Idées reçues sur la résistance aux radiations des microcircuits

Dans environ un sujet sur Habré relatif à l'astronautique ou à l'électronique, le sujet de la résistance aux rayonnements apparaît. Le sujet de la substitution à l'importation d'une base d'éléments résistants aux rayonnements traverse l'actualité de l'exploration spatiale domestique, mais en même temps, Elon Musk utilise des puces conventionnelles bon marché et en est fier. Et les Israéliens de Bereshit ont utilisé un processeur radiant et en sont également fiers. Et en principe, l'industrie microélectronique en Russie vit en grande partie grâce à une ordonnance de l'État avec les exigences pertinentes. L'observation de conflits réguliers sur la façon de construire correctement des satellites montre que la formation des participants est généralement faible et que leur argumentation est grevée de stéréotypes qui ont été accidentellement entendus hors de faits et de connaissances contextuels dépassés il y a de nombreuses années. Je pensais que lire ceci n'était plus possible, donc, chers analystes, mettez-vous à l'aise sur vos canapés, et je vais commencer une courte (vraiment grande) histoire sur les idées fausses les plus populaires sur la résistance aux radiations des circuits intégrés.


Figure 1. Une belle image indispensable sur le rayonnement cosmique et la Terre fragile.

Les thèses les plus populaires sur la résistance aux radiations utilisées dans les conflits dans l'espace proche ressemblent à ceci:

1. Les puces radiantes ne sont pas nécessaires. Les Kubsats volent parfaitement sur les ordinaires, sur l'ISS sont des ordinateurs portables Lenovo ordinaires, dans Dragon il y a des microcircuits ordinaires, et même la NASA à Orion a livré des microcircuits ordinaires!
2. Il est tout à fait possible de mettre de très vieux microcircuits sur les satellites, jusqu'au "crumble lâche", aucune performance sérieuse n'y est requise. Mais sans joie, nulle part, et donc voler en jonque.
3. La thèse qui complète la précédente: les microcircuits radicalement stables, en principe, ne peuvent pas être faits à des normes de conception faibles, donc l'utilisation de composants éprouvés est non seulement justifiée, mais aussi nécessaire.
4. Pour que le microcircuit soit rayonnant, il est nécessaire et suffisant de le faire en utilisant la technologie «silicium sur isolant» ou «silicium sur saphir».
5. Tous les microcircuits «militaires» sont radio-résistants et tous les microcircuits radio-résistants sont «militaires».

Comme vous pouvez le voir, certaines de ces thèses se contredisent directement - ce qui fait régulièrement l'objet de controverses ou de raisons de conclusions erronées de grande portée.

Vous devez commencer la conversation avec un avertissement important: la résistance aux radiations n'est pas le centre du monde et la seule qualité qui devrait être adaptée à une utilisation dans l'espace ou dans d'autres environnements agressifs. La résistance aux radiations n'est qu'une exigence d'une longue série, qui comprend la fiabilité, une plage de températures étendue, la résistance aux décharges électrostatiques, la résistance aux vibrations - et une confirmation fiable de tous les paramètres ci-dessus, c'est-à-dire une certification longue et coûteuse. Il est important que tout ce qui ne permet pas à la puce de fonctionner pendant toute la durée de vie requise, et la plupart des applications de puces résistantes aux radiations impliquent l'impossibilité de réparation ou de remplacement. En revanche, si quelque chose ne va pas avec l'un des paramètres, le concepteur du produit final peut souvent trouver un moyen de contourner la limitation - placer la puce la plus sensible à la dose de rayonnement derrière un mur épais, surveiller la consommation actuelle de la puce vulnérable à l'effet thyristor et réinitialiser sa puissance si nécessaire ou thermostater une puce avec une plage de température étroite. Ou il peut ne pas être trouvé, et la seule façon de résoudre le problème sera de commander un nouveau radar ASIC résistant.

Il est également utile de se rappeler que les développeurs de systèmes spéciaux sont les mêmes personnes que tous les autres développeurs. Beaucoup d'entre eux aiment également écrire du code pour les béquilles remplies de croûtes jusqu'à la date limite d'hier et utiliser un matériel plus puissant pour qu'il fonctionne définitivement; certains auraient utilisé Arduino s'il avait été correctement certifié. Et, bien sûr, les personnes qui définissent des tâches pour les développeurs de systèmes à usage spécial et les développeurs de microcircuits pour eux se sentent rarement timides dans les exigences de fiabilité, de performance et de résistance à la joie. Par conséquent, des normes de conception modernes sur les satellites sont toujours nécessaires - je veux de grandes quantités de DRAM, de processeurs multicœurs et des derniers FPGA. J'ai déjà mentionné ci-dessus que les conséquences d'une mauvaise résistance aux radiations et d'autres problèmes potentiels peuvent être au moins partiellement contournés, de sorte que le manque de données sur ce qui doit être contourné exactement que le statut commercial des puces est dans une large mesure empêché d'utiliser toute cette magnificence des développeurs.

