Conceptos erróneos populares sobre la resistencia a la radiación de los microcircuitos

En casi cada segundo tema sobre Habré relacionado con la astronáutica o la electrónica, aparece el tema de la resistencia a la radiación. El tema de la sustitución de importaciones de una base de elementos resistentes a la radiación se encuentra en las noticias sobre la exploración espacial nacional, pero al mismo tiempo, Elon Musk usa chips convencionales baratos y está orgulloso de ello. Y los israelíes en Bereshit usaron un procesador radiante y también están orgullosos de él. Y, en principio, la industria microelectrónica en Rusia vive en gran medida debido a un orden estatal con los requisitos pertinentes. La observación de disputas regulares sobre cómo construir adecuadamente satélites muestra que la capacitación de los participantes suele ser baja, y su argumentación está cargada de estereotipos que se escucharon accidentalmente fuera de los hechos contextuales y el conocimiento que estaban obsoletos hace muchos años. Pensé que leer esto ya no es posible, por lo tanto, queridos analistas, siéntanse cómodos con sus sofás y comenzaré una historia corta (realmente grande) sobre los conceptos erróneos más populares sobre la resistencia a la radiación de los circuitos integrados.


Figura 1. Una bella imagen indispensable sobre la radiación cósmica y la frágil Tierra.

Las tesis más populares sobre resistencia a la radiación utilizadas en disputas cerca del espacio se ven más o menos así:

1. No se necesitan chips radiantes. Los Kubsats vuelan perfectamente en los ordinarios, en la ISS hay computadoras portátiles comunes de Lenovo, en Dragon hay microcircuitos comunes, ¡e incluso la NASA en Orión entregó microcircuitos comunes!
2. Es muy posible poner microcircuitos muy viejos en los satélites, hasta el "desmoronamiento suelto", no se necesita un rendimiento serio allí. Pero sin alegría, en ninguna parte, y por lo tanto volar en basura.
3. La tesis que complementa el anterior: los microcircuitos radicalmente estables, en principio, no se pueden hacer con estándares de diseño bajos, por lo tanto, el uso de componentes probados no solo está justificado, sino que también es necesario.
4. Para que el microcircuito sea resistente a la radiación, es necesario y suficiente hacerlo utilizando la tecnología "silicio sobre aislante" o "silicio sobre zafiro".
5. Todos los microcircuitos "militares" son resistentes a la radio, y todos los microcircuitos resistentes a la radio son "militares".

Como puede ver, algunas de estas tesis se contradicen directamente entre sí, lo que regularmente es objeto de controversia o la razón de conclusiones incorrectas de gran alcance.

Debe comenzar la conversación con un descargo de responsabilidad importante: la resistencia a la radiación no es el centro del mundo y la única cualidad que debería ser adecuada para su uso en el espacio u otros entornos agresivos. La resistencia a la radiación es solo uno de los requisitos de una serie larga, que incluye confiabilidad, rango de temperatura extendido, resistencia a descargas electrostáticas, resistencia a la vibración y confirmación confiable de todos los parámetros anteriores, es decir, certificación larga y costosa. Es importante todo lo que no permita que el chip funcione durante toda la vida útil requerida, y la mayoría de las aplicaciones de chips resistentes a la radiación implican la imposibilidad de reparación o reemplazo. Por otro lado, si algo está mal con uno de los parámetros, el diseñador del producto final a menudo puede encontrar una forma de evitar la limitación: coloque el chip que sea más sensible a la dosis de radiación detrás de una pared gruesa, controle el consumo actual del chip que es vulnerable al efecto tiristor y restablezca su potencia si es necesario , o termostato un chip con un rango de temperatura estrecho. O puede que no se encuentre, y la única forma de resolver la tarea será solicitar un nuevo radar ASIC resistente.

También es útil recordar que los desarrolladores de sistemas de propósito especial son las mismas personas que cualquier otro desarrollador. A muchos de ellos también les gusta escribir código para muletas llenas de costra hasta la fecha límite de ayer y usar hardware más potente para que definitivamente funcione en él; algunos habrían usado Arduino si hubiera sido debidamente certificado. Y, por supuesto, las personas que establecen tareas para desarrolladores de sistemas de propósito especial y desarrolladores de microcircuitos para ellos rara vez se sienten tímidos en los requisitos de confiabilidad, rendimiento y resistencia a la alegría. Por lo tanto, aún se necesitan estándares de diseño modernos en los satélites: quiero grandes cantidades de DRAM, procesadores multinúcleo y los últimos FPGA. Ya he mencionado anteriormente que las consecuencias de la baja resistencia a la radiación y otros problemas potenciales pueden ser al menos parcialmente evadidas, por lo que la falta de datos sobre qué es exactamente lo que se debe evitar que el estado comercial de los chips se evita en gran medida usar toda esta magnificencia de los desarrolladores.

