Kesalahpahaman populer tentang resistensi radiasi dari sirkuit mikro

Dalam setiap topik kedua tentang Habré yang berkaitan dengan astronotika atau elektronik, topik resistensi radiasi muncul. Topik substitusi impor berbasis elemen tahan radiasi membahas berita tentang eksplorasi ruang angkasa domestik, tetapi pada saat yang sama, Elon Musk menggunakan keripik konvensional murah dan bangga karenanya. Dan orang Israel di Bereshit menggunakan prosesor yang bersinar dan juga bangga akan hal itu. Dan pada prinsipnya, industri mikroelektronika di Rusia sebagian besar hidup karena pesanan negara dengan persyaratan yang relevan. Mengamati perselisihan reguler tentang cara membangun satelit dengan benar menunjukkan bahwa pelatihan peserta biasanya rendah, dan argumentasi mereka dibebani dengan stereotip yang secara tidak sengaja terdengar di luar konteks fakta dan pengetahuan yang sudah ketinggalan zaman bertahun-tahun yang lalu. Saya pikir membaca ini tidak mungkin lagi, oleh karena itu, analis terkasih, merasa nyaman dengan sofa Anda, dan saya akan memulai cerita pendek (sangat besar) tentang kesalahpahaman paling populer tentang resistensi radiasi dari sirkuit terpadu.


Gambar 1. Gambar indah yang tak terpisahkan tentang radiasi kosmik dan Bumi yang rapuh.

Tesis paling populer tentang resistensi radiasi yang digunakan dalam sengketa ruang dekat terlihat seperti ini:

1. Chip radiasi tidak diperlukan. Kubsats terbang dengan sempurna di atas yang biasa, di ISS adalah laptop Lenovo biasa, di Dragon ada microcircuits biasa, dan bahkan NASA di Orion mengirimkan microcircuits biasa!
2. Sangat mungkin untuk meletakkan sirkuit mikro yang sangat tua di satelit, sampai ke "remuk", tidak ada kinerja serius yang diperlukan di sana. Tetapi tanpa sukacita, tidak ada tempat, dan karenanya terbang dengan sampah.
3. Tesis yang melengkapi yang sebelumnya: sirkuit mikro yang stabil secara radikal, pada prinsipnya, tidak dapat dilakukan pada standar desain yang rendah, oleh karena itu penggunaan komponen yang diuji waktu tidak hanya dibenarkan, tetapi juga perlu.
4. Agar sirkuit mikro menjadi tahan radiasi, perlu dan cukup untuk membuatnya menggunakan teknologi "silikon pada isolator" atau "silikon pada safir".
5. Semua microcircuits "militer" adalah radio-resistant, dan semua microcircuits radio-tahan adalah "militer".

Seperti yang Anda lihat, beberapa tesis ini saling bertentangan secara langsung - yang secara teratur menjadi subjek kontroversi atau alasan untuk kesimpulan yang salah.

Anda perlu memulai percakapan dengan penafian penting: resistensi radiasi bukan pusat dunia dan satu-satunya kualitas yang harus cocok untuk digunakan dalam ruang atau chip lingkungan agresif lainnya. Ketahanan radiasi hanya satu persyaratan dari seri panjang, yang mencakup keandalan, rentang suhu yang diperpanjang, ketahanan terhadap pelepasan elektrostatik, ketahanan getaran - dan konfirmasi yang andal dari semua parameter di atas, yaitu sertifikasi yang panjang dan mahal. Penting segala sesuatu yang mungkin tidak memungkinkan chip untuk bekerja sepanjang umur layanan yang diperlukan, dan sebagian besar aplikasi chip tahan radiasi menyiratkan ketidakmungkinan perbaikan atau penggantian. Di sisi lain, jika ada sesuatu yang salah dengan salah satu parameter, perancang produk akhir sering dapat menemukan cara mengatasi batasan - menempatkan chip yang paling sensitif terhadap dosis radiasi untuk dinding tebal, memantau konsumsi saat ini dari chip yang rentan terhadap efek thyristor dan mengatur ulang kekuatannya jika diperlukan , atau memanaskan chip dengan kisaran suhu yang sempit. Atau mungkin tidak ditemukan, dan satu-satunya cara untuk menyelesaikan tugas adalah dengan memesan radar ASIC baru yang tahan.