Effets des radiations

Les concepts de «résistance aux rayonnements» et de «microcircuit résistant aux rayonnements» sont de grandes simplifications. En fait, il existe de nombreuses sources différentes de rayonnements ionisants et elles peuvent affecter le fonctionnement des appareils électroniques de différentes manières. En conséquence, pour différentes applications, une résistance à différents ensembles de facteurs d'influence et à différents niveaux d'exposition est nécessaire, de sorte qu'un microcircuit «stable» conçu pour fonctionner en orbite terrestre basse n'est absolument pas nécessaire de fonctionner normalement lors de l'analyse des blocages à Tchernobyl.

Le rayonnement ionisant est appelé ionisant, car la libération d'énergie dans le volume d'une substance lors du freinage des particules entrantes ionise la substance. Chaque matériau a sa propre énergie nécessaire à l'ionisation et à la création d'une paire électron-trou. Pour le silicium, c'est 3,6 eV, pour son oxyde - 17 eV, pour l'arséniure de gallium - 4,8 eV. De plus, une particule entrante peut ne pas ioniser un atome, mais la «déplacer» du bon endroit dans le réseau cristallin (dans le silicium, cela nécessite 21 eV pour être transféré à l'atome). Les paires électron-trou créées dans une substance peuvent avoir différents effets sur les propriétés électriques et physiques et sur le comportement du circuit électrique. Les effets des rayonnements peuvent être divisés en quatre grands groupes: les effets de la dose totale absorbée, les effets du débit de dose, les effets causés par l'entrée de particules uniques et les effets du déplacement. Cette séparation est quelque peu arbitraire: par exemple, l'irradiation avec un flux d'ions lourds qui provoquent des effets uniques conduit également à un ensemble de dose totale absorbée.

Effets de dose

La dose totale de rayonnement absorbée est mesurée en rad, indiquant la substance qui absorbe le rayonnement. 1 rad = 0,01 J / kg, c'est-à-dire la quantité d'énergie libérée dans une masse unitaire d'une substance. Moins utilisée est une unité de mesure de Gray, égale à 100 rad (ou 1 J / kg). Il est important de comprendre que la dose absorbée dans différentes substances variera pour le même nombre de particules ionisantes libérées par la source de rayonnement (il s'agit de la dose d'exposition). Dans le cas des microcircuits de silicium, le matériau souhaité est l'oxyde de silicium, car l'effet sur celui-ci, et non sur le silicium, affecte principalement les caractéristiques électriques du circuit, car la mobilité des trous dans SiO2 à température normale est si faible qu'ils s'accumulent dans l'oxyde, créant charge positive intégrée. Les niveaux de résistance à la dose typiques des microcircuits commerciaux se situent dans la plage de 5 à 100 crad (Si), les niveaux de résistance aux radiations exigés par les clients commencent à 30 crad (Si) et se terminent quelque part autour de 1 Grad (Si), selon l'objectif du microcircuit. La dose létale pour l'homme est d'environ 6 gris.



Figure 2. Exemples de calculs de l'ensemble de la dose totale absorbée sur 10 ans sur différentes orbites circulaires pour une protection de 1 g / cm ^ 2. Source - N.V. Kuznetsov, «Risque de rayonnement dans les orbites proches de la Terre et les trajectoires interplanétaires des engins spatiaux».

Les effets de la dose complète sont associés à l'accumulation de cette charge positive dans les diélectriques et se manifestent dans les schémas CMOS de plusieurs manières principales:

1. Le décalage de la tension de seuil des transistors résultant de l'accumulation d'une charge positive dans le diélectrique de grille et de la variation du champ électrique dans le canal du transistor. Pour les transistors à canal n, le seuil diminue généralement (mais la dépendance peut être non monotone), et pour les transistors à canal p, il augmente, et la valeur de décalage est en corrélation avec l'épaisseur de l'oxyde de grille, c'est-à-dire avec les normes de conception. Les seuils des transistors dans les circuits aux normes de conception approximatives peuvent changer de manière à provoquer une défaillance fonctionnelle (les transistors à canal n s'arrêtent de se fermer, les transistors à canal p s'ouvrent); dans les technologies submicroniques, cet effet est moins important, mais dans les circuits analogiques, il peut causer beaucoup de maux de tête.
2. Un courant de fuite non contrôlé se produit. Il peut circuler de la source du transistor vers son propre drain ou vers un transistor adjacent. La cause des fuites est l'accumulation d'une charge positive, mais pas dans l'isolateur de grille, mais dans le matériau isolant épais. En effet, un transistor parasite est formé parallèlement au transistor principal, dont la tension de grille est contrôlée par une dose de rayonnement. La manifestation de cet effet est déterminée par les caractéristiques de la géométrie de la transition d'un isolant de grille à un isolant, c'est-à-dire qui dépend beaucoup plus d'une technologie spécifique que des normes de conception.
3. Une diminution de la mobilité des porteurs de charge due à l'accumulation de défauts sur lesquels les porteurs de charge sont dispersés. L'effet de ce facteur sur les circuits numériques submicroniques sur le silicium est faible, mais il est plus important pour les transistors de puissance, y compris les semi-conducteurs complexes (nitrure de gallium et carbure de silicium).
4. Augmentation de 1 / f du bruit causé par les transistors à front parasite. Il est important pour les circuits analogiques et radiofréquences. La valeur de cet effet augmente avec une diminution des normes de conception, lorsque l'effet des effets de dose restants diminue.