Efectos de radiación

Los conceptos de "resistencia a la radiación" y "microcircuito resistente a la radiación" son grandes simplificaciones. De hecho, hay muchas fuentes diferentes de radiación ionizante, y pueden afectar el funcionamiento de los dispositivos electrónicos de diferentes maneras. En consecuencia, para diferentes aplicaciones, es necesaria la resistencia a diferentes conjuntos de factores de influencia y diferentes niveles de exposición, por lo que no es necesario que un microcircuito "estable" diseñado para operar en órbita terrestre baja funcione normalmente cuando se analizan bloqueos en Chernobyl.

La radiación ionizante se llama ionizante, porque la liberación de energía en el volumen de una sustancia durante el frenado de partículas entrantes ioniza la sustancia. Cada material tiene su propia energía necesaria para la ionización y la creación de un par de electrones. Para el silicio, esto es 3.6 eV, para su óxido - 17 eV, para arseniuro de galio - 4.8 eV. Además, una partícula entrante puede no ionizar un átomo, sino "moverlo" desde el lugar correcto en la red cristalina (en silicio, esto requiere 21 eV para ser transferido al átomo). Los pares de electrones creados en una sustancia pueden tener diferentes efectos sobre las propiedades eléctricas y físicas y sobre el comportamiento del circuito eléctrico. Los efectos de la radiación se pueden dividir en cuatro grandes grupos: efectos de la dosis absorbida total, efectos de la tasa de dosis, efectos causados ​​por la entrada de partículas individuales y efectos de desplazamiento. Esta separación es algo arbitraria: por ejemplo, la irradiación con una corriente de iones pesados ​​que causan efectos únicos también conduce a un conjunto de dosis absorbida total.

Efectos de dosis

La dosis total absorbida de radiación se mide en rad, lo que indica la sustancia que absorbe la radiación. 1 rad = 0.01 J / kg, es decir, la cantidad de energía liberada en una unidad de masa de una sustancia. Menos utilizado es una unidad de medida de Gray, igual a 100 rad (o 1 J / kg). Es importante comprender que la dosis absorbida en diferentes sustancias variará para la misma cantidad de partículas ionizantes liberadas por la fuente de radiación (esta es la dosis de exposición). En el caso de los microcircuitos de silicio, el material deseado es el óxido de silicio, porque el efecto sobre él, y no sobre el silicio, afecta principalmente las características eléctricas del circuito, ya que la movilidad de los agujeros en SiO2 a temperatura normal es tan pequeña que se acumulan en el óxido, creando Carga positiva incorporada. Los niveles típicos de resistencia a la dosis de microcircuitos comerciales se encuentran en el rango de 5-100 krad (Si), los niveles de resistencia a la radiación exigidos por los clientes comienzan en 30 krad (Si) y terminan en algún lugar alrededor de 1 Grad (Si), dependiendo del propósito del microcircuito. La dosis letal para los humanos es de aproximadamente 6 grises.



Figura 2. Ejemplos de cálculos del conjunto de la dosis absorbida total durante 10 años en varias órbitas circulares para protección de 1 g / cm ^ 2. Fuente - N.V. Kuznetsov, "Peligro de radiación en órbitas cercanas a la Tierra y trayectorias interplanetarias de naves espaciales".

Los efectos de la dosis completa están asociados con la acumulación de esta carga positiva en dieléctricos y se manifiestan en esquemas CMOS de varias maneras principales:

1. El cambio en el voltaje de umbral de los transistores que surge de la acumulación de una carga positiva en el dieléctrico de la puerta y el cambio en el campo eléctrico en el canal del transistor. Para los transistores de canal n, el umbral generalmente disminuye (pero la dependencia puede ser no monotónica), y para los transistores de canal p aumenta, y el valor de desplazamiento se correlaciona con el grosor del óxido de la puerta, es decir, con los estándares de diseño. Los umbrales de los transistores en circuitos con estándares de diseño aproximados pueden cambiar para causar una falla funcional (los transistores de canal n dejan de cerrarse, los transistores de canal p se abren); En las tecnologías submicrónicas, este efecto es menos importante, pero en los circuitos analógicos puede causar mucho dolor de cabeza.
2. Se produce una fuga incontrolada. Puede fluir desde la fuente del transistor a su propio drenaje o a un transistor adyacente. La causa de las fugas es la acumulación de una carga positiva, pero no en el aislante de la compuerta, sino en el material aislante grueso. De hecho, un transistor parásito se forma paralelo al transistor principal, cuyo voltaje de puerta se controla mediante una dosis de radiación. La manifestación de este efecto está determinada por las características de la geometría de la transición de un aislante de puerta a uno aislante, es decir, en gran medida depende de una tecnología específica que de los estándares de diseño.
3. Una disminución en la movilidad de los portadores de carga debido a la acumulación de defectos en los que se dispersan los portadores de carga. El efecto de este factor en los circuitos digitales submicrónicos en el silicio es pequeño, pero es más importante para los transistores de potencia, incluidos los semiconductores complejos (nitruro de galio y carburo de silicio).
4. Aumento de 1 / f en el ruido causado por transistores de borde espurios. Es importante para circuitos analógicos y de radiofrecuencia. El valor de este efecto aumenta con una disminución en los estándares de diseño, cuando disminuye el efecto de los efectos de la dosis restante.