Penting juga untuk diingat bahwa pengembang sistem tujuan khusus adalah orang yang sama dengan pengembang lainnya. Banyak dari mereka juga suka menulis kode untuk kruk yang diisi kerak hingga batas waktu kemarin dan menggunakan perangkat keras yang lebih kuat sehingga pasti berfungsi di dalamnya; beberapa akan menggunakan Arduino jika sudah disertifikasi dengan benar. Dan, tentu saja, orang-orang yang mengatur tugas untuk pengembang sistem tujuan khusus dan pengembang sirkuit mikro untuk mereka jarang merasa malu dalam persyaratan untuk keandalan, kinerja, dan ketahanan sukacita. Oleh karena itu, standar desain modern pada satelit masih diperlukan - Saya ingin DRAM dalam jumlah besar, prosesor multi-core, dan FPGA terbaru. Saya telah menyebutkan di atas bahwa konsekuensi dari resistansi radiasi yang buruk dan masalah potensial lainnya setidaknya dapat dielakkan sebagian, sehingga kurangnya data tentang apa yang sebenarnya perlu dielakkan dari status komersial chip adalah untuk sebagian besar dicegah menggunakan semua keindahan pengembang.

Efek radiasi

Konsep "ketahanan radiasi" dan "sirkuit mikro tahan radiasi" adalah penyederhanaan besar. Bahkan, ada banyak sumber radiasi pengion yang berbeda, dan mereka dapat mempengaruhi fungsi perangkat elektronik dengan cara yang berbeda. Oleh karena itu, untuk aplikasi yang berbeda, resistensi terhadap serangkaian faktor yang mempengaruhi dan tingkat paparan yang berbeda diperlukan, sehingga sirkuit mikro "stabil" yang dirancang untuk beroperasi di orbit Bumi rendah sama sekali tidak diperlukan untuk bekerja secara normal ketika menganalisis penyumbatan di Chernobyl.

Radiasi pengion disebut pengion, karena pelepasan energi dalam volume suatu zat selama pengereman partikel yang masuk mengionisasi zat tersebut. Setiap bahan memiliki energi sendiri yang diperlukan untuk ionisasi dan pembuatan pasangan lubang elektron. Untuk silikon, ini adalah 3,6 eV, untuk oksida - 17 eV, untuk gallium arsenide - 4,8 eV. Juga, partikel yang masuk mungkin tidak mengionisasi atom, tetapi “memindahkannya” dari tempat yang tepat di kisi kristal (dalam silikon, ini membutuhkan 21 eV untuk ditransfer ke atom). Pasangan lubang elektron yang dibuat dalam suatu zat dapat memiliki efek yang berbeda pada sifat listrik dan fisik dan pada perilaku rangkaian listrik. Efek radiasi dapat dibagi menjadi empat kelompok besar: efek dari dosis total yang diserap, efek dari laju dosis, efek yang disebabkan oleh masuknya partikel tunggal, dan efek perpindahan. Pemisahan ini agak sewenang-wenang: misalnya, iradiasi dengan aliran ion berat yang menyebabkan efek tunggal juga mengarah pada satu set total dosis yang diserap.

Efek dosis

Dosis radiasi total yang diserap diukur dalam rad, menunjukkan zat yang menyerap radiasi. 1 rad = 0,01 J / kg, yaitu jumlah energi yang dilepaskan dalam satuan massa suatu zat. Yang kurang umum digunakan adalah satuan ukuran Gray, sama dengan 100 rad (atau 1 J / kg). Penting untuk dipahami bahwa dosis yang diserap dalam zat yang berbeda akan bervariasi untuk jumlah partikel pengion yang sama yang dilepaskan oleh sumber radiasi (ini adalah dosis paparan). Dalam kasus sirkuit mikro silikon, bahan yang diinginkan adalah silikon oksida, karena efeknya, dan bukan pada silikon, terutama mempengaruhi karakteristik listrik rangkaian, karena mobilitas lubang di SiO2 pada suhu normal sangat kecil sehingga terakumulasi dalam oksida, sehingga built-in muatan positif. Tingkat resistensi dosis umum dari sirkuit mikro komersial terletak pada kisaran 5-100 crad (Si), tingkat resistensi radiasi yang diminta oleh pelanggan mulai dari 30 crad (Si) dan berakhir di sekitar 1 Grad (Si), tergantung pada tujuan dari microcircuit. Dosis mematikan bagi manusia adalah sekitar 6 abu-abu.



Gambar 2. Contoh perhitungan himpunan total dosis yang diserap lebih dari 10 tahun dalam berbagai orbit melingkar untuk perlindungan 1 g / cm ^ 2. Sumber - N.V. Kuznetsov, "Bahaya radiasi di orbit dekat Bumi dan lintasan antarplanet pesawat ruang angkasa".