Dans les schémas bipolaires, l'effet de dose principal est une baisse du gain causée par une augmentation du courant de base due à une fuite de l'émetteur vers la base à l'interface du silicium et de l'oxyde passivant. Un autre effet spécifique à la dose pour les transistors bipolaires est qu'ils peuvent (pas nécessairement) répondre non seulement au niveau de la dose accumulée, mais aussi à la vitesse de sa collecte - plus la dose est accumulée lentement, plus la résistance est mauvaise. Cet effet est appelé ELDRS (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity) et il complique considérablement et augmente le coût des tests, souvent non seulement bipolaires, mais aussi des circuits CMOS - car ils ont parfois aussi des transistors bipolaires et parce qu'il est plus facile de faire tester uniformément tout le monde que déterminer où les ELDRS peuvent être et où ils ne le sont pas.

Débit de dose

Une autre partie des effets liés au débit de dose est un ensemble de doses ultrarapides auquel tant de paires électron-trou sont générées dans le microcircuit qu'elles n'ont pas le temps de se recombiner, et une énorme charge électrique est introduite dans la puce, qui se dissout à travers le sol et les lignes électriques pendant temps significatif - pendant lequel le circuit cesse de fonctionner. Ce temps est appelé «perte de temps de travail» et est la principale caractéristique de la résistance d'un microcircuit ou d'un dispositif à de tels effets. De plus, une grande partie de la charge introduite dans le microcircuit modifie sérieusement les potentiels des zones connectées à la terre et à l'alimentation - ce qui peut conduire à l'apparition d'un effet thyristor.

Ce sont les effets d'un débit de dose élevé - pour des raisons de résistance auxquels la technologie «silicium sur saphir» et «silicium sur isolant» a été développée à l'origine, car la seule façon de réduire la charge introduite dans le circuit est de séparer la région active du microcircuit du volume du substrat, non donner la charge du substrat pour participer au processus. Pourquoi ces effets sont-ils importants? Un débit de dose élevé sur une courte période est une conséquence typique d'une explosion nucléaire.

Effets uniques

Les effets uniques ne sont pas associés à une exposition prolongée aux rayonnements, mais à un effet mesurable d'une seule particule ionisante. Ils peuvent être divisés en deux grands groupes:

1. Non destructif. Il s'agit notamment de défaillances dans différents types d'éléments de stockage (mémoire cache, fichiers de registres, mémoire de configuration FPGA, etc.), transitoires dans la logique combinatoire et dans les circuits analogiques. La principale caractéristique de ce type d'effets - ils ne conduisent pas à la destruction physique de la puce et peuvent être des logiciels ou du matériel fixes. De plus, les transitoires sont corrigés d'eux-mêmes après un certain temps (la question est de savoir quelle est leur taille). Les défaillances dans les matrices de mémoire sont d'un intérêt pratique principal, simplement parce qu'elles constituent la part du lion de toutes les défaillances en raison de la grande quantité de mémoire dans les systèmes microélectroniques modernes.
2. Destructif. Ceux-ci incluent l'effet thyristor et divers, mais, heureusement, des effets rares tels que le perçage de la grille ou l'épuisement par avalanche du transistor. Leur particularité est de détruire irréversiblement l'élément puce. Dans le cas de l'effet thyristor, la puce peut généralement (mais pas toujours!) Être sauvegardée si l'alimentation est rapidement réinitialisée. Les effets destructeurs constituent un grave danger pour certains types de mémoire flash et pour les appareils à haute tension et densité de courant, dont les plus importants sont les interrupteurs d'alimentation.

Le rendement énergétique spécifique d'une particule ionisante est appelé «transfert d'énergie linéaire» (LET) et est mesuré en MeV, transféré par unité de longueur de l'envergure de la particule dans le matériau, par unité de densité du matériau, c'est-à-dire en (MeV * cm ^ 3) / (mg * cm) ou (MeV * cm ^ 2) / mg. Le LET dépend non linéairement et non monotoniquement de l'énergie des particules et est interconnecté avec le libre parcours moyen qui, pour les particules et les matériaux pertinents en microélectronique, peut aller de centaines de nanomètres à des centaines de millimètres.