En los esquemas bipolares, el efecto de dosis principal es una caída en la ganancia causada por un aumento en la corriente de base debido a la fuga del emisor a la base en la interfaz de silicio y óxido pasivante. Otro efecto específico de la dosis para los transistores bipolares es que pueden (no necesariamente) responder no solo al nivel de la dosis acumulada, sino también a la velocidad de su recolección: cuanto más lenta se acumula la dosis, peor es la resistencia. Este efecto se llama ELDRS (sensibilidad mejorada de baja tasa de dosis) y complica enormemente y aumenta el costo de las pruebas, a menudo no solo bipolares, sino también circuitos CMOS, porque a veces también tienen transistores bipolares y porque es más fácil hacer que todos prueben de manera uniforme que averiguar dónde puede estar ELDRS y dónde no.

Tasa de dosis

Otra parte de los efectos relacionados con la tasa de dosis es un conjunto de dosis ultrarrápido en el que se generan tantos pares de agujeros de electrones en el microcircuito que no tienen tiempo para recombinarse, y se introduce una gran carga eléctrica en el chip, que se disuelve a través del suelo y las líneas eléctricas durante tiempo significativo: durante el cual el circuito deja de funcionar. Este tiempo se llama "pérdida de tiempo de trabajo" y es la característica principal de la resistencia de un microcircuito o dispositivo a tales efectos. Además, una gran cantidad de la carga introducida en el microcircuito cambia seriamente el potencial de las áreas conectadas al suelo y al suministro de energía, lo que puede provocar la aparición de un efecto tiristor.

Son los efectos de una alta tasa de dosis, en aras de la resistencia a la que se desarrollaron originalmente la tecnología "silicio sobre zafiro" y "silicio sobre aislante", porque la única forma de reducir la carga introducida en el circuito es separar la región activa del microcircuito del volumen del sustrato, no dando la carga del sustrato para participar en el proceso. ¿Por qué son importantes estos efectos? Una alta tasa de dosis en un corto período de tiempo es una consecuencia típica de una explosión nuclear.

Efectos individuales

Los efectos únicos no están asociados con una exposición prolongada a la radiación, sino con un efecto medible de una sola partícula ionizante. Se pueden dividir en dos grandes grupos:

1. No destructivo. Estos incluyen fallas en varios tipos de elementos de almacenamiento (memoria caché, archivos de registro, memoria de configuración FPGA, etc.), transitorios en lógica combinacional y en circuitos analógicos. La característica principal de este tipo de efectos: no conducen a la destrucción física del chip y pueden ser software o hardware fijos. Además, los transitorios se corrigen por sí mismos después de un tiempo (la pregunta es qué tan grande es). Las fallas en los arreglos de memoria son de gran interés práctico, simplemente porque constituyen la mayor parte de todas las fallas debido a la gran cantidad de memoria en los sistemas microelectrónicos modernos.
2. Destructivo Estos incluyen el efecto tiristor y varios, pero, afortunadamente, efectos raros como perforar la puerta o quemar el transistor de avalancha. Su característica distintiva es que destruyen irreversiblemente el elemento del chip. En el caso del efecto tiristor, el chip puede generalmente (¡pero no siempre!) Guardarse si la energía se restablece rápidamente. Los efectos destructivos representan un grave peligro para algunos tipos de memoria flash y para dispositivos con altos voltajes y densidades de corriente, los más importantes son los interruptores de alimentación.