Efek dari dosis penuh dikaitkan dengan akumulasi muatan positif ini dalam dielektrik dan dimanifestasikan dalam skema CMOS dalam beberapa cara utama:

1. Pergeseran dalam ambang tegangan transistor yang timbul dari akumulasi muatan positif di gerbang dielektrik dan perubahan medan listrik di saluran transistor. Untuk transistor saluran-n, ambang biasanya menurun (tetapi ketergantungannya bisa nonmonotonik), dan untuk transistor saluran-p meningkat, dan nilai pergeseran berkorelasi dengan ketebalan oksida gerbang, yaitu, dengan standar desain. Ambang batas transistor dalam rangkaian dengan standar desain kasar dapat berubah sehingga menyebabkan kegagalan fungsional (transistor n-saluran berhenti menutup, transistor p-channel terbuka); dalam teknologi submikron, efek ini kurang penting, tetapi di sirkuit analog dapat menimbulkan banyak sakit kepala.
2. Terjadi kebocoran arus yang tidak terkendali. Ia dapat mengalir dari sumber transistor ke salurannya sendiri atau ke transistor yang berdekatan. Penyebab kebocoran adalah akumulasi muatan positif, tetapi tidak di isolator gerbang, tetapi pada bahan isolasi tebal. Bahkan, transistor parasit dibentuk sejajar dengan transistor utama, tegangan gerbang yang dikendalikan oleh dosis radiasi. Manifestasi dari efek ini ditentukan oleh fitur-fitur geometri transisi dari isolator gerbang ke isolasi, yaitu, pada tingkat yang jauh lebih besar tergantung pada teknologi tertentu daripada pada standar desain.
3. Penurunan mobilitas operator muatan karena akumulasi cacat di mana pembawa muatan tersebar. Pengaruh faktor ini pada rangkaian digital submikron pada silikon kecil, tetapi lebih penting untuk transistor daya, termasuk semikonduktor kompleks (gallium nitride dan silikon karbida).
4. Peningkatan 1 / f dalam kebisingan yang disebabkan oleh transistor tepi palsu. Ini penting untuk sirkuit frekuensi analog dan radio. Nilai efek ini meningkat dengan penurunan standar desain, ketika efek sisa efek dosis menurun.

Dalam skema bipolar, efek dosis utama adalah penurunan gain yang disebabkan oleh peningkatan arus basa karena kebocoran dari emitor ke basa pada antarmuka silikon dan oksida pasif. Efek spesifik dosis lain untuk transistor bipolar adalah bahwa mereka dapat (tidak harus) merespons tidak hanya pada tingkat dosis yang terakumulasi, tetapi juga terhadap kecepatan pengumpulannya - semakin lambat dosis terakumulasi, semakin buruk resistansi. Efek ini disebut ELDRS (Enhanced Low Dosis Rate Sensitivity) dan sangat menyulitkan dan meningkatkan biaya pengujian, sering tidak hanya bipolar, tetapi juga sirkuit CMOS - karena mereka juga kadang-kadang memiliki transistor bipolar dan karena lebih mudah untuk membuat semua orang untuk menguji secara seragam daripada mencari tahu di mana ELDRS mungkin dan di mana tidak.

Tingkat dosis

Bagian lain dari efek yang berkaitan dengan laju dosis adalah set dosis sangat cepat di mana begitu banyak pasangan lubang elektron dihasilkan dalam rangkaian mikro sehingga mereka tidak punya waktu untuk bergabung kembali, dan muatan listrik yang besar dimasukkan ke dalam chip, yang larut melalui tanah dan saluran listrik selama waktu yang signifikan - di mana rangkaian berhenti bekerja. Waktu ini disebut "kehilangan waktu kerja" dan merupakan karakteristik utama dari resistensi dari rangkaian mikro atau perangkat terhadap efek tersebut. Selain itu, sejumlah besar muatan yang dimasukkan ke dalam rangkaian mikro secara serius mengubah potensi area yang terhubung ke tanah dan ke catu daya - yang dapat menyebabkan munculnya efek thyristor.

Ini adalah efek dari laju dosis tinggi - demi ketahanan di mana teknologi "silikon pada safir" dan "silikon pada insulator" pada awalnya dikembangkan, karena satu-satunya cara untuk mengurangi muatan yang dimasukkan ke dalam rangkaian adalah dengan memisahkan wilayah aktif dari rangkaian mikro dari volume substrat, bukan memberikan muatan dari substrat untuk berpartisipasi dalam proses. Mengapa efek ini penting? Tingkat dosis tinggi dalam waktu singkat adalah konsekuensi khas dari ledakan nuklir.