Le nombre de particules trouvées dans l'espace diminue avec la croissance du LET (voir figure 4). Les valeurs importantes sont 30 (correspond aux ions fer) et 60 ou 80 (après quoi la probabilité de l'événement est considérée comme négligeable). En outre, un chiffre important est de 15 MeV * cm ^ 2 / (mg) - c'est le maximum de LET que les produits d'une réaction nucléaire peuvent avoir lorsqu'un proton ou neutron pénètre dans le silicium. Les protons sont l'un des principaux types de rayonnement solaire, et bien que leur propre LET soit petit (dixièmes d'une unité), ils ont un effet significatif en raison des réactions nucléaires et de l'ionisation secondaire. L'ionisation secondaire peut se produire directement dans la région active, ou elle peut être le résultat d'un proton pénétrant dans un atome de certains matériaux avec un grand numéro atomique - par exemple, le tungstène ou le tantale. Les éléments lourds sont activement utilisés dans la technologie microélectronique moderne, par exemple, pour créer des contacts à partir du silicium jusqu'à la première couche de métallisation. L'ionisation secondaire est également la raison pour laquelle il n'est pas nécessaire d'emballer les puces dans des boîtes de plomb pour augmenter la résistance aux radiations.



Figure 3. La dépendance du LET à l'énergie pour différents types de particules.

Séparément, il convient de prêter attention aux noyaux d'hélium (particules alpha) - non seulement parce qu'il y en a beaucoup dans la composition du rayonnement solaire, mais aussi parce que de nombreuses sources de rayonnement alpha peuvent être trouvées dans la vie ordinaire.



Figure 4. Comparaison du nombre de particules de différents types sur une mission de deux ans en orbite, selon Xapsos et.al., «Model for Cumulative Solar Heavy Ion Energy and Linear Energy Transfer Spectra», IEEE TNS, Vol. 5, non. 6., 2007

1, 30 ou 60 MeV * cm ^ 2 / (mg) - combien cela coûte-t-il? Le seuil de défaillance d'une cellule de mémoire standard dans la technologie à 7 nm est bien inférieur à l'unité, à 180 nm - dans la plage de l'unité à la dizaine. L'utilisation de circuits spéciaux vous permet d'élever le seuil, par exemple, à des centaines, mais il est généralement plus raisonnable d'atteindre un chiffre de 15 ou 30 unités et de filtrer les restes d'événements rares en utilisant un codage résistant au bruit. 60 unités est un chiffre qui apparaît généralement dans les exigences de résistance aux effets destructeurs.

Effets de déplacement

Les effets de déplacement sont la destruction locale du réseau cristallin, c'est-à-dire la «suppression» d'un atome de son emplacement prévu. L'énergie nécessaire pour endommager le réseau cristallin est généralement assez importante, de sorte que la plupart des particules qui passent ne provoquent pas cet effet. Mais sa cause peut être une réaction nucléaire à la suite de l'impact d'un proton ou d'un neutron, qui sont nombreux en orbite. De tels défauts de réseau locaux entraînent une diminution de la mobilité des porteurs de charge, une augmentation du bruit et certains autres effets. Ils affectent les puces CMOS conventionnelles moins que les effets de dose «ordinaires», mais dominent dans les panneaux solaires, les photodétecteurs, les transistors de puissance, ainsi que dans les semi-conducteurs complexes qui n'ont pas d'oxyde, par exemple, l'arséniure de gallium et le nitrure de gallium. Cela explique leur résistance à la dose élevée - ils n'ont tout simplement pas d'effets qui provoquent une dégradation rapide des puces de silicium, et ce qui est là est plus faible et plus tard. La quantité de rayonnement provoquant des effets de polarisation est mesurée en particules (généralement des protons ou des neutrons) par centimètre carré de surface de puce.

Donc, avec une description des facteurs d'influence du rayonnement compris, voyons maintenant où et dans quelles combinaisons ils menacent les microcircuits.

Quoi? O?? Quand?

La figure 2 montre un exemple de calcul de la dose complète définie sur différentes orbites. Ensuite, nous devons discuter de nombreuses hypothèses - activité solaire, forme, matériau et épaisseur de protection, etc., mais en général, malgré le fait que l'image est un cheval sphérique typique dans le vide, la tendance est claire: sur différentes orbites, la vitesse de la dose complète peut varier de cinq ordres de grandeur. , , , . , . , — , , , , , the last but not least, .