El rendimiento energético específico de una partícula ionizante se denomina "transferencia de energía lineal" (LET) y se mide en MeV, transferido por unidad de longitud del tramo de la partícula en el material, por unidad de densidad del material, es decir, en (MeV * cm ^ 3) / (mg * cm) o (MeV * cm ^ 2) / mg. El LET es no lineal y no monotónicamente dependiente de la energía de las partículas y está interconectado con el camino libre medio, que para partículas y materiales relevantes en microelectrónica puede variar de cientos de nanómetros a cientos de milímetros.

El número de partículas encontradas en el espacio disminuye con el crecimiento de LET (ver Figura 4). Los valores importantes son 30 (corresponde a iones de hierro) y 60 u 80 (después de lo cual la probabilidad del evento se considera insignificante). Además, una cifra importante es 15 MeV * cm ^ 2 / (mg): esta es la LET máxima que pueden tener los productos de una reacción nuclear cuando un protón o neutrón ingresan al silicio. Los protones son uno de los principales tipos de radiación solar, y aunque su propia LET es pequeña (décimas de unidad), tienen un efecto significativo debido a las reacciones nucleares y la ionización secundaria. La ionización secundaria puede ocurrir directamente en la región activa, o puede ser el resultado de un protón que ingresa a un átomo de algún material con un gran número atómico, por ejemplo, tungsteno o tántalo. Los elementos pesados ​​se utilizan activamente en la tecnología microelectrónica moderna, por ejemplo, para crear contactos desde el silicio hasta la primera capa de metalización. La ionización secundaria también es la razón por la cual no es necesario empacar chips en cajas de plomo para aumentar la resistencia a la radiación.



Figura 3. La dependencia de LET de la energía para diferentes tipos de partículas.

Por separado, vale la pena prestar atención a los núcleos de helio (partículas alfa), no solo porque hay muchos de ellos en la composición de la radiación solar, sino también porque se pueden encontrar muchas fuentes de radiación alfa en la vida cotidiana.



Figura 4. Comparación del número de partículas de diferentes tipos durante una misión en órbita de dos años, de acuerdo con Xapsos et.al., "Modelo para los espectros de transferencia de energía lineal y energía solar acumulada", IEEE TNS, vol. 5, no. 6., 2007

1, 30 o 60 MeV * cm ^ 2 / (mg): ¿cuánto es esto? El umbral de falla de una celda de memoria estándar en tecnología de 7 nm es mucho más bajo que la unidad, en 180 nm, en el rango de unidad a decenas. El uso de circuitos especiales le permite elevar el umbral, por ejemplo, a cientos, pero generalmente es más razonable lograr una cifra de 15 o 30 unidades, y filtrar los restos de eventos raros utilizando una codificación resistente al ruido. 60 unidades es una figura que generalmente aparece en los requisitos de resistencia a los efectos destructivos.

Efectos de desplazamiento

Los efectos de desplazamiento son la destrucción local de la red cristalina, es decir, "noquear" a un átomo de su lugar previsto. La energía requerida para dañar la red cristalina suele ser bastante grande, por lo que la mayoría de las partículas que pasan no causan este efecto. Pero su causa puede ser una reacción nuclear como resultado del impacto de un protón o neutrón, que se encuentran en órbita. Tales defectos de la red local conducen a una disminución en la movilidad de los portadores de carga, un aumento en el ruido y algunos otros efectos. Afectan a los chips CMOS convencionales menos que los efectos de dosis "ordinarios", pero dominan en paneles solares, fotodetectores, transistores de potencia, así como en semiconductores complejos que no tienen óxido, por ejemplo, arseniuro de galio y nitruro de galio. Esto explica su alta resistencia a la dosis: simplemente no tienen efectos que causen una degradación rápida de los chips de silicio, y lo que hay allí es más débil y más tarde. La cantidad de radiación que causa los efectos de polarización se mide en partículas (generalmente protones o neutrones) por centímetro cuadrado de área de chip.

Entonces, con una descripción de los factores que influyen en la radiación, ahora veamos dónde y en qué combinaciones amenazan a los microcircuitos.

Que? Donde Cuando

La Figura 2 muestra un ejemplo de cálculo del conjunto de dosis completa en diferentes órbitas. A continuación, debemos analizar muchos supuestos: actividad solar, forma, material y grosor de protección, etc., pero en general, a pesar de que la imagen es un caballo esférico típico en el vacío, la tendencia es clara: en diferentes órbitas, la velocidad de la dosis completa puede variar según Cinco órdenes de magnitud. , , , . , . , — , , , , , the last but not least, .



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7. . Y. Cao et.al., «A 4.5 MGy TID-Tolerant CMOS Bandgap Reference Circuit Using a Dynamic Base Leakage Compensation Technique», IEEE TNS, Vol.60, N.4, 2013

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En el sitio web de una fábrica de microelectrónica, durante bastante tiempo, hubo una declaración de que la resistencia a la radiación no se puede lograr con estándares de diseño por debajo de 600 nm, porque de lo contrario "partículas cargadas perforan silicio". Por sorprendente coincidencia, los estándares mínimos de diseño disponibles para esa fábrica fueron de solo 600 nm. Y un empleado senior de otra fábrica informó en una entrevista que fabricar microchips para espacio con estándares de diseño inferiores a 90 nm era "tecnológicamente imposible". Y de nuevo, coincidió tanto que es tecnológicamente imposible hacer algo a velocidades inferiores a 90 nm en esta fábrica en particular. Las razones de marketing para estas situaciones y los beneficios inmediatos de ellas son comprensibles, pero a la larga, tales frases, dirigidas a una audiencia amplia, me parecen hacer más daño que bien.

Además, regularmente hay discusiones que no están vinculadas a ningún marketing en el que los microchips hechos de acuerdo con los estándares de diseño son más gruesos que un cierto límite, son inmunes a fallas destructivas individuales (en particular, al efecto tiristor), lo que significa que muchos años de uso de tecnologías antiguas no solo están justificadas, sino y necesario
O viceversa, las frases que indican que los microcircuitos con estándares de diseño por debajo de 250 nm son inmunes al efecto tiristor, porque tienen voltajes operativos tan bajos que el tiristor simplemente no puede abrirse. O hay opiniones de que, de hecho, el problema no está en los estándares de diseño, sino en el hecho de que la tecnología CMOS es fundamentalmente vulnerable a la radiación (lo que se confirma mediante pruebas realizadas por el solicitante en los años setenta), y los antiguos chips resistentes a la radiación son bipolares / KNS / GaAs. Y dado que la tecnología CMOS es fundamentalmente mala, pero todos los chips modernos están hechos con ella, esto significa que los chips modernos no son estables por definición, y la única forma segura para la astronáutica es invertir dinero para recordar el arseniuro de galio abandonado hace mucho tiempo (al mismo tiempo en el mercado comercial de Intel ganar) o volver a la lógica discreta probada en el tiempo. Y aún mejor: a las lámparas.

Radiante: ¿significa viejo y al revés?

Para ser justos, debe tenerse en cuenta que en los circuitos realizados con estándares de diseño de un par de micras o más, generalmente no hay efecto tiristor y fallas únicas. "Por lo general", sin embargo, no significa "siempre" de ninguna manera, hay ejemplos de circuitos antiguos con baja resistencia al efecto tiristor, y los estándares de diseño no garantizan nada. Una alta resistencia a las fallas individuales surge simplemente porque la conmutación de elementos con tales estándares de diseño requiere mucha energía. Durante el funcionamiento normal, también, así que me gustaría desear a aquellos que ofrecen seguir usando los chips antiguos que intenten ensamblar el procesador Intel Core en la lógica de la serie 74, y pensar qué tipo de cohete podrá elevar al monstruo resultante en el aire.

Por otro lado, la microelectrónica no está viva con procesadores únicos. Hay una gran cantidad de tareas para las que no se necesitan estándares de diseño muy pequeños o no son tan obligatorios, y los niveles de 500-90 nm son suficientes. El mercado comercial mundial de microcircuitos en obleas con un diámetro de 200 mm (y estos son estándares de diseño de 90 nm y más) ha estado creciendo durante varios años, hasta la escasez de equipos de producción. Tanto los microcircuitos "desarrollados recientemente" como los completamente nuevos se producen con estándares de diseño "obsoletos", y muchas fábricas están listas para garantizar el futuro a largo plazo de los procesos tecnológicos (pero no necesariamente su invariancia completa). Por lo tanto, el "atraso" de una fábrica particular del TSMC condicional no significa en absoluto la imposibilidad de éxito comercial en el campo civil o en el campo de resistencia especial.

El alto costo de desarrollar, fabricar y certificar circuitos resistentes a la radiación es un dolor de cabeza aún mayor para los fabricantes que en la electrónica automotriz o industrial. Las circulaciones pequeñas (y a menudo si no cientos, luego miles) a menudo complican la comercialización de este tipo de desarrollo, porque si necesita dividir un millón de dólares en mil chips (el costo de desarrollo es un chip relativamente simple para los estándares de 180 nm), entonces esto es mil dólares por un chip, pero aún se necesita certificación, lo que puede resultar fácilmente en varios millones (especialmente si prueba circuitos CMOS en ELDRS). ¿Y si necesita devolver mil millones de dólares en una pequeña corrida? Eso es lo que cuesta el desarrollo a 5-7 nm. El alto costo de desarrollo y certificación ha llevado al hecho de que en todo el mundo el desarrollo de una parte significativa de los microcircuitos resistentes a la lluvia está subsidiado directa o indirectamente por los estados. Esto reduce en gran medida el número de nuevos proyectos, alienta a más tiempo y más inventivo a vender lo que es, y maximizar el uso de bloques de IP probados. Como resultado, los populares microcircuitos resistentes a la lluvia se producen y utilizan durante muchos años, creando la ilusión de que todos los microcircuitos resistentes a la lluvia son viejos. Y en la mayoría de los casos, los clientes están satisfechos con esto, porque en una situación en la que la fiabilidad sigue siendo primordial en relación con el rendimiento, reutilizar una solución ya probada es a menudo lo mejor que se puede imaginar, y tener un "patrimonio de vuelo" es una gran ventaja competitiva. Esto también ayuda a extender el período de producción activa de desarrollos exitosos, incluso cuando ya están obsoletos y cuando ya hay un reemplazo. Además, incluso la instalación de un análogo compatible de pin a pin en la mayoría de los casos requiere al menos una conciliación de la documentación de diseño, así como un máximo de pruebas costosas. Y esto está en una situación en la que no se requiere desarrollo, entonces, ¿qué pasa con el caso en el que realmente necesita rehacer algo para usar el nuevo chip? Por supuesto, en tal situación, los desarrolladores de hardware tienden a reutilizar las soluciones probadas en su conjunto.

No ayuda a la percepción de la sociedad de que el camino de los nuevos desarrollos en el espacio es largo y espinoso, y en las noticias aún más, y es de las noticias de ciencia popular que la gente común suele aprender sobre los logros de la industria espacial. En 2015, hubo varios mensajes de la forma "el satélite New Horizons, que llegó a Plutón, tiene el mismo procesador que la PlayStation de Sony", y este prefijo ya tenía veinte años en el momento del lanzamiento de las noticias. Excelente y muy competente presentación del material, no dirás nada. New Horizons se lanzó en 2006, y el desarrollo del proyecto comenzó en 2000, el año del primer vuelo del procesador Mongoose-V, es decir, era el procesador más nuevo disponible con experiencia en órbita. El desarrollo de este procesador finalizó en 1998 y comenzó en 1994, exactamente al mismo tiempo que el lanzamiento de PlayStation. Aquí hay otro ejemplo: los procesadores de arquitectura Power750 se lanzaron para aplicaciones civiles en 1997, y en 1998 el iMac debutó con dicho procesador. En 2001, se completó el desarrollo de un análogo resistente a rad, el RAD750. Este procesador llegó al cosmos por primera vez en 2005, y solo en 2012 después del aterrizaje suave del rover Curiosity en Marte. Por supuesto, también hubo algunos titulares amarillos sobre el procesador hace quince años, pero el desarrollo del proyecto Curiosity comenzó en 2003, es decir, incluso antes del primer vuelo del procesador RAD750.

Filo

A pesar de todo lo anterior, en este momento el nivel de estándares de diseño en el que se está desarrollando el desarrollo de plataformas informáticas para el espacio es de 65-45-22 nm. El chipset estadounidense RAD5500 ya se ha puesto en producción en serie a 45 nm, el procesador europeo DAHLIA se lanzará a 28 nm el próximo año, y la plataforma de desarrollo ASIC diseñada para uso a largo plazo se está creando activamente a 65 nm en el IMEC belga. Los desarrolladores rusos tampoco se quedan atrás: la hoja de ruta NIISI RAS del próximo año muestra la salida de un procesador resistente a radiantes de 65 nm, y las publicaciones sobre este tema hablan de crear una plataforma de desarrollo, es decir, estos estándares de diseño tienen un gran futuro no solo en Europa sino también en Rusia .

E incluso en este nivel de estándares de diseño, el desarrollo de la electrónica resistente a la lluvia no se detiene: si observa los últimos números de IEEE Transactions on Nuclear Science, puede encontrar suficiente trabajo en el estudio de transistores con estándares de diseño de 20-16-14 nm, preparando el terreno para las nuevas generaciones de microprocesadores espaciales. Con estos estándares de diseño, los desarrolladores esperan muchas cosas nuevas e interesantes: en primer lugar, no se pueden hacer transistores en anillo, en segundo lugar, FinFET tiene una geometría y aislamiento de canal completamente diferente, en tercer lugar, hay tecnologías FDSOI, que también tienen suficiente especificidad.

