Beliebte Missverständnisse über die Strahlungsbeständigkeit von Mikroschaltungen

In etwa jedem zweiten Thema auf Habré, das sich mit Astronautik oder Elektronik befasst, taucht das Thema Strahlenresistenz auf. Das Thema der Importsubstitution einer strahlungsresistenten Elementbasis zieht sich durch die Nachrichten über die Erforschung des heimischen Weltraums, aber gleichzeitig verwendet Elon Musk billige konventionelle Chips und ist stolz darauf. Und die Israelis in Bereshit verwendeten einen Strahlungsprozessor und sind auch stolz darauf. Und im Prinzip lebt die mikroelektronische Industrie in Russland weitgehend von einer staatlichen Ordnung mit den entsprechenden Anforderungen. Die Beobachtung regelmäßiger Streitigkeiten über den richtigen Bau von Satelliten zeigt, dass die Ausbildung der Teilnehmer normalerweise gering ist und ihre Argumentation mit Stereotypen, versehentlich gehörten Fakten und Wissen belastet ist, die vor vielen Jahren veraltet waren. Ich dachte, dass das Lesen nicht mehr möglich ist, liebe Analysten, machen Sie es sich auf Ihren Sofas bequem, und ich werde eine kurze (wirklich große) Geschichte über die beliebtesten Missverständnisse über die Strahlungsbeständigkeit integrierter Schaltkreise beginnen.


Abbildung 1. Ein unverzichtbares schönes Bild über kosmische Strahlung und die fragile Erde.

Die beliebtesten Thesen zur Strahlenbeständigkeit bei raumnahen Streitigkeiten sehen ungefähr so ​​aus:

1. Strahlungsspäne werden nicht benötigt. Kubsats fliegen perfekt auf gewöhnlichen, auf der ISS gibt es gewöhnliche Lenovo-Laptops, in Dragon gibt es gewöhnliche Mikroschaltungen, und sogar die NASA in Orion lieferte gewöhnliche Mikroschaltungen!
2. Es ist durchaus möglich, sehr alte Mikroschaltungen auf die Satelliten zu setzen, bis hin zum "losen Streusel". Dort ist keine ernsthafte Leistung erforderlich. Aber ohne Freude nirgendwo und deshalb auf Müll fliegen.
3. Die These, die die vorherige ergänzt: Radikal stabile Mikroschaltungen können im Prinzip nicht bei niedrigen Konstruktionsstandards durchgeführt werden, daher ist die Verwendung bewährter Komponenten nicht nur gerechtfertigt, sondern auch notwendig.
4. Damit die Mikroschaltung strahlungsbeständig ist, muss sie mit der Technologie „Silizium auf einem Isolator“ oder „Silizium auf Saphir“ hergestellt werden.
5. Alle "militärischen" Mikroschaltungen sind funkbeständig, und alle funkbeständigen Mikroschaltungen sind "militärisch".

Wie Sie sehen, widersprechen sich einige dieser Thesen direkt - was regelmäßig Gegenstand von Kontroversen oder der Grund für weitreichende falsche Schlussfolgerungen ist.

Sie müssen das Gespräch mit einem wichtigen Haftungsausschluss beginnen: Die Strahlenbeständigkeit ist nicht das Zentrum der Welt und die einzige Qualität, die für den Einsatz im Weltraum oder in anderen aggressiven Umgebungen geeignet sein sollte. Die Strahlungsbeständigkeit ist nur eine Anforderung aus einer langen Reihe, die Zuverlässigkeit, erweiterten Temperaturbereich, Beständigkeit gegen elektrostatische Entladung, Vibrationsbeständigkeit und die zuverlässige Bestätigung aller oben genannten Parameter umfasst, dh eine lange und teure Zertifizierung. Es ist wichtig, dass alles, was es dem Chip möglicherweise nicht ermöglicht, die gesamte erforderliche Lebensdauer zu erreichen, und die meisten Anwendungen strahlungsbeständiger Chips die Unmöglichkeit einer Reparatur oder eines Austauschs implizieren. Wenn andererseits etwas mit einem der Parameter nicht stimmt, kann der Entwickler des Endprodukts häufig einen Weg finden, um die Einschränkung zu umgehen: Platzieren Sie den Chip, der am empfindlichsten für die Strahlungsdosis ist, hinter einer dicken Wand, überwachen Sie den Stromverbrauch des Chips, der für den Thyristoreffekt anfällig ist, und setzen Sie gegebenenfalls seine Leistung zurück oder Thermostat eines Chips mit einem engen Temperaturbereich. Oder es wird möglicherweise nicht gefunden, und die einzige Möglichkeit, die Aufgabe zu lösen, besteht darin, einen neuen ASIC-Radar zu bestellen, der resistent ist.

Es ist auch nützlich, sich daran zu erinnern, dass Entwickler von Spezialsystemen dieselben Personen sind wie alle anderen Entwickler. Viele von ihnen schreiben auch gerne Code für krustengefüllte Krücken bis zum gestrigen Termin und verwenden leistungsfähigere Hardware, damit es definitiv funktioniert. Einige hätten Arduino verwendet, wenn es ordnungsgemäß zertifiziert worden wäre. Und natürlich scheuen Menschen, die Aufgaben für Entwickler von Spezialsystemen und Entwickler von Mikroschaltungen für sie festlegen, die Anforderungen an Zuverlässigkeit, Leistung und Freude nur selten. Daher werden immer noch moderne Designstandards für Satelliten benötigt - ich möchte große Mengen an DRAM, Multi-Core-Prozessoren und den neuesten FPGAs. Ich habe oben bereits erwähnt, dass die Folgen einer schlechten Strahlungsbeständigkeit und anderer potenzieller Probleme zumindest teilweise umgangen werden können, so dass der Mangel an Daten darüber, was genau umgangen werden muss als der kommerzielle Status der Chips, weitgehend daran gehindert wird, all diese Pracht der Entwickler zu nutzen.

