Эффекты смещения. Коммерческие микросхемы на низких орбитах

Эффекты смещения

Эффекты смещения — это локальное разрушение кристаллической решетки, то есть «выбивание» атома из предназначенного для него места. Энергия, необходимая для повреждения кристаллической решетки, обычно довольно велика, поэтому большинство пролетающих частиц не вызывают этот эффект. Зато его причиной может быть ядерная реакция в результате попадания протона или нейтрона, которых на орбите много. Такие локальные дефекты решетки приводят к уменьшению подвижности носителей заряда, росту шумов и некоторым другим эффектам. Они сказываются на обычных КМОП-микросхемах меньше, чем «обычные» дозовые эффекты, но доминируют в солнечных батареях, фотоприемниках, силовых транзисторах, а также в сложных полупроводниках, у которых нет оксида, например в арсениде галлия и нитриде галлия. Именно этим и объясняется их высокая дозовая стойкость — в них просто нет эффектов, вызывающих быструю деградацию кремниевых чипов, а то, что есть, проявляется слабее и позже. Количество излучения, вызывающего эффекты смещения измеряется в частицах (обычно протонах или нейтронах) на квадратный сантиметр площади чипа.

Итак, с описанием воздействующих факторов излучения разобрались, теперь давайте посмотрим, где и в каких сочетаниях они угрожают микросхемам.

Что? Где? Когда?

На рисунке 2 показан пример расчета набора полной дозы на разных орбитах. Дальше надо обсудить множество допущений — солнечную активность, форму, материал и толщину защиты и так далее, но в целом, несмотря на то, что рисунок представляет собой типичного сферического коня в вакууме, тренд ясен: на разных орбитах скорость набора полной дозы может различаться на пять порядков. При этом на низких орбитах, под первым поясом Ван Аллена, доза набирается так медленно, что многие обычные коммерческие микросхемы способны выдержать несколько лет в таких условиях. Да что микросхемы, даже гораздо более хрупкие люди летают там годами без серьезных последствий для здоровья. А между тем, низкие орбиты — это практически вся пилотируемая космонавтика, дистанционное зондирование земли, спутниковая связь, обещаемый уже совсем скоро спутниковый интернет и, как говорят американцы, last but not least, практически все кубсаты запускаются на низкие орбиты.

Коммерческие микросхемы на низких орбитах

Собственно, именно из популярности и важности низких орбит и растут ноги у спекуляций на тему того, что дорогие радстойкие микросхемы не нужны, и вполне можно обходиться обычными. Но у использования в космосе коммерческих микросхем есть и подводные камни, проявляющиеся даже на низких орбитах.

Во-первых, пояса ван Аллена защищают Землю и ее ближние окрестности только от легких частиц, в основном от солнечных электронов и протонов. Более тяжелые частицы, хоть и встречаются намного реже, спокойно долетают даже до нашего последнего щита — атмосферы — и, правильно, вызывают одиночные эффекты, в том числе тиристорный эффект, способный в любой момент необратимо разрушить какую-нибудь микросхему и с ней весь космический аппарат. Поэтому применять коммерческие микросхемы можно только в случае, если приняты меры по их защите от одиночных эффектов.

Вторая проблема состоит в том, что микросхемы на спутнике — это не только процессоры и память, но и множество других видов чипов, в том числе силовых и аналоговых, и с их радиационной стойкостью все гораздо сложнее и намного менее предсказуемо. Да и современные системы на кристалле содержат большое количество нецифровых блоков; например, у большинства чипов флэш-памяти первым перестает работать используемый для записи генератор высокого напряжения, а у аналоговых КМОП-схем сдвигается опорное напряжение, генерируемое при помощи пары биполярных транзисторов, и даже небольшие утечки могут серьезно изменить рабочую точку малопотребляющих аналоговых каскадов. Стойкость силовых ключей к разрушающим одиночным эффектам может сильно зависеть от приложенного к ним напряжения, и так далее и тому подобное.

Третья важная проблема использования коммерческих микросхем в космосе состоит в том, что стойкость к полной дозе и тиристорному эффекту чувствительна к изменению параметров техпроцесса, в том числе небольшим, так что если на фабрике что-то поменяли, вы можете выкинуть результаты своих испытаний в мусорную корзину. А для коммерческих микросхем производитель гарантирует стабильность функциональных параметров, а не технологического процесса. Более того, в разных партиях вам могут встретиться кристаллы с разных фабрик; например, процессор из шестого айфона, Apple A9, производился на 16 нм TSMC и 14 нм Samsung, и пользователю не сообщалось, какая версия стоит в его телефоне. Для борьбы с этой проблемой во всем мире для разработки радстойких микросхем используются институты Trusted Foundry или сертифицированных техпроцессов — словом, какой-то формы гарантии неизменности техпроцесса со стороны фабрики.

Итого правильный ответ на вопрос «можно ли применять в космосе обычные коммерческие микросхемы? » звучит так: «Да, можно, на некоторых орбитах и при соблюдении ряда требований и условий». Полезный совет: если вы все же решили использовать коммерческий чип и вложиться в его испытания, купите запас сразу лет на десять вперед. Это, кстати, вполне себе бизнес-модель большой и уважаемой компании 3DPlus — они испытывают на радстойкость все коммерческие микросхемы подряд, находят те, которые имеют (по сути случайно) достаточные показатели, закупают большие партии и дальше пакуют чипы в собственные корпуса под собственной маркой.