Una disminución en los estándares de diseño, por supuesto, afecta la resistencia a la radiación de los microcircuitos fabricados en ellos, pero no necesariamente para peor. La tendencia general es que con una disminución en los estándares de diseño, el efecto de la dosis completa disminuye y los efectos únicos aumentan. El cambio de voltaje umbral en los estándares de diseño de 180 nm o menos se mide en unidades o decenas de milivoltios, incluso para grandes dosis: el óxido de la puerta es tan delgado que la carga que se acumula en el túnel se canaliza hacia el canal en lugar de acumularse. La capa de transición en las tecnologías con aislamiento STI es lo suficientemente compacta, lo que en muchos casos permite una baja fuga a una dosis total de varias decenas o incluso cientos de cunas (Si). Y si aplicamos transistores de anillo y anillos de protección en tecnología volumétrica profundamente submicrométrica, eliminaremos inmediatamente todos los problemas de dosis.



Figura 8. Ejemplos de elementos resistentes a la radiación Y desarrollados por Milander utilizando la tecnología SOI BCD.

La Figura 8 muestra dos opciones para implementar el mismo elemento lógico AND para diferentes condiciones. A la izquierda vemos el relleno completo: transistores de anillo en anillos de protección individuales. A la derecha está la opción más simple, para una dosis total baja: transistores lineales, en lugar de anillos de protección, solo buenos contactos en el suelo. Y en ambos casos, el aislamiento dieléctrico de los transistores de canal n del canal p para proteger el chip del efecto tiristor. En tecnología volumétrica, los anillos protectores realizan esta función. Cabe señalar que para muchas aplicaciones espaciales, la resistencia a la dosis completa al nivel de 50-100 crad (Si) es suficiente, y los transistores lineales lo hacen muy bien, sin requerir un deterioro significativo de los parámetros funcionales del circuito para lograr la estabilidad.

Con fallas individuales, la situación es la siguiente: el diámetro aproximado de la región desde la cual se recolecta la carga cuando ingresa una sola partícula es del orden de una micra, es decir, más del tamaño de una celda de memoria hecha de acuerdo con estándares de diseño profundamente submicrónicos. De hecho, las llamadas fallas múltiples se descubren experimentalmente, cuando una partícula provoca el cambio de varios bits a la vez. Además, con una disminución en los estándares de diseño, la energía requerida para cambiar el bit de memoria también disminuye, es decir, más golpes resultan en fallas que para los chips hechos de acuerdo con estándares de diseño más generales. Incluyendo la entrada de partículas alfa de impurezas radiactivas en materiales estructurales.



Figura 9. Comparación de la cantidad de fallas de un solo impacto de partículas para dos variantes diferentes de SRAM 6T en la tecnología con estándares de diseño de 65 nm. Fuente: A. Balbekov et al., "Cuestiones de aplicabilidad VLSI para la tecnología CMOS de 65 nm bajo la influencia de factores del espacio exterior".

La Figura 9 muestra los datos experimentales sobre fallas individuales en la tecnología volumétrica de 65 nm. A la izquierda está el 6T-SRAM habitual. ¡Diez fallas de un solo golpe! El código de Hamming no lo protegerá de esto. Entonces, si estamos hablando de microcircuitos comerciales, entonces, en los estándares de diseño aproximado con fallas individuales, todo será un poco mejor que en los delgados. Como mínimo, permanecerán solitarios y realmente se pueden corregir mediante codificación. Pero si el chip está especialmente creado para aplicaciones espaciales, entonces el arsenal del desarrollador tiene una gran cantidad de soluciones arquitectónicas, de circuitos y topológicas que pueden proporcionar una alta durabilidad al mismo tiempo que un alto rendimiento. En el lado derecho de la figura también hay 6T-SRAM, con exactamente el mismo circuito eléctrico, pero con una topología diferente. El precio de las mejoras que eliminan múltiples fallas, el efecto tiristor y aumentan la resistencia a la dosis completa es un aumento de cuatro veces en el área. No suena muy bien, pero nadie dijo que sería fácil. Sin embargo, el refuerzo de radiación por diseño funciona y le permite lograr indicadores de resistencia predeterminados con estándares de diseño pequeños en cualquier tecnología volumétrica.

¿Por qué preestablecido? Debido a que el logro de diferentes niveles de resistencia requiere el uso de diferentes métodos para aumentarlo, y para cada tecnología y tarea técnica, el conjunto de métodos requerido es diferente. Entonces, ¿por qué no aplicarlo todo de una vez para que se sienta bien? Porque el logro de la resistencia a la radiación siempre ocurre debido al deterioro de los parámetros funcionales (consumo de energía, área de cristal, velocidad, etc.), y son la primera prioridad. Es por eso que necesitamos requisitos claros para las especificaciones técnicas, tanto en funcionalidad como en durabilidad. Es cierto que los microcircuitos no se hacen con tanta frecuencia para resolver un solo problema, especialmente radicalmente estable, en el que la circulación para cada una de las aplicaciones disponibles puede ser de varias docenas de piezas. Sin embargo, una buena comprensión de los requisitos permite, por ejemplo, no usar transistores de anillo, lo que aumenta considerablemente el área y el consumo actual, y al final para obtener productos más competitivos.