Strahlungseffekte

Die Konzepte „Strahlungsbeständigkeit“ und „strahlungsbeständige Mikroschaltung“ sind große Vereinfachungen. Tatsächlich gibt es viele verschiedene Quellen ionisierender Strahlung, die die Funktion elektronischer Geräte auf unterschiedliche Weise beeinflussen können. Dementsprechend ist für verschiedene Anwendungen eine Beständigkeit gegen verschiedene Sätze von Einflussfaktoren und unterschiedliche Expositionsniveaus erforderlich, so dass ein „stabiler“ Mikrokreislauf, der für den Betrieb in einer erdnahen Umlaufbahn ausgelegt ist, bei der Analyse von Blockaden in Tschernobyl absolut nicht normal funktionieren muss.

Ionisierende Strahlung wird als ionisierend bezeichnet, da die Freisetzung von Energie im Volumen eines Stoffes beim Bremsen ankommender Partikel den Stoff ionisiert. Jedes Material hat seine eigene Energie, die für die Ionisierung und die Bildung eines Elektron-Loch-Paares erforderlich ist. Für Silizium sind dies 3,6 eV, für sein Oxid - 17 eV, für Galliumarsenid - 4,8 eV. Außerdem kann ein ankommendes Teilchen ein Atom nicht ionisieren, sondern es von der richtigen Stelle im Kristallgitter „bewegen“ (in Silizium müssen 21 eV auf das Atom übertragen werden). Die in einer Substanz erzeugten Elektron-Loch-Paare können unterschiedliche Auswirkungen auf die elektrischen und physikalischen Eigenschaften sowie auf das Verhalten des Stromkreises haben. Strahlungseffekte können in vier große Gruppen unterteilt werden: Effekte der gesamten absorbierten Dosis, Effekte der Dosisleistung, Effekte, die durch das Eindringen einzelner Partikel verursacht werden, und Effekte der Verdrängung. Diese Trennung ist etwas willkürlich: Beispielsweise führt die Bestrahlung mit einem Strom schwerer Ionen, die einzelne Effekte verursachen, auch zu einem Satz der absorbierten Gesamtdosis.

Dosiseffekte

Die gesamte absorbierte Strahlungsdosis wird in rad gemessen und gibt die Substanz an, die Strahlung absorbiert. 1 rad = 0,01 J / kg, dh die Energiemenge, die in einer Masseeinheit einer Substanz freigesetzt wird. Weniger häufig wird eine Maßeinheit für Grau verwendet, die 100 rad (oder 1 J / kg) entspricht. Es ist wichtig zu verstehen, dass die absorbierte Dosis in verschiedenen Substanzen für die gleiche Anzahl ionisierender Partikel variiert, die von der Strahlungsquelle freigesetzt werden (dies ist die Expositionsdosis). Im Fall von Silizium-Mikroschaltungen ist das gewünschte Material Siliziumoxid, da die Wirkung auf dieses und nicht auf Silizium hauptsächlich die elektrischen Eigenschaften der Schaltung beeinflusst, da die Beweglichkeit von Löchern in SiO 2 bei normaler Temperatur so gering ist, dass sie sich im Oxid ansammeln und entstehen eingebaute positive Ladung. Typische Dosiswiderstandsniveaus von handelsüblichen Mikroschaltungen liegen im Bereich von 5 bis 100 crad (Si), die von Kunden geforderten Strahlungswiderstandsniveaus beginnen bei 30 crad (Si) und enden je nach Zweck der Mikroschaltung irgendwo bei etwa 1 Grad (Si). Die tödliche Dosis für den Menschen beträgt etwa 6 grau.



Abbildung 2. Beispiele für Berechnungen des Satzes der gesamten absorbierten Dosis über 10 Jahre in verschiedenen Kreisbahnen zum Schutz von 1 g / cm 2. Quelle - N.V. Kusnezow, „Strahlengefahr in erdnahen Umlaufbahnen und interplanetaren Flugbahnen von Raumfahrzeugen“.

Die Wirkungen der vollen Dosis sind mit der Akkumulation dieser positiven Ladung in Dielektrika verbunden und manifestieren sich in CMOS-Schemata auf verschiedene Arten:

1. Die Verschiebung der Schwellenspannung von Transistoren ergibt sich aus der Akkumulation einer positiven Ladung im Gate-Dielektrikum und der Änderung des elektrischen Feldes im Transistorkanal. Für n-Kanal-Transistoren nimmt der Schwellenwert normalerweise ab (aber die Abhängigkeit kann nicht monoton sein), und für p-Kanal-Transistoren nimmt sie zu, und der Verschiebungswert korreliert mit der Dicke des Gateoxids, d. H. Mit den Entwurfsstandards. Die Schwellenwerte von Transistoren in Schaltkreisen mit groben Konstruktionsstandards können sich ändern, um einen Funktionsfehler zu verursachen (n-Kanal-Transistoren schließen nicht mehr, p-Kanal-Transistoren öffnen); In Submikron-Technologien ist dieser Effekt weniger wichtig, in analogen Schaltkreisen kann er jedoch viel Kopfschmerzen verursachen.
2. Es tritt ein unkontrollierter Leckstrom auf. Es kann von der Source des Transistors zu seinem eigenen Drain oder zu einem benachbarten Transistor fließen. Die Ursache für Undichtigkeiten ist die Ansammlung einer positiven Ladung, jedoch nicht im Gate-Isolator, sondern im dicken Isoliermaterial. Tatsächlich ist ein parasitärer Transistor parallel zum Haupttransistor ausgebildet, dessen Gate-Spannung durch eine Strahlungsdosis gesteuert wird. Die Manifestation dieses Effekts wird durch die Merkmale der Geometrie des Übergangs von einem Gate-Isolator zu einem isolierenden bestimmt, dh hängt in viel größerem Maße von einer bestimmten Technologie ab als von Konstruktionsstandards.
3. Eine Abnahme der Mobilität von Ladungsträgern aufgrund der Anhäufung von Defekten, auf denen Ladungsträger gestreut sind. Die Auswirkung dieses Faktors auf digitale Submikronschaltungen auf Silizium ist gering, aber für Leistungstransistoren, einschließlich komplexer Halbleiter (Galliumnitrid und Siliziumkarbid), wichtiger.
4. 1 / f Rauschanstieg durch Störkantentransistoren. Dies ist wichtig für Analog- und Hochfrequenzschaltungen. Der Wert dieses Effekts nimmt mit abnehmenden Designstandards zu, wenn der Effekt der verbleibenden Dosiseffekte abnimmt.