Efek tunggal

Efek tunggal tidak terkait dengan paparan radiasi yang berkepanjangan, tetapi dengan efek yang terukur dari partikel pengion tunggal. Mereka dapat dibagi menjadi dua kelompok besar:

1. Tidak merusak. Ini termasuk kegagalan dalam berbagai jenis elemen penyimpanan (memori cache, register file, memori konfigurasi FPGA, dll.), Transien dalam logika kombinasional dan di sirkuit analog. Fitur utama dari jenis efek ini - mereka tidak mengarah pada kehancuran fisik chip dan dapat diperbaiki perangkat lunak atau perangkat keras. Selain itu, transien dikoreksi sendiri setelah beberapa waktu (pertanyaannya adalah seberapa besar itu). Kegagalan dalam susunan memori adalah kepentingan praktis utama, hanya karena mereka merupakan bagian terbesar dari semua kegagalan karena besarnya jumlah memori dalam sistem mikroelektronika modern.
2. Merusak. Ini termasuk efek thyristor dan berbagai, tetapi, untungnya, efek yang jarang terjadi seperti menusuk gerbang atau kelelahan akibat transistor. Fitur yang membedakan mereka adalah mereka menghancurkan elemen chip secara permanen. Dalam kasus efek thyristor, chip biasanya dapat (tetapi tidak selalu!) Dihemat jika daya dengan cepat direset. Efek merusak menimbulkan bahaya serius bagi beberapa jenis memori flash dan perangkat dengan voltase tinggi dan kepadatan arus, yang paling penting di antaranya adalah sakelar daya.

Hasil energi spesifik dari partikel pengion disebut "transfer energi linier" (LET) dan diukur dalam MeV, ditransfer per satuan panjang rentang partikel dalam material, per unit kepadatan material, yaitu dalam (MeV * cm ^ 3) / (mg * cm) atau (MeV * cm ^ 2) / mg. LET secara nonlinier dan nonmonotonik tergantung pada energi partikel dan saling berhubungan dengan jalur bebas rata-rata, yang untuk partikel dan bahan yang relevan dalam mikroelektronika dapat berkisar dari ratusan nanometer hingga ratusan milimeter.

Jumlah partikel yang ditemukan di ruang angkasa berkurang dengan pertumbuhan LET (lihat Gambar 4). Nilai penting adalah 30 (sesuai dengan ion besi) dan 60 atau 80 (setelah itu probabilitas acara dianggap dapat diabaikan). Selain itu, angka penting adalah 15 MeV * cm ^ 2 / (mg) - ini adalah LET maksimum yang mungkin dihasilkan produk dari reaksi nuklir ketika proton atau neutron memasuki silikon. Proton adalah salah satu jenis utama radiasi matahari, dan meskipun LET mereka sendiri kecil (sepersepuluh unit), mereka memiliki efek yang signifikan karena reaksi nuklir dan ionisasi sekunder. Ionisasi sekunder dapat terjadi langsung di daerah aktif, atau itu bisa merupakan hasil dari proton memasuki atom dari beberapa bahan dengan nomor atom yang besar - misalnya, tungsten atau tantalum. Elemen berat secara aktif digunakan dalam teknologi mikroelektronik modern, misalnya, untuk membuat kontak dari silikon ke lapisan metalisasi pertama. Ionisasi sekunder juga merupakan alasan mengapa tidak perlu mengemas chip dalam kotak timah untuk meningkatkan resistensi radiasi.



Gambar 3. Ketergantungan LET pada energi untuk berbagai jenis partikel.

Secara terpisah, ada baiknya memperhatikan inti helium (partikel alpha) - tidak hanya karena ada banyak dari mereka dalam komposisi radiasi matahari, tetapi juga karena cukup banyak sumber radiasi alpha dapat ditemukan dalam kehidupan sehari-hari.



Gambar 4. Perbandingan jumlah partikel dari berbagai jenis selama misi dua tahun di orbit, menurut Xapsos et.al., “Model untuk Energi Ion Berat Surya Kumulatif dan Spektrum Transfer Energi Linier”, IEEE TNS, Vol. 5, tidak. 6., 2007

1, 30 atau 60 MeV * cm ^ 2 / (mg) - berapa ini? Ambang batas kegagalan sel memori standar dalam teknologi 7 nm jauh lebih rendah daripada satu kesatuan, dalam 180 nm - dalam kisaran dari satu hingga puluhan. Penggunaan sirkuit khusus memungkinkan Anda menaikkan ambang, misalnya, hingga ratusan, tetapi biasanya lebih masuk akal untuk mencapai angka 15 atau 30 unit, dan menyaring sisa-sisa peristiwa langka menggunakan pengkodean tahan-noise. 60 unit adalah angka yang biasanya muncul dalam persyaratan untuk resistensi terhadap efek destruktif.