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1019.8 Ionizing radiation (total dose) test procedure
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1021.3 Dose rate upset testing of digital microcircuits
1023.3 Dose rate response of linear microcircuits

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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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Sur le site Web d'une usine de microélectronique, il y a eu assez longtemps une déclaration selon laquelle la résistance aux rayonnements ne pouvait pas être atteinte à des normes de conception inférieures à 600 nm, car sinon, "les particules chargées transpercent le silicium". Par une coïncidence surprenante, les normes de conception minimales disponibles pour cette usine n'étaient que de 600 nm. Et un employé principal d'une autre usine a déclaré dans une interview que la fabrication de micropuces pour l'espace à des normes de conception inférieures à 90 nm était «technologiquement impossible». Et encore une fois, cela a tellement coïncidé qu'il est technologiquement impossible de faire quelque chose à des taux inférieurs à 90 nm dans cette usine particulière. Les raisons marketing de ces situations et leurs avantages immédiats sont compréhensibles, mais à long terme, de telles phrases, adressées à un large public, me semblent faire plus de mal que de bien.

En outre, il y a régulièrement des discussions qui ne sont liées à aucune commercialisation selon laquelle les micropuces fabriquées conformément aux normes de conception sont plus grosses qu'une certaine limite, sont immunisées contre les défaillances uniques destructrices (en particulier, à l'effet thyristor), ce qui signifie que de nombreuses années d'utilisation de technologies anciennes sont non seulement justifiées, mais également et nécessaire.
Ou vice versa, des phrases indiquant que les microcircuits dont les normes de conception sont inférieures à 250 nm sont immunisés contre l'effet thyristor, car ils ont des tensions de fonctionnement si faibles que le thyristor ne peut tout simplement pas s'ouvrir. Ou il y a des opinions selon lesquelles le problème ne réside pas dans les normes de conception, mais dans le fait que la technologie CMOS est fondamentalement vulnérable aux rayonnements (ce qui est confirmé par des tests effectués par le demandeur dans les années 70), et les anciennes puces résistantes aux rayonnements sont bipolaires / KNS / GaAs. Et puisque la technologie CMOS est fondamentalement mauvaise, mais que toutes les puces modernes sont fabriquées dessus - cela signifie que les puces modernes ne sont pas stables par définition, et le seul moyen sûr pour l'astronautique est d'investir de l'argent en évoquant l'arséniure de gallium abandonné depuis longtemps (en même temps sur le marché commercial d'Intel gagner) ou revenir à une logique discrète éprouvée. Et encore mieux - aux lampes.

Radiant - signifie vieux et arriéré?

Pour être honnête, il convient de noter que dans les circuits exécutés selon des normes de conception d'environ deux microns ou plus, il n'y a généralement pas d'effet thyristor et de défaillance unique. «Habituellement», cependant, ne signifie en aucun cas «toujours», il existe des exemples d'anciens circuits à faible résistance à l'effet thyristor, et les normes de conception ne garantissent rien. Une résistance élevée aux défaillances uniques survient simplement parce que les éléments de commutation à de telles normes de conception nécessitent beaucoup d'énergie. En fonctionnement normal aussi, je voudrais donc souhaiter à ceux qui continuent d'utiliser les anciennes puces d'essayer d'assembler le processeur Intel Core sur la logique de la série 74, et de réfléchir au type de fusée qui pourra soulever le monstre résultant en l'air.

En revanche, la microélectronique n'est pas vivante par des processeurs uniques. Il existe un grand nombre de tâches pour lesquelles de très petites normes de conception ne sont pas nécessaires ou pas si obligatoires, et des niveaux de 500 à 90 nm sont tout à fait suffisants. Le marché commercial mondial des microcircuits sur plaquettes d'un diamètre de 200 mm (et ce sont des normes de conception de 90 nm et plus) se développe depuis plusieurs années, jusqu'à la pénurie d'équipements de production. Des microcircuits «développés depuis longtemps» et entièrement nouveaux sont produits selon des normes de conception «dépassées», et de nombreuses usines sont prêtes à garantir l'avenir à long terme des processus technologiques (mais pas nécessairement leur invariance complète). Par conséquent, le «retard» d'une usine particulière par rapport au TSMC conditionnel ne signifie pas du tout l'impossibilité de réussir commercialement dans le domaine civil ou résistant spécial.

Le coût élevé de développement, de fabrication et de certification de circuits résistants aux rayonnements est un problème encore plus important pour les fabricants que dans l'électronique automobile ou industrielle. Les petites circulations (et souvent sinon des centaines, puis des milliers) compliquent souvent la commercialisation de ce type de développement, car si vous avez besoin de diviser un million de dollars en mille puces (le coût de développement est une puce relativement simple selon les normes de 180 nm), alors c'est mille dollars par une puce, mais la certification est toujours nécessaire, ce qui peut facilement entraîner plusieurs millions (surtout si vous testez des circuits CMOS sur ELDRS). Et si vous devez rembourser un milliard de dollars sur une petite période? C'est combien coûte le développement à 5-7 nm. Le coût élevé du développement et de la certification a conduit au fait que partout dans le monde le développement d'une partie importante des microcircuits résistants à la pluie est directement ou indirectement subventionné par les États. Cela réduit considérablement le nombre de nouveaux projets, encourage plus longtemps et plus inventif à vendre ce qui est, et maximise l'utilisation de blocs IP éprouvés. En conséquence, les microcircuits résistants à la pluie populaires sont produits et utilisés pendant de nombreuses années, créant l'illusion que tous les microcircuits résistants à la pluie sont vieux. Et dans la plupart des cas, les clients sont satisfaits de cela, car dans une situation où la fiabilité est toujours primordiale par rapport aux performances, la réutilisation d'une solution déjà éprouvée est souvent la meilleure chose à laquelle vous pouvez penser, et avoir un «héritage de vol» est un énorme avantage concurrentiel. Cela permet également de prolonger la période de production active des développements réussis - même lorsqu'ils sont déjà obsolètes et lorsqu'il y a déjà un remplacement. De plus, même l'installation d'un analogue compatible broche à broche dans la plupart des cas nécessite au moins un rapprochement de la documentation de conception, ainsi qu'un maximum de tests coûteux. Et c'est dans une situation où aucun développement n'est requis, alors qu'en est-il du cas où vous avez vraiment besoin de refaire quelque chose pour utiliser la nouvelle puce? Bien sûr, dans une telle situation, les développeurs de matériel ont tendance à réutiliser les solutions éprouvées dans leur ensemble.

Cela n’aide pas le public à percevoir que le chemin des nouveaux développements dans l’espace est long et épineux - et encore plus long dans les nouvelles, et c’est grâce aux nouvelles scientifiques populaires que les gens ordinaires apprennent généralement les réalisations de l’industrie spatiale. En 2015, il y a eu plusieurs messages de la forme «le satellite New Horizons, qui a atteint Pluton, a le même processeur que dans la Sony PlayStation», et ce préfixe avait déjà vingt ans au moment du communiqué. Présentation excellente et très compétente du matériel, vous ne direz rien. New Horizons a été lancé en 2006 et le développement du projet a commencé en 2000 - l'année du premier vol du processeur Mongoose-V, c'est-à-dire qu'il s'agissait du plus récent processeur disponible avec une expérience existante en orbite. Le développement de ce processeur s'est terminé en 1998 et a commencé en 1994 - exactement simultanément avec la sortie de la PlayStation. Voici un autre exemple: les processeurs d'architecture Power750 ont été lancés pour des applications civiles en 1997, et en 1998 l'iMac a fait ses débuts avec un tel processeur. En 2001, le développement d'un analogue résistant aux rad, le RAD750, a été achevé. Ce processeur a frappé le cosmos pour la première fois en 2005, et seulement en 2012 après l'atterrissage en douceur du rover Curiosity sur Mars. Bien sûr, il y avait aussi quelques gros titres jaunes sur le processeur il y a quinze ans, mais le développement du projet Curiosity a commencé en 2003, c'est-à-dire avant même le premier vol du processeur RAD750.

Tranchant

Malgré tout ce qui précède, à l'heure actuelle, le niveau de normes de conception auquel le développement de plates-formes informatiques pour l'espace est en cours est de 65 à 45-22 nm. Le chipset américain RAD5500 a déjà été mis en production en série à 45 nm, le processeur européen DAHLIA devrait sortir à 28 nm l'an prochain, et la plate-forme de développement ASIC conçue pour une utilisation à long terme est activement créée à 65 nm dans l'IMEC belge. Les développeurs russes ne sont pas loin non plus - la feuille de route NIISI RAS de l'année prochaine montre une sortie à 65 nm d'un processeur résistant aux rayonnements, et les publications sur ce sujet parlent de créer une plate-forme de développement, c'est-à-dire que ces normes de conception ont un grand avenir non seulement en Europe mais aussi en Russie .

Et même à ce niveau de normes de conception, le développement de l'électronique résistante à la pluie ne s'arrête pas - si vous regardez les derniers numéros des transactions IEEE sur la science nucléaire, vous y trouverez suffisamment de travaux sur l'étude des transistors avec des normes de conception de 20-16-14 nm, préparant le terrain pour de nouvelles générations de microprocesseurs spatiaux. À ces normes de conception, les développeurs attendent beaucoup de choses nouvelles et intéressantes: premièrement, les transistors en anneau ne peuvent pas être fabriqués, deuxièmement, FinFET a une géométrie et une isolation de canal complètement différentes, troisièmement, il existe des technologies FDSOI, qui ont également suffisamment de spécificité.