El ojo del lector atento probablemente esté atrapado en la palabra "volumétrico" en la frase "indicadores predefinidos de resistencia con estándares de diseño pequeños para cualquier tecnología volumétrica". ¿No es superfluo allí? Todo el mundo sabe que los microcircuitos resistentes a la radiación deben fabricarse utilizando la tecnología "silicio sobre aislante" o "silicio sobre zafiro".

Silicio sobre el aislante

La tecnología "silicio en el aislante" ha estado firmemente arraigada en la gloria de la resistencia a la radiación. Las raíces de este concepto erróneo popular se remontan a la antigüedad, cuando el precursor del SOI, silicio sobre zafiro, se utilizó activamente para el desarrollo militar. Por qué Los transistores en esta tecnología están separados eléctricamente entre sí y, lo que es más importante, del sustrato. Esto significa que el área de recolección de carga inducida por la radiación tras la exposición a corto plazo del chip a la radiación con una alta tasa de dosis será pequeña. Esto, a su vez, reduce significativamente el tiempo de pérdida de capacidad de trabajo, lo que necesita para trabajar en una guerra atómica. Y, de hecho, no existe otro método para reducir el tiempo de pérdida de capacidad de trabajo, excepto el aislamiento dieléctrico completo.

La segunda parte importante del mito "SOI = resistencia a la alegría" es la resistencia al efecto tiristor, incluso cuando se expone a una alta tasa de dosis. El efecto tiristor o "pestillo" es casi el principal dolor de cabeza para los desarrolladores de microchips y dispositivos para el espacio, y no es sorprendente que la tecnología que le permite deshacerse de él haya ganado fama como resistente a la radiación. Pero en realidad la situación es nuevamente algo más complicada.



Figura 10. Sección transversal de una tecnología CMOS a granel con un tiristor parásito.

La causa del efecto tiristor es la estructura tiristor parásita presente dentro de los elementos de la tecnología CMOS de volumen. Si las resistencias Rs y Rw son lo suficientemente grandes, entonces esta estructura de tiristores, cuando entra una partícula cargada, puede abrir y cortocircuitar la tierra del chip con potencia, lo cual, como usted sabe, no es bueno. ¿Qué tan grandes son estas resistencias en microchips reales? La respuesta a esta pregunta es bastante simple: el contacto con el sustrato o el bolsillo es un área adicional, por lo que intentan minimizar su número. Y esto, a su vez, significa que, por defecto, el efecto tiristor en el chip "ordinario" será más probable que no. Es cierto que el efecto tiristor puede ocurrir no solo por la radiación, sino también cuando se expone, por ejemplo, a una descarga electrostática o incluso simplemente a una temperatura elevada y alta densidad de corriente con una topología fallida. En aplicaciones "ordinarias", los fabricantes de energía y electrónica automotriz se enfrentan a un efecto tiristor.

En una parte importante de los sistemas espaciales, un reinicio es bastante aceptable en caso de circunstancias imprevistas, es decir, puede intentar usar un chip que sea propenso a "engancharse" colocando un circuito de control de energía en la fuente de alimentación y reinicio de energía si se excede la norma. Esto, de hecho, se realiza regularmente en situaciones en las que es muy necesario usar un microcircuito comercial de alto rendimiento, y los chips de protección contra el efecto tiristor (limitador de corriente de retención) son un producto resistente a la radiación bastante popular. Pero tal solución tiene muchas limitaciones. Puede restablecer el poder no en todas partes y no siempre, un reinicio en el proceso de realizar una maniobra importante puede poner fin a una larga misión. El consumo actual de un microcircuito moderno puede variar muchas veces dependiendo del modo de operación, es decir, el consumo en el modo “no pasa nada y hay un pestillo” puede ser menor que en el caso de operación regular en otro modo. ¿A qué nivel debe establecerse el límite actual? Tampoco está claro. El tiempo que lleva apagar la alimentación y evitar la destrucción del chip depende de muchos factores, incluido el chip específico. - , , - - .

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11. - -. — J. Schwank et.al., «Radiation effects in MOS oxides», IEEE TNS, Vol. 55, No. 4, 2008

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Conclusión

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