Efek perpindahan

Efek perpindahan adalah penghancuran lokal kisi kristal, yaitu, “menjatuhkan” atom dari tempat yang dituju. Energi yang dibutuhkan untuk merusak kisi kristal biasanya cukup besar, sehingga sebagian besar partikel yang lewat tidak menyebabkan efek ini. Tetapi penyebabnya mungkin reaksi nuklir sebagai akibat dari pukulan proton atau neutron, yang banyak terdapat di orbit. Cacat kisi lokal seperti itu menyebabkan penurunan mobilitas pembawa muatan, peningkatan kebisingan, dan beberapa efek lainnya. Mereka mempengaruhi chip CMOS konvensional kurang dari efek dosis "biasa", tetapi mendominasi dalam panel surya, fotodetektor, transistor daya, serta dalam semikonduktor kompleks yang tidak memiliki oksida, misalnya, gallium arsenide dan gallium nitride. Ini menjelaskan resistensi dosis tinggi mereka - mereka tidak memiliki efek yang menyebabkan degradasi chip silikon yang cepat, dan apa yang lebih lemah dan lambat. Jumlah radiasi yang menyebabkan efek bias diukur dalam partikel (biasanya proton atau neutron) per sentimeter persegi area chip.

Jadi, dengan deskripsi faktor-faktor pengaruh radiasi yang dipecahkan, sekarang mari kita lihat di mana dan dalam kombinasi apa mereka mengancam sirkuit mikro.

Apa? Dimana? Kapan?

Gambar 2 menunjukkan contoh penghitungan dosis penuh yang diatur dalam orbit yang berbeda. Selanjutnya, kita perlu membahas banyak asumsi - aktivitas matahari, bentuk, bahan dan ketebalan perlindungan dan sebagainya, tetapi secara umum, terlepas dari kenyataan bahwa gambar itu adalah kuda bulat khas dalam ruang hampa, trennya jelas: dalam orbit yang berbeda, kecepatan dosis penuh dapat bervariasi sesuai lima urutan besarnya. , , , . , . , — , , , , , the last but not least, .



, , , . , .

-, , . , , — — , , , , - . , .

, — , , , . ; , - , - , , . , .

, , , - , . , . , ; , , Apple A9, 16 TSMC 14 Samsung, , . Trusted Foundry — , - .

« ?» : «, , ». : , . , , - 3DPlus — , , ( ) , .



, . — — “”, .



5. “”.

, - ( — 500 , — 40 000 , 12 ) . “” — , - , (- ) .

2 (Si) — 5-10 (Si), 10-15 . , , — - , . , , , , , — , .



, , «», «» «» . — , — . Mil-Std-883 ( , ), — , , .. dll.

:

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» ? Ya itu. «-», , ( , ), «military», .



. , , , . — . , , , . - , — , .

, , , - , , , , , , - — . c BGA- 3D- — .



6. -.

— - ( , ), . — -, - , , , ( ). , TSMC 2018 IEEE International Reliability Physics Symposium - 7 , - , .

, — . ( , ) , , . — (Si), , . , , — . - , , -, .



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

, , . (), (bandgap voltage reference) — . , ( - -). , , , , 15-20%, - . 1% ( 7 ) 4.5 . , , , , . , , . , . , .

Di situs web salah satu pabrik mikroelektronika untuk waktu yang cukup lama ada pernyataan bahwa ketahanan radiasi tidak dapat dicapai pada standar desain di bawah 600 nm, karena "partikel bermuatan menembus silikon." Dengan kebetulan yang mengejutkan, standar desain minimum yang tersedia untuk pabrik itu hanya 600 nm. Dan seorang karyawan senior dari pabrik lain melaporkan dalam sebuah wawancara bahwa membuat microchip untuk ruang pada standar desain di bawah 90 nm adalah "secara teknologi tidak mungkin." Dan sekali lagi, itu bertepatan sehingga secara teknologi tidak mungkin untuk melakukan sesuatu dengan kecepatan di bawah 90 nm di pabrik khusus ini. Alasan pemasaran untuk situasi ini dan manfaat langsung darinya dapat dipahami, tetapi dalam jangka panjang, frasa seperti itu, yang ditujukan kepada khalayak luas, bagi saya tampaknya lebih berbahaya daripada kebaikan.