Une diminution des normes de conception affecte bien sûr la résistance aux radiations des microcircuits fabriqués sur eux, mais pas nécessairement pour le pire. La tendance générale est qu'avec une diminution des normes de conception, l'effet de la dose complète diminue et les effets simples augmentent. Le décalage de tension de seuil dans les normes de conception de 180 nm ou moins est mesuré en unités ou en dizaines de millivolts même pour de fortes doses: l'oxyde de grille est si mince que la charge qui s'y accumule se tunnelise dans le canal au lieu de s'accumuler. La couche de transition dans les technologies avec isolation STI est suffisamment compacte, ce qui permet dans de nombreux cas de faibles fuites à une dose totale de plusieurs dizaines voire centaines de berceaux (Si). Et si nous appliquons des transistors en anneau et des anneaux de garde dans une technologie volumétrique profondément submicronique, nous nous débarrasserons immédiatement de tous les problèmes de dose.



Figure 8. Exemples d'éléments résistants aux radiations ET développés par Milander à l'aide de la technologie SOI BCD.

La figure 8 montre deux options pour implémenter le même élément logique ET pour différentes conditions. Sur la gauche, nous voyons les transistors à bourrage complet dans les anneaux de garde individuels. A droite, l'option la plus simple, pour une faible dose totale: transistors linéaires, au lieu d'anneaux de garde, seuls de bons contacts dans le sol. Et dans les deux cas, l'isolement diélectrique des transistors à canal n du canal p pour protéger la puce de l'effet thyristor. Dans la technologie volumétrique, les anneaux de garde remplissent cette fonction. Il convient de noter que pour de nombreuses applications spatiales, la résistance à la pleine dose au niveau de 50-100 crad (Si) est tout à fait suffisante, et les transistors linéaires le font très bien, sans nécessiter de détérioration significative des paramètres fonctionnels du circuit afin d'atteindre la stabilité.

Avec des défaillances uniques, la situation est la suivante: le diamètre approximatif de la région à partir de laquelle la charge est collectée lorsqu'une seule particule pénètre est de l'ordre du micron, c'est-à-dire plus que la taille d'une cellule de mémoire fabriquée selon des normes de conception profondément submicroniques. En effet, les pannes dites multiples sont découvertes expérimentalement, lorsqu'une particule provoque la commutation de plusieurs bits à la fois. De plus, avec une diminution des normes de conception, l'énergie nécessaire pour commuter le bit de mémoire diminue également, c'est-à-dire que plus de hits entraînent des pannes que pour les puces fabriquées selon des normes de conception plus approximatives. Y compris la pénétration de particules alpha des impuretés radioactives dans les matériaux de structure.



Figure 9. Comparaison du nombre de défaillances d'une seule particule frappée pour deux variantes de SRAM 6T différentes dans la technologie avec des normes de conception de 65 nm. Source - A. Balbekov et al., «Problèmes d'applicabilité VLSI pour la technologie CMOS 65 nm sous l'influence de facteurs spatiaux».

La figure 9 montre les données expérimentales sur des défauts uniques dans la technologie volumétrique à 65 nm. À gauche se trouve l'habituel 6T-SRAM. Dix pépins d'un coup! Le code Hamming ne vous en protégera pas. Donc, si nous parlons de microcircuits commerciaux, alors sur des normes de conception approximatives avec des défaillances uniques, tout sera légèrement meilleur que sur des circuits minces. À tout le moins, ils resteront solitaires, et ils peuvent vraiment être corrigés par codage. Mais si la puce est spécialement créée pour les applications spatiales, l'arsenal du développeur dispose d'un grand nombre de solutions architecturales, de circuits et topologiques qui peuvent offrir une durabilité élevée en même temps que des performances élevées. Sur le côté droit de la figure se trouve également 6T-SRAM, avec exactement le même circuit électrique, mais avec une topologie différente. Le prix des améliorations qui suppriment les défaillances multiples, l'effet thyristor et augmentent la résistance à la pleine dose est une surface quadruplée. Cela ne semble pas très agréable, mais personne n'a dit que ce serait facile. Néanmoins, Radiation Hardening by Design fonctionne et vous permet d'obtenir des indicateurs de résistance prédéterminés à de petites normes de conception sur n'importe quelle technologie volumétrique.

Pourquoi préréglé? Parce que la réalisation de différents niveaux de résistance nécessite l'utilisation de différentes méthodes pour l'augmenter, et pour chaque technologie et tâche technique, l'ensemble de méthodes requis est différent. Alors pourquoi ne pas l'appliquer en une seule fois pour que ça se sente bien? Parce que la réalisation de la résistance aux rayonnements se produit toujours en raison de la détérioration des paramètres fonctionnels (consommation d'énergie, surface cristalline, vitesse, etc.), et ils sont la première priorité. C'est pourquoi nous avons besoin d'exigences claires pour les spécifications techniques, à la fois en termes de fonctionnalité et de durabilité. Il est vrai que les microcircuits ne sont pas si souvent conçus pour résoudre un seul problème, particulièrement radicalement stable, dans lequel la circulation pour chacune des applications disponibles peut être de plusieurs dizaines de pièces. Mais néanmoins, une bonne compréhension des exigences permet, par exemple, de ne pas utiliser de transistors en anneau, augmentant considérablement la surface et la consommation de courant, et au final pour obtenir des produits plus compétitifs.