In bipolaren Schemata ist der Hauptdosiseffekt ein Abfall der Verstärkung, der durch einen Anstieg des Basisstroms aufgrund eines Lecks vom Emitter zur Basis an der Grenzfläche von Silizium und passivierendem Oxid verursacht wird. Ein weiterer dosisabhängiger Effekt für Bipolartransistoren besteht darin, dass sie (nicht unbedingt) nicht nur auf die Höhe der akkumulierten Dosis, sondern auch auf die Geschwindigkeit ihrer Sammlung reagieren können - je langsamer die Dosis akkumuliert wird, desto schlechter ist der Widerstand. Dieser Effekt wird als ELDRS (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity) bezeichnet und erschwert und erhöht die Testkosten erheblich, häufig nicht nur bipolare, sondern auch CMOS-Schaltungen - weil sie manchmal auch bipolare Transistoren haben und es einfacher ist, alle zum einheitlichen Testen zu bewegen als Finden Sie heraus, wo ELDRS sein kann und wo nicht.

Dosisleistung

Ein weiterer Teil der mit der Dosisleistung verbundenen Effekte ist eine ultraschnelle Dosis, bei der so viele Elektron-Loch-Paare im Mikrokreislauf erzeugt werden, dass sie keine Zeit zur Rekombination haben, und eine große elektrische Ladung in den Chip eingeführt wird, die sich währenddessen über den Boden und die Stromleitungen auflöst signifikante Zeit - für die die Schaltung nicht mehr funktioniert. Diese Zeit wird als "Arbeitszeitverlust" bezeichnet und ist das Hauptmerkmal des Widerstands einer Mikroschaltung oder eines Geräts gegen solche Effekte. Darüber hinaus verändert eine große Menge der in die Mikroschaltung eingebrachten Ladung die Potentiale der mit der Erde und der Stromversorgung verbundenen Bereiche erheblich - was zum Auftreten eines Thyristoreffekts führen kann.

Es sind die Auswirkungen einer hohen Dosisleistung - aus Gründen der Beständigkeit, gegen die ursprünglich die Technologie "Silizium auf Saphir" und "Silizium auf einem Isolator" entwickelt wurde, besteht die einzige Möglichkeit, die in die Schaltung eingebrachte Ladung zu verringern, darin, den aktiven Bereich der Mikroschaltung vom Volumen des Substrats zu trennen, nicht Geben der Ladung vom Substrat, um an dem Prozess teilzunehmen. Warum sind diese Effekte wichtig? Eine hohe Dosisleistung über kurze Zeit ist eine typische Folge einer nuklearen Explosion.

Einzeleffekte

Einzelne Effekte sind nicht mit einer längeren Strahlenexposition verbunden, sondern mit einem messbaren Effekt eines einzelnen ionisierenden Partikels. Sie können in zwei große Gruppen unterteilt werden:

1. Zerstörungsfrei. Dazu gehören Fehler in verschiedenen Arten von Speicherelementen (Cache-Speicher, Registerdateien, FPGA-Konfigurationsspeicher usw.), Transienten in der kombinatorischen Logik und in analogen Schaltungen. Das Hauptmerkmal dieser Art von Effekten - sie führen nicht zu einer physischen Zerstörung des Chips und können feste Software oder Hardware sein. Darüber hinaus werden Transienten nach einiger Zeit von selbst korrigiert (die Frage ist, wie groß sie sind). Ausfälle in Speicherarrays sind von praktischem Hauptinteresse, einfach weil sie aufgrund der großen Speichermenge in modernen mikroelektronischen Systemen den Löwenanteil aller Ausfälle ausmachen.
2. Zerstörerisch. Dazu gehören der Thyristoreffekt und verschiedene, aber glücklicherweise seltene Effekte wie das Durchstechen des Gates oder das Ausbrennen des Transistors durch Lawinen. Ihr Unterscheidungsmerkmal ist, dass sie das Chipelement irreversibel zerstören. Im Falle des Thyristoreffekts kann der Chip normalerweise (aber nicht immer!) Gespart werden, wenn die Stromversorgung schnell zurückgesetzt wird. Zerstörerische Effekte stellen eine ernsthafte Gefahr für einige Arten von Flash-Speichern und für Geräte mit hohen Spannungen und Stromdichten dar, von denen die wichtigsten Leistungsschalter sind.