Juga, ada diskusi secara teratur yang tidak terikat dengan pemasaran yang microchip dibuat sesuai dengan standar desain lebih kasar dari batas tertentu, kebal terhadap kegagalan tunggal yang merusak (khususnya, dengan efek thyristor), yang berarti bertahun-tahun penggunaan teknologi lama tidak hanya dibenarkan, tetapi dan perlu.
Atau sebaliknya, frasa yang menyatakan bahwa sirkuit mikro dengan standar desain di bawah 250 nm kebal terhadap efek thyristor, karena mereka memiliki tegangan operasi yang sangat rendah sehingga thyristor tidak bisa dibuka. Atau ada pendapat bahwa sebenarnya masalahnya bukan pada standar desain, tetapi pada kenyataan bahwa teknologi CMOS pada dasarnya rentan terhadap radiasi (yang dikonfirmasi oleh tes yang dilakukan oleh pemohon pada tahun tujuh puluhan), dan chip yang tahan radiasi lama adalah bipolar / KNS / GaAs. Dan karena teknologi CMOS pada dasarnya buruk, tetapi semua chip modern dibuat di atasnya - ini berarti bahwa chip modern tidak stabil secara definisi, dan satu-satunya cara yang pasti bagi para astronot adalah menginvestasikan uang untuk mengingat gallium arsenide yang telah lama ditinggalkan (pada saat yang sama di pasar komersial Intel) menang) atau kembali ke logika diskrit teruji waktu. Dan bahkan lebih baik - ke lampu.

Bercahaya - berarti tua dan terbelakang?

Dalam keadilan, harus dicatat bahwa dalam rangkaian yang dilakukan pada standar desain sekitar beberapa mikron atau lebih, biasanya tidak ada efek thyristor dan kegagalan tunggal. "Biasanya", bagaimanapun, tidak berarti "selalu" dengan cara apa pun, ada contoh sirkuit lama dengan resistansi rendah terhadap efek thyristor, dan standar desain tidak menjamin apa pun. Resistensi yang tinggi terhadap kegagalan tunggal muncul hanya karena beralih elemen pada standar desain seperti itu membutuhkan banyak energi. Selama operasi normal juga, jadi saya ingin berharap mereka yang menawarkan untuk terus menggunakan chip lama untuk mencoba merakit prosesor Intel Core pada logika seri 74 dan berpikir tentang roket jenis apa yang dapat mengangkat monster yang dihasilkan ke udara.

Di sisi lain, mikroelektronika tidak hidup oleh prosesor tunggal. Ada sejumlah besar tugas yang standar desain sangat kecil tidak diperlukan atau tidak begitu wajib, dan level 500-90 nm cukup memadai. Pasar komersial global untuk sirkuit mikro pada wafer dengan diameter 200 mm (dan ini adalah standar desain 90 nm dan lebih tinggi) telah berkembang selama beberapa tahun, hingga kekurangan peralatan produksi. Microcircuit “yang telah dikembangkan lama” dan sepenuhnya baru diproduksi berdasarkan standar desain yang “ketinggalan jaman”, dan banyak pabrik siap untuk menjamin masa depan proses teknologi yang lama (tetapi tidak harus sepenuhnya invarian). Oleh karena itu, "keterbelakangan" pabrik tertentu dari TSMC bersyarat tidak berarti sama sekali ketidakmungkinan keberhasilan komersial baik dalam bidang sipil maupun khusus.