L'œil du lecteur attentif est probablement attiré par le mot «volumétrique» dans l'expression «indicateurs prédéfinis de résistance à de petites normes de conception pour toute technologie volumétrique». N'est-ce pas superflu là-bas? Tout le monde sait que les microcircuits rayonnants doivent être réalisés en utilisant la technologie «silicium sur isolant» ou «silicium sur saphir».

Silicium sur l'isolateur

La technologie «silicium sur l'isolant» est depuis longtemps solidement ancrée dans la gloire des résistants aux radiations. Les racines de cette idée fausse populaire remontent à l'Antiquité, lorsque le précurseur du SOI, le silicium sur le saphir, a été activement utilisé pour le développement militaire. Pourquoi? Les transistors de cette technologie sont séparés électriquement les uns des autres et, plus important encore, du substrat. Cela signifie que la zone de collecte de la charge induite par le rayonnement lors d'une exposition à court terme de la puce à un rayonnement avec un débit de dose élevé sera petite. Ceci, à son tour, réduit considérablement le temps de perte de capacité de travail - ce dont vous avez besoin pour travailler dans une guerre atomique. Et en effet, aucune autre méthode de réduction du temps de perte de capacité de travail, à part une isolation diélectrique complète, n'existe.

La deuxième partie importante du mythe «SOI = résistance à la joie» est la résistance à l'effet thyristor, y compris lorsqu'il est exposé à un débit de dose élevé. L'effet thyristor ou «verrou» est presque le principal casse-tête des développeurs de micropuces et d'appareils spatiaux, et il n'est pas surprenant que la technologie qui vous permet de vous en débarrasser ait acquis une renommée de résistance aux radiations. Mais en réalité, la situation est encore un peu plus compliquée.



Figure 10. Coupe transversale d'une technologie CMOS en vrac avec un thyristor parasite.

La cause de l'effet thyristor est la structure parasite du thyristor présente à l'intérieur des éléments de la technologie CMOS volumique. Si les résistances Rs et Rw sont suffisamment grandes, alors cette structure de thyristor, lorsqu'une particule chargée entre, peut ouvrir et court-circuiter la masse de la puce avec une puissance qui, comme vous le savez, n'est pas bonne. Quelle est la taille de ces résistances dans les micropuces réelles? La réponse à cette question est assez simple: le contact avec le substrat ou la poche est une zone supplémentaire, ils essaient donc de minimiser leur nombre. Et cela, à son tour, signifie que par défaut, l'effet thyristor dans la puce "ordinaire" sera plus probable qu'improbable. Certes, l'effet thyristor peut se produire non seulement à partir d'un rayonnement, mais également lorsqu'il est exposé, par exemple, à une décharge électrostatique ou même simplement à partir d'une température élevée et d'une densité de courant élevée avec une topologie infructueuse. Dans les applications "ordinaires", les fabricants d'électronique de puissance et automobile sont confrontés à un effet thyristor.

Dans une partie importante des systèmes spatiaux, un redémarrage est tout à fait acceptable en cas de circonstances imprévues, c'est-à-dire que vous pouvez essayer d'utiliser une puce sujette au «verrouillage» en mettant un circuit de contrôle de l'alimentation dans l'alimentation et une réinitialisation de l'alimentation si la norme est dépassée. En fait, cela se fait régulièrement dans des situations où il est très nécessaire d'utiliser un microcircuit commercial de haute performance, et les puces de protection contre l'effet thyristor (Latchup Current Limiter) sont un produit résistant aux rayonnements plutôt populaire. Mais une telle solution a de nombreuses limites. Vous pouvez réinitialiser l'alimentation pas partout et pas toujours, un redémarrage en train d'effectuer une manœuvre importante peut mettre fin à une longue mission. La consommation actuelle d'un microcircuit moderne peut varier plusieurs fois selon le mode de fonctionnement, c'est-à-dire que la consommation en mode «rien ne se passe et il y a un verrou» peut être inférieure à celle d'un fonctionnement régulier dans un autre mode. À quel niveau la limite actuelle doit-elle être fixée? Ce n'est pas clair non plus. Le temps qu'il faut pour couper l'alimentation et empêcher la destruction de la puce dépend de nombreux facteurs, y compris la puce spécifique. - , , - - .

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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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Conclusion

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