеоспутники, спутники связи и наблюдения за Землей были экономически эффективными, они должны работать на орбите как минимум 10-15 лет. Распространенная причина, по которой спутники выходят из строя раньше этого срока – отказ бортовой электроники. Обычная земная электроника для космических условий слишком ненадежна. Поэтому для космонавтики электронику либо изготавливают по специальной технологии, либо отбирают и испытывают особым образом. Все это требует глубокого понимания физических процессов, происходящих внутри схем, и мотивирует ученых разрабатывать математические методы, точно предсказывающие поведение таких схем в различных условиях.

Высокую важность здесь имеют так называемые «одиночные эффекты»: ошибки электронных схем, вызванные воздействием отдельных высокоэнергетических космических частиц из радиационных поясов Земли или глубин Галактики. Проблема одиночных сбоев возникла еще в начале 80-х годов, когда размеры микроэлектронных компонентов составляли около микрона (одна миллионная доля метра).

Однако за последние 30 лет ситуация кардинально изменилась. Уменьшение размеров элементов интегральных схем до нанометрового масштаба привело к тому, что распространились множественные сбои: ситуации, при которых одна космическая частица (например, ион или протон) может одновременно вызывать ошибки сразу в нескольких логических элементах или ячейках памяти, что приводит к сбоям либо необратимым повреждениям электросхемы. Такого рода сбои очень сложно исправлять из-за неопределенности их кратности: то есть, числа сбоев от одной космической частицы.

Решая эту проблему, специалисты из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» в серии исследований 2015-2017 годов разработали новую методологию, позволяющую обрабатывать результаты наземных экспериментов и программировать расчеты частоты сбоев. Она дает возможность прогноза с учетом новых физических, технологических и программных аспектов, которые характерны для наноразмерных (с технологической нормой менее 100 нм) интегральных схем самого современного образца.

Возможность расчета частоты ошибок разной кратности – необходимое условие для создания новых программных алгоритмов, которые могли бы эффективно парировать множественные сбои в космосе. Работу в этом направлении коллектив НИЯУ МИФИ ведет совместно с НИИ системных исследований РАН.

Источник