Tingginya biaya pengembangan, pembuatan, dan sertifikasi sirkuit mikro yang tahan hujan adalah sakit kepala yang bahkan lebih besar bagi produsen daripada di industri otomotif atau industri. Sirkulasi kecil (dan seringkali jika bukan ratusan, kemudian ribuan) sering menyulitkan komersialisasi perkembangan semacam itu, karena jika Anda perlu membagi satu juta dolar menjadi seribu chip (biaya pengembangannya relatif sederhana dengan standar 180 nm), maka ini adalah seribu dolar per sebuah chip, dan sertifikasi masih diperlukan, yang dapat dengan mudah menghasilkan jutaan (terutama jika Anda menguji sirkuit CMOS pada ELDRS). Dan jika Anda perlu membayar satu miliar dolar dalam jangka kecil? Itu adalah berapa banyak biaya pengembangan pada 5-7 nm. Tingginya biaya pengembangan dan sertifikasi telah mengarah pada kenyataan bahwa di seluruh dunia pengembangan bagian penting dari rangkaian mikro tahan hujan disubsidi secara langsung atau tidak langsung oleh negara. Ini sangat mengurangi jumlah proyek baru, mendorong lebih lama dan lebih inventif untuk menjual apa yang ada, dan memaksimalkan penggunaan blok IP yang terbukti. Sebagai hasilnya, microcircuits tahan hujan populer diproduksi dan digunakan selama bertahun-tahun, menciptakan ilusi bahwa semua microcircuits tahan hujan sudah tua. Dan dalam kebanyakan kasus, pelanggan puas dengan ini, karena dalam situasi di mana keandalan masih utama dalam kaitannya dengan kinerja, menggunakan kembali solusi yang sudah terbukti seringkali merupakan yang terbaik yang dapat Anda pikirkan, dan memiliki "warisan penerbangan" adalah keunggulan kompetitif yang sangat besar. Ini juga membantu untuk memperpanjang periode produksi aktif dari perkembangan yang sukses - bahkan ketika mereka sudah usang, dan ketika sudah ada pengganti. Selain itu, bahkan pemasangan analog pin-to-pin-kompatibel dalam kebanyakan kasus memerlukan setidaknya rekonsiliasi dokumentasi desain, serta maksimum tes mahal. Dan ini dalam situasi di mana tidak diperlukan pengembangan, jadi bagaimana dengan kasus ketika Anda benar-benar perlu mengulang sesuatu untuk menggunakan chip baru? Tentu saja, dalam situasi seperti itu, pengembang perangkat keras cenderung menggunakan kembali solusi yang terbukti secara keseluruhan.

Itu tidak membantu persepsi publik bahwa jalur perkembangan baru ke ruang angkasa panjang dan sulit - dan bahkan lebih lama ke berita, dan dari berita sains populer orang-orang biasa biasanya belajar tentang pencapaian industri luar angkasa. Pada 2015, ada beberapa pesan dalam bentuk "satelit New Horizons, yang mencapai Pluto, memiliki prosesor yang sama seperti di Sony PlayStation", dan awalan ini sudah berusia dua puluh tahun pada saat rilis berita. Presentasi materi yang sangat bagus dan sangat kompeten, Anda tidak akan mengatakan apa-apa. New Horizons diluncurkan pada tahun 2006, dan pengembangan proyek dimulai pada tahun 2000 - di tahun penerbangan pertama prosesor Mongoose-V, yaitu, prosesor terbaru yang tersedia dengan pengalaman yang ada di orbit. Pengembangan prosesor ini berakhir pada 1998, dan dimulai pada 1994 - persis bersamaan dengan rilis PlayStation. Berikut adalah contoh lain: prosesor arsitektur Power750 dirilis untuk aplikasi sipil pada tahun 1997, dan pada tahun 1998 iMac memulai debutnya dengan prosesor semacam itu. Pada tahun 2001, pengembangan analog tahan-rad, RAD750, selesai. Prosesor ini pertama kali menabrak kosmos pada 2005, dan baru pada 2012 setelah soft landing dari Curiosity rover di Mars. Tentu saja, kemudian ada juga beberapa berita utama kuning tentang prosesor lima belas tahun yang lalu, tetapi pengembangan proyek Curiosity dimulai pada tahun 2003, yaitu, bahkan sebelum penerbangan pertama dari prosesor RAD750.

Canggih

Terlepas dari semua hal di atas, saat ini tingkat standar desain di mana pengembangan platform komputasi untuk ruang sedang berlangsung adalah 65-45-22 nm. Chipset RAD5500 Amerika telah dimasukkan ke dalam produksi serial pada 45 nm, prosesor DAHLIA Eropa akan keluar pada 28 nm tahun depan, dan platform pengembangan ASIC yang dirancang untuk penggunaan jangka panjang sedang aktif dibuat pada 65 nm di IMEC Belgia. Pengembang Rusia juga tidak ketinggalan - peta jalan NIISI RAS tahun depan menunjukkan keluaran 65 nm dari prosesor yang tahan radiasi, dan publikasi tentang topik ini berbicara tentang menciptakan platform pengembangan, yaitu, standar desain ini memiliki masa depan yang hebat tidak hanya di Eropa tetapi juga di Rusia .