Die spezifische Energieausbeute eines ionisierenden Partikels wird als "linearer Energietransfer" (LET) bezeichnet und in MeV gemessen, übertragen pro Längeneinheit der Partikelspanne im Material, pro Dichteeinheit des Materials, dh in (MeV * cm ^ 3) / (mg * cm) oder (MeV * cm 2) / mg. Der LET ist nichtlinear und nichtmonoton von der Teilchenenergie abhängig und mit dem mittleren freien Pfad verbunden, der für Teilchen und Materialien, die für die Mikroelektronik relevant sind, zwischen Hunderten von Nanometern und Hunderten von Millimetern liegen kann.

Die Anzahl der im Weltraum gefundenen Partikel nimmt mit dem Wachstum von LET ab (siehe Abbildung 4). Wichtige Werte sind 30 (entspricht Eisenionen) und 60 oder 80 (danach wird die Wahrscheinlichkeit des Ereignisses als vernachlässigbar angesehen). Darüber hinaus ist eine wichtige Zahl 15 MeV * cm ^ 2 / (mg) - dies ist der maximale LET, den die Produkte einer Kernreaktion haben können, wenn ein Proton oder Neutron in Silizium eintritt. Protonen sind eine der Hauptarten der Sonnenstrahlung, und obwohl ihr eigener LET klein ist (Zehntel einer Einheit), haben sie aufgrund von Kernreaktionen und Sekundärionisation einen signifikanten Effekt. Die Sekundärionisation kann direkt im aktiven Bereich auftreten oder das Ergebnis eines Protons, das in ein Atom eines Materials mit einer großen Ordnungszahl eintritt - beispielsweise Wolfram oder Tantal. Schwere Elemente werden in der modernen mikroelektronischen Technologie aktiv eingesetzt, um beispielsweise Kontakte von Silizium zur ersten Metallisierungsschicht herzustellen. Die Sekundärionisation ist auch der Grund, warum es nicht erforderlich ist, Chips in Bleikästen zu verpacken, um die Strahlungsbeständigkeit zu erhöhen.



Figure 3. Die Abhängigkeit von LET von Energie für verschiedene Partikeltypen.

Unabhängig davon lohnt es sich, auf Heliumkerne (Alpha-Partikel) zu achten - nicht nur, weil viele davon in der Zusammensetzung der Sonnenstrahlung enthalten sind, sondern auch, weil im normalen Leben ziemlich viele Quellen für Alpha-Strahlung zu finden sind.



Figure 4. Vergleich der Anzahl von Partikeln verschiedener Typen während einer zweijährigen Mission in der Umlaufbahn nach Xapsos et al., „Modell für kumulative solare Schwerionenenergie und lineare Energietransferspektren“, IEEE TNS, Vol. 4, No. 5, Nr. 6., 2007

1, 30 oder 60 MeV * cm ^ 2 / (mg) - wie viel ist das? Die Ausfallschwelle einer Standardspeicherzelle in der 7-nm-Technologie ist bei 180 nm viel niedriger als eins - im Bereich von eins bis zehn. Durch die Verwendung spezieller Schaltkreise können Sie den Schwellenwert beispielsweise auf Hunderte erhöhen. In der Regel ist es jedoch sinnvoller, eine Zahl von 15 oder 30 Einheiten zu erreichen und die Überreste seltener Ereignisse mithilfe einer rauschresistenten Codierung herauszufiltern. 60 Einheiten ist eine Zahl, die normalerweise in den Anforderungen an die Beständigkeit gegen zerstörerische Wirkungen angegeben ist.

Verschiebungseffekte

Verschiebungseffekte sind die lokale Zerstörung des Kristallgitters, dh das "Ausschalten" eines Atoms von seinem beabsichtigten Ort. Die Energie, die benötigt wird, um das Kristallgitter zu beschädigen, ist normalerweise ziemlich groß, so dass die meisten vorbeiziehenden Partikel diesen Effekt nicht verursachen. Die Ursache kann jedoch eine Kernreaktion infolge des Treffens eines Protons oder Neutrons sein, von denen sich viele im Orbit befinden. Solche lokalen Gitterdefekte führen zu einer Abnahme der Mobilität von Ladungsträgern, einer Zunahme des Rauschens und einigen anderen Effekten. Sie wirken sich auf herkömmliche CMOS-Chips weniger als auf „normale“ Dosiseffekte aus, dominieren jedoch in Solarmodulen, Fotodetektoren, Leistungstransistoren sowie in komplexen Halbleitern, die kein Oxid aufweisen, z. B. Galliumarsenid und Galliumnitrid. Dies erklärt ihre hohe Dosisbeständigkeit - sie haben einfach keine Auswirkungen, die einen schnellen Abbau von Siliziumchips verursachen, und was da ist, ist schwächer und später. Die Menge an Strahlung, die Vorspannungseffekte verursacht, wird in Partikeln (normalerweise Protonen oder Neutronen) pro Quadratzentimeter Chipfläche gemessen.

Lassen Sie uns nun anhand einer Beschreibung der Einflussfaktoren der Strahlung sehen, wo und in welchen Kombinationen sie Mikrokreise bedrohen.

Was? Wo? Wann?

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für die Berechnung der vollen Dosis in verschiedenen Umlaufbahnen. Als nächstes müssen wir viele Annahmen diskutieren - Sonnenaktivität, Form, Material und Dicke des Schutzes usw. Aber im Allgemeinen ist der Trend klar, obwohl das Bild ein typisches kugelförmiges Pferd im Vakuum ist: In verschiedenen Bahnen kann die Geschwindigkeit der vollen Dosis um variieren fünf Größenordnungen. , , , . , . , — , , , , , the last but not least, .



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1017.2 Neutron irradiation
1019.8 Ionizing radiation (total dose) test procedure
1020.1 Dose rate induced latchup test procedure
1021.3 Dose rate upset testing of digital microcircuits
1023.3 Dose rate response of linear microcircuits

. ? . / , , . , «military» ? Ja das stimmt.Ein Beispiel ist das Schicksal des berüchtigten „Phobos-Bodens“, dessen Tod laut offizieller Version (sehr schwer zu beweisen, aber sehr praktisch) durch den Treffer eines schwer geladenen Teilchens im Speicherchip der amerikanischen Militärklasse verursacht wurde, das nicht gegen einzelne Ausfälle resistent war .

Friedensatom und andere

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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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Auf der Website einer mikroelektronischen Fabrik wurde lange Zeit festgestellt, dass bei Entwurfsstandards unter 600 nm keine Strahlungsbeständigkeit erreicht werden kann, da sonst "geladene Teilchen Silizium durchdringen". Durch überraschenden Zufall waren die Mindestkonstruktionsstandards, die dieser Fabrik zur Verfügung standen, nur 600 nm. Und ein leitender Angestellter einer anderen Fabrik berichtete in einem Interview, dass die Herstellung von Mikrochips für den Weltraum bei Designstandards unter 90 nm "technologisch unmöglich" sei. Und wieder fiel es so zusammen, dass es technologisch unmöglich ist, in dieser speziellen Fabrik etwas mit Raten unter 90 nm zu tun. Die Marketinggründe für diese Situationen und die unmittelbaren Vorteile daraus sind verständlich, aber auf lange Sicht scheinen mir solche Sätze, die an ein breites Publikum gerichtet sind, mehr Schaden als Nutzen zuzufügen.

Außerdem gibt es regelmäßig Diskussionen, die nicht an eine Vermarktung gebunden sind, bei der Mikrochips, die gemäß Designstandards hergestellt wurden, gröber als eine bestimmte Grenze sind, immun gegen zerstörerische Einzelfehler (insbesondere gegen den Thyristoreffekt) sind, was bedeutet, dass der langjährige Einsatz langjähriger Technologien nicht nur gerechtfertigt ist, sondern auch und notwendig.
Oder umgekehrt, Sätze, die besagen, dass Mikroschaltungen mit Konstruktionsstandards unter 250 nm gegen den Thyristoreffekt immun sind, weil sie so niedrige Betriebsspannungen haben, dass der Thyristor einfach nicht öffnen kann. Oder es gibt Meinungen, dass das Problem tatsächlich nicht in den Entwurfsstandards liegt, sondern in der Tatsache, dass die CMOS-Technologie grundsätzlich strahlenempfindlich ist (was durch Tests bestätigt wird, die der Antragsteller in den siebziger Jahren durchgeführt hat), und dass die alten strahlungsresistenten Chips bipolar / KNS / GaAs sind. Und da die CMOS-Technologie grundsätzlich schlecht ist, aber alle modernen Chips darauf hergestellt werden, bedeutet dies, dass moderne Chips per Definition nicht stabil sind, und der einzig sichere Weg für die Astronautik besteht darin, Geld zu investieren, um an das lange verlassene Galliumarsenid zu erinnern (gleichzeitig auf dem kommerziellen Markt von Intel) win) oder kehren Sie zur bewährten diskreten Logik zurück. Und noch besser - zu den Lampen.

Strahlend - alt und rückständig?

Fairerweise sollte beachtet werden, dass in Schaltungen, die nach Konstruktionsstandards von einigen Mikrometern oder mehr ausgeführt werden, normalerweise kein Thyristoreffekt und keine einzelnen Fehler auftreten. "Normalerweise" bedeutet jedoch in keiner Weise "immer", es gibt Beispiele für alte Schaltungen mit geringem Widerstand gegen Thyristoreffekt, und Konstruktionsstandards garantieren nichts. Eine hohe Beständigkeit gegen einzelne Ausfälle entsteht einfach deshalb, weil das Schalten von Elementen bei solchen Konstruktionsstandards viel Energie erfordert. Daher möchte ich denjenigen, die anbieten, die alten Chips weiterhin zu verwenden, um zu versuchen, den Intel Core-Prozessor nach der Logik der 74er-Serie zusammenzubauen und darüber nachzudenken, welche Art von Rakete das resultierende Monster in die Luft heben kann.

Andererseits lebt die Mikroelektronik nicht von einzelnen Prozessoren. Es gibt eine Vielzahl von Aufgaben, für die sehr kleine Designstandards nicht erforderlich oder nicht so obligatorisch sind, und Werte von 500 bis 90 nm sind völlig ausreichend. Der weltweite kommerzielle Markt für Mikroschaltungen auf Wafern mit einem Durchmesser von 200 mm (und dies sind Konstruktionsstandards von 90 nm und höher) wächst seit mehreren Jahren bis hin zum Mangel an Produktionsanlagen. Sowohl "lang entwickelte" als auch völlig neue Mikroschaltungen werden nach "veralteten" Designstandards hergestellt, und viele Fabriken sind bereit, die langfristige Zukunft technologischer Prozesse zu garantieren (aber nicht unbedingt ihre vollständige Invarianz). Daher bedeutet die „Rückständigkeit“ einer bestimmten Fabrik gegenüber der bedingten TSMC keineswegs die Unmöglichkeit eines kommerziellen Erfolgs im zivilen oder im speziellen Widerstandsbereich.

Die hohen Kosten für die Entwicklung, Herstellung und Zertifizierung strahlungsbeständiger Schaltkreise bereiten den Herstellern noch mehr Kopfzerbrechen als in der Automobil- oder Industrieelektronik. Kleine Auflagen (und oft, wenn nicht Hunderte, dann Tausende) erschweren oft die Kommerzialisierung dieser Art von Entwicklung, denn wenn Sie eine Million Dollar in tausend Chips aufteilen müssen (die Entwicklungskosten sind für 180-nm-Standards relativ einfache Chips), dann sind dies tausend Dollar pro ein Chip, aber eine Zertifizierung ist noch erforderlich, was leicht zu mehreren Millionen führen kann (insbesondere wenn Sie CMOS-Schaltungen auf ELDRS testen). Und wenn Sie eine Milliarde Dollar in einem kleinen Lauf zurückzahlen müssen? So viel Entwicklungskosten bei 5-7 nm. Die hohen Kosten für Entwicklung und Zertifizierung haben dazu geführt, dass weltweit die Entwicklung eines erheblichen Teils der regenresistenten Mikroschaltungen direkt oder indirekt von Staaten subventioniert wird. Dies reduziert die Anzahl neuer Projekte erheblich, ermutigt dazu, länger und erfinderischer zu verkaufen, was ist, und maximiert die Verwendung bewährter IP-Blöcke. Infolgedessen werden die beliebten regenresistenten Mikroschaltungen über viele Jahre hergestellt und verwendet, wodurch die Illusion entsteht, dass alle regenresistenten Mikroschaltungen alt sind. In den meisten Fällen sind die Kunden damit zufrieden, denn in einer Situation, in der Zuverlässigkeit in Bezug auf die Leistung immer noch im Vordergrund steht, ist die Wiederverwendung einer bereits bewährten Lösung oft das Beste, was Sie sich vorstellen können, und ein „Flugerbe“ ist ein enormer Wettbewerbsvorteil. Dies trägt auch dazu bei, die aktive Produktionsphase erfolgreicher Entwicklungen zu verlängern - auch wenn diese bereits veraltet sind und bereits ein Ersatz vorhanden ist. Darüber hinaus erfordert selbst die Installation eines Pin-zu-Pin-kompatiblen Analogons in den meisten Fällen mindestens eine Abstimmung der Konstruktionsdokumentation sowie ein Maximum an kostspieligen Tests. Und dies ist in einer Situation, in der keine Entwicklung erforderlich ist. Wie sieht es also aus, wenn Sie wirklich etwas wiederholen müssen, um den neuen Chip zu verwenden? In einer solchen Situation tendieren Hardwareentwickler natürlich dazu, die bewährten Lösungen als Ganzes wiederzuverwenden.

Es hilft der Gesellschaft nicht, zu erkennen, dass der Weg neuer Entwicklungen in den Weltraum lang und dornig ist - und noch länger in die Nachrichten, und aus populärwissenschaftlichen Nachrichten erfahren gewöhnliche Menschen normalerweise etwas über die Errungenschaften der Weltraumindustrie. Im Jahr 2015 gab es mehrere Nachrichten der Form „Der Satellit New Horizons, der Pluto erreichte, hat denselben Prozessor wie die Sony PlayStation“, und dieses Präfix war zum Zeitpunkt der Pressemitteilung bereits zwanzig Jahre alt. Hervorragende und sehr kompetente Präsentation des Materials, Sie werden nichts sagen. New Horizons wurde 2006 gestartet und die Projektentwicklung begann im Jahr 2000 - dem Jahr des Erstfluges des Mongoose-V-Prozessors, dh es war der neueste verfügbare Prozessor mit vorhandener Erfahrung im Orbit. Die Entwicklung dieses Prozessors endete 1998 und begann 1994 - genau zeitgleich mit der Veröffentlichung der PlayStation. Hier ein weiteres Beispiel: Power750-Architekturprozessoren wurden 1997 für zivile Anwendungen freigegeben, und 1998 debütierte der iMac mit einem solchen Prozessor. Im Jahr 2001 wurde die Entwicklung eines radresistenten Analogons, des RAD750, abgeschlossen. Dieser Prozessor kam 2005 zum ersten Mal in den Kosmos und erst 2012 nach der sanften Landung des Curiosity Rovers auf dem Mars. Natürlich gab es vor fünfzehn Jahren auch einige gelbe Schlagzeilen über den Prozessor, aber die Entwicklung des Curiosity-Projekts begann 2003, dh noch vor dem ersten Flug des RAD750-Prozessors.

Schneide

Trotz alledem liegt der Stand der Designstandards, auf denen die Entwicklung von Computerplattformen für den Weltraum im Gange ist, derzeit bei 65-45-22 nm. Der amerikanische RAD5500-Chipsatz wurde bereits bei 45 nm in Serie gebracht, der europäische DAHLIA-Prozessor soll nächstes Jahr bei 28 nm ausfallen, und die für den Langzeiteinsatz konzipierte ASIC-Entwicklungsplattform wird in der belgischen IMEC aktiv bei 65 nm erstellt. Russische Entwickler sind auch nicht weit dahinter - die NIISI RAS-Roadmap für das nächste Jahr zeigt eine 65-nm-Leistung eines strahlungsbeständigen Prozessors, und Veröffentlichungen zu diesem Thema sprechen von der Schaffung einer Entwicklungsplattform, dh diese Designstandards haben nicht nur in Europa, sondern auch in Russland eine große Zukunft .

Und selbst auf dieser Ebene von Designstandards hört die Entwicklung von regenresistenter Elektronik nicht auf - wenn Sie sich die neuesten Ausgaben von IEEE Transactions on Nuclear Science ansehen, finden Sie dort genügend Arbeiten zur Untersuchung von Transistoren mit Designstandards von 20-16-14 nm, um den Boden für neue Generationen von Weltraummikroprozessoren vorzubereiten. Bei diesen Designstandards erwarten Entwickler viele neue und interessante Dinge: Erstens können Ringtransistoren nicht hergestellt werden, zweitens hat FinFET eine völlig andere Kanalgeometrie und Isolation, drittens gibt es FDSOI-Technologien, die ebenfalls eine ausreichende Spezifität aufweisen.

Eine Abnahme der Konstruktionsstandards wirkt sich natürlich auf die Strahlungsbeständigkeit der darauf hergestellten Mikroschaltungen aus, jedoch nicht unbedingt zum Schlechten. Der allgemeine Trend geht dahin, dass mit einer Abnahme der Designstandards die Wirkung der vollen Dosis abnimmt und die einzelnen Effekte zunehmen. Die Schwellenspannungsverschiebung in Entwurfsstandards von 180 nm oder weniger wird selbst für große Dosen in Einheiten oder zehn Millivolt gemessen: Das Gateoxid ist so dünn, dass die darin akkumulierte Ladung in den Kanal tunnelt, anstatt sich zu akkumulieren. Die Übergangsschicht in Technologien mit STI-Isolierung ist kompakt genug, was in vielen Fällen eine geringe Leckage bei einer Gesamtdosis von mehreren zehn oder sogar Hunderten von Wiegen (Si) ermöglicht. Und wenn wir Ringtransistoren und Schutzringe in der Tief-Submikron-Volumentechnologie einsetzen, werden wir alle Dosisprobleme sofort beseitigen.



Abbildung 8. Beispiele für strahlungsbeständige Elemente UND entwickelt von Milander unter Verwendung der SOI BCD-Technologie.

Abbildung 8 zeigt zwei Optionen zum Implementieren desselben UND-Logikelements für unterschiedliche Bedingungen. Links sehen wir die vollen Füllringtransistoren in einzelnen Schutzringen. Rechts ist die einfachere Option für eine niedrige Gesamtdosis: Lineartransistoren anstelle von Schutzringen nur gute Kontakte im Boden. Und in beiden Fällen die dielektrische Isolation von n-Kanal-Transistoren vom p-Kanal, um den Chip vor dem Thyristoreffekt zu schützen. In der volumetrischen Technologie erfüllen Schutzringe diese Funktion. Es sollte beachtet werden, dass für viele Weltraumanwendungen der Widerstand gegen die volle Dosis bei einem Niveau von 50-100 crad (Si) völlig ausreichend ist, und Lineartransistoren tun dies sehr gut, ohne dass eine signifikante Verschlechterung der Funktionsparameter der Schaltung erforderlich ist, um Stabilität zu erreichen.

Bei einzelnen Fehlern ist die Situation wie folgt: Der ungefähre Durchmesser des Bereichs, aus dem die Ladung gesammelt wird, wenn ein einzelnes Teilchen eintritt, liegt in der Größenordnung von einem Mikrometer, dh mehr als der Größe einer Speicherzelle, die gemäß Entwurfsstandards von tief im Submikronbereich hergestellt wurde. In der Tat werden die sogenannten Mehrfachfehler experimentell entdeckt, wenn ein Teilchen das Umschalten mehrerer Bits gleichzeitig bewirkt. Darüber hinaus nimmt mit abnehmenden Entwurfsstandards auch die zum Schalten des Speicherbits erforderliche Energie ab, dh mehr Treffer führen zu Fehlern als bei Chips, die nach gröberen Entwurfsstandards hergestellt wurden. Einschließlich des Eindringens von Alpha-Partikeln aus radioaktiven Verunreinigungen in Strukturmaterialien.



Abbildung 9. Vergleich der Anzahl der Fehler eines einzelnen Partikeltreffers für zwei verschiedene 6T-SRAM-Varianten in der Technologie mit Designstandards von 65 nm. Quelle - A. Balbekov et al., "Fragen der VLSI-Anwendbarkeit für die 65-nm-CMOS-Technologie unter dem Einfluss von Weltraumfaktoren".

Abbildung 9 zeigt die experimentellen Daten zu einzelnen Fehlern in der 65-nm-Volumentechnologie. Links ist der übliche 6T-SRAM. Zehn Pannen von einem Treffer! Der Hamming-Code schützt Sie nicht davor. Wenn es sich also um kommerzielle Mikroschaltungen handelt, ist bei groben Designstandards mit einzelnen Fehlern alles etwas besser als bei dünnen. Zumindest bleiben sie einsam und können durch Codierung wirklich korrigiert werden. Wenn der Chip jedoch speziell für Weltraumanwendungen entwickelt wurde, verfügt das Entwicklerarsenal über eine Vielzahl von Architektur-, Schaltungs- und topologischen Lösungen, die eine hohe Haltbarkeit bei gleichzeitig hoher Leistung bieten können. Auf der rechten Seite der Abbildung befindet sich auch ein 6T-SRAM mit genau demselben Stromkreis, jedoch mit einer anderen Topologie. Der Preis für Verbesserungen, die mehrere Fehler beseitigen, den Thyristoreffekt und den Widerstand gegen die volle Dosis erhöhen, ist eine Vervierfachung der Fläche. Es klingt nicht sehr schön, aber niemand sagte, es wäre einfach. Trotzdem funktioniert Radiation Hardening by Design und ermöglicht es Ihnen, vorgegebene Widerstandsindikatoren bei kleinen Konstruktionsstandards für jede volumetrische Technologie zu erzielen.

Warum voreingestellt? Da das Erreichen unterschiedlicher Widerstandsniveaus die Verwendung unterschiedlicher Methoden erfordert, um diese zu erhöhen, und für jede Technologie und technische Aufgabe die erforderlichen Methoden unterschiedlich sind. Warum dann nicht alles auf einmal anwenden, damit es sich gut anfühlt? Denn das Erreichen der Strahlungsbeständigkeit erfolgt immer aufgrund der Verschlechterung der Funktionsparameter (Energieverbrauch, Kristallfläche, Geschwindigkeit usw.) und sie haben oberste Priorität. Deshalb brauchen wir klare Anforderungen an technische Spezifikationen, sowohl in Bezug auf Funktionalität als auch in Bezug auf Haltbarkeit. Zwar werden Mikroschaltungen nicht so oft hergestellt, um ein einzelnes Problem zu lösen, insbesondere strahlungsbeständig, bei dem die Zirkulation für jede der verfügbaren Anwendungen mehrere Dutzend Teile betragen kann. Ein gutes Verständnis der Anforderungen ermöglicht es jedoch beispielsweise, keine Ringtransistoren zu verwenden, wodurch die Fläche und der Stromverbrauch erheblich erhöht werden und letztendlich wettbewerbsfähigere Produkte erhalten werden.

Das Auge eines aufmerksamen Lesers wird wahrscheinlich auf das Wort "volumetrisch" in der Formulierung "vordefinierte Widerstandsindikatoren bei kleinen Designstandards für jede volumetrische Technologie" gerichtet. Ist es dort nicht überflüssig? Jeder weiß, dass strahlungsbeständige Mikroschaltungen mit der Technologie „Silizium auf einem Isolator“ oder „Silizium auf Saphir“ hergestellt werden müssen.

Silizium auf dem Isolator

Die Technologie "Silizium auf dem Isolator" ist seit langem fest im Glanz der Strahlenbeständigkeit verankert. Die Wurzeln dieses populären Missverständnisses reichen bis in die Antike zurück, als der Vorläufer des SOI, Silizium auf Saphir, aktiv für die militärische Entwicklung genutzt wurde. Warum? Die Transistoren in dieser Technologie sind elektrisch voneinander und vor allem vom Substrat getrennt. Dies bedeutet, dass der Bereich der Sammlung strahlungsinduzierter Ladung bei kurzfristiger Exposition des Chips gegenüber Strahlung mit einer hohen Dosisleistung klein ist. Dies wiederum reduziert die Zeit des Verlusts der Arbeitskapazität erheblich - was Sie brauchen, um in einem Atomkrieg zu arbeiten. Und tatsächlich gibt es keine andere Methode zur Reduzierung der Zeit des Verlusts der Arbeitskapazität, außer der vollständigen dielektrischen Isolation.

Der zweite wichtige Teil des Mythos „SOI = Joy Resistance“ ist die Resistenz gegen den Thyristoreffekt, auch wenn er einer hohen Dosisleistung ausgesetzt ist. Der Thyristoreffekt oder „Latch“ ist für Entwickler von Mikrochips und Geräten für den Weltraum fast das Hauptproblem, und es ist nicht verwunderlich, dass die Technologie, mit der Sie ihn entfernen können, als strahlenbeständig bekannt geworden ist. In Wirklichkeit ist die Situation jedoch wieder etwas komplizierter.



Abbildung 10. Querschnitt einer Bulk-CMOS-Technologie mit einem parasitären Thyristor.

Die Ursache für den Thyristoreffekt ist die parasitäre Thyristorstruktur, die in den Elementen der Volumen-CMOS-Technologie vorhanden ist. Wenn die Widerstände Rs und Rw groß genug sind, kann diese Thyristorstruktur beim Eintritt eines geladenen Teilchens die Masse des Chips mit Strom öffnen und kurzschließen, was, wie Sie wissen, nicht gut ist. Wie groß sind diese Widerstände in echten Mikrochips? Die Antwort auf diese Frage ist recht einfach: Der Kontakt zum Substrat oder zur Tasche ist ein zusätzlicher Bereich, daher versuchen sie, ihre Anzahl zu minimieren. Dies bedeutet wiederum, dass der Thyristoreffekt im "normalen" Chip standardmäßig wahrscheinlicher ist als nicht. Der Thyristoreffekt kann zwar nicht nur durch Strahlung auftreten, sondern auch, wenn er beispielsweise einer elektrostatischen Entladung oder einfach nur einer erhöhten Temperatur und einer hohen Stromdichte mit einer erfolglosen Topologie ausgesetzt wird. In "normalen" Anwendungen sind Hersteller von Leistungs- und Automobilelektronik mit einem Thyristoreffekt konfrontiert.

In einem erheblichen Teil der Weltraumsysteme ist ein Neustart unter unvorhergesehenen Umständen durchaus akzeptabel. Das heißt, Sie können versuchen, einen Chip zu verwenden, der zum „Einrasten“ neigt, indem Sie einen Stromkreis in die Stromleitung einbauen, um den Stromverbrauch zu steuern und die Stromversorgung zurückzusetzen, wenn die Norm überschritten wird. Dies geschieht in der Tat regelmäßig in Situationen, in denen die Verwendung eines kommerziellen Hochleistungs-Mikroschaltkreises sehr wichtig ist und die Schutzchips mit Thyristoreffekt (Latchup Current Limiter) ein recht beliebtes strahlungsbeständiges Produkt sind. Eine solche Lösung weist jedoch viele Einschränkungen auf. Sie können die Stromversorgung nicht überall und nicht immer zurücksetzen. Ein Neustart während eines wichtigen Manövers kann eine lange Mission beenden. Der Stromverbrauch einer modernen Mikroschaltung kann je nach Betriebsmodus um ein Vielfaches variieren, dh der Verbrauch im Modus „Nichts passiert und es gibt eine Verriegelung“ kann geringer sein als im regulären Betrieb in einem anderen Modus. Auf welchen Pegel sollte die Strombegrenzung eingestellt werden? Es ist auch nicht klar. Die Zeit, die benötigt wird, um den Strom auszuschalten und die Zerstörung des Chips zu verhindern, hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich des spezifischen Chips. - , , - - .

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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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Fazit

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