Dan bahkan pada tingkat standar desain ini, pengembangan elektronik tahan hujan tidak berhenti - jika Anda melihat isu-isu terbaru dari Transaksi IEEE pada Ilmu Nuklir, di sana Anda dapat menemukan pekerjaan yang cukup pada studi tentang transistor dengan standar desain 20-16-14 nm, mempersiapkan tanah untuk generasi baru mikroprosesor ruang. Pada standar desain ini, pengembang mengharapkan banyak hal baru dan menarik: pertama, transistor cincin tidak dapat dibuat, kedua, FinFET memiliki geometri dan isolasi saluran yang sama sekali berbeda, ketiga, ada teknologi FDSOI, yang juga memiliki kekhususan yang cukup.

Penurunan standar desain, tentu saja, mempengaruhi ketahanan radiasi dari sirkuit mikro yang diproduksi pada mereka, tetapi tidak harus menjadi lebih buruk. Kecenderungan umum adalah bahwa dengan penurunan standar desain, efek dosis penuh menurun, dan efek tunggal meningkat. Pergeseran tegangan ambang batas dalam standar desain 180 nm atau lebih rendah diukur dalam satuan atau puluhan millivolt bahkan untuk dosis besar: oksida gerbang sangat tipis sehingga muatan yang terakumulasi di dalamnya terowongan ke saluran bukannya terakumulasi. Lapisan transisi dalam teknologi dengan isolasi IMS cukup ringkas, yang dalam banyak kasus memungkinkan kebocoran rendah dengan dosis total beberapa puluh atau bahkan ratusan cradles (Si). Dan jika kita menerapkan transistor cincin dan cincin pelindung dalam teknologi volumetrik submikron yang dalam, maka kita akan segera menyingkirkan semua masalah dosis.



Gambar 8. Contoh elemen tahan radiasi DAN dikembangkan oleh Milander menggunakan teknologi SOI BCD.

Gambar 8 menunjukkan dua opsi untuk mengimplementasikan elemen logika AND yang sama untuk kondisi yang berbeda. Di sebelah kiri kita melihat isian penuh - cincin transistor pada cincin penjaga individu. Di sebelah kanan adalah pilihan yang lebih sederhana, untuk dosis total rendah: transistor linier, alih-alih cincin pengaman, hanya kontak yang baik di darat. Dan dalam kedua kasus, isolasi dielektrik dari transistor saluran-n dari saluran-p untuk melindungi chip dari efek thyristor. Dalam teknologi volumetrik, cincin pengaman menjalankan fungsi ini. Perlu dicatat bahwa untuk banyak aplikasi ruang, resistensi terhadap dosis penuh pada level 50-100 crad (Si) cukup cukup, dan transistor linier melakukan ini dengan sangat baik, tanpa memerlukan kerusakan signifikan dari parameter fungsional rangkaian untuk mencapai stabilitas.

Dengan kegagalan tunggal, situasinya adalah ini: perkiraan diameter wilayah tempat muatan dikumpulkan ketika satu partikel masuk adalah dalam urutan satu mikron, yaitu, lebih dari ukuran sel memori yang dibuat sesuai dengan standar desain submikron yang dalam. Memang, apa yang disebut beberapa kegagalan ditemukan secara eksperimental, ketika satu partikel menyebabkan pergantian beberapa bit sekaligus. Selain itu, dengan penurunan standar desain, energi yang diperlukan untuk mengganti bit memori juga berkurang, yaitu, lebih banyak hit menghasilkan kegagalan daripada chip yang dibuat sesuai dengan standar desain yang lebih kasar. Termasuk masuknya partikel alfa dari kotoran radioaktif dalam bahan struktural.



Gambar 9. Perbandingan jumlah kegagalan dari hit partikel tunggal untuk dua varian SRT 6T yang berbeda dalam teknologi dengan standar desain 65 nm. Sumber - A. Balbekov et al., "Masalah penerapan VLSI untuk teknologi CMOS 65 nm di bawah pengaruh faktor luar angkasa".

Gambar 9 menunjukkan data eksperimental pada kesalahan tunggal dalam teknologi volumetrik 65 nm. Di sebelah kiri adalah 6T-SRAM biasa. Sepuluh gangguan dari satu pukulan! Kode Hamming tidak akan melindungi Anda dari ini. Jadi, jika kita berbicara tentang sirkuit mikro komersial, maka pada standar desain kasar dengan kegagalan tunggal semuanya akan sedikit lebih baik daripada yang tipis. Paling tidak, mereka akan tetap menyendiri, dan mereka benar-benar dapat diperbaiki dengan penyandian. Tetapi jika chip tersebut khusus dibuat untuk aplikasi luar angkasa, maka arsenal pengembang memiliki sejumlah besar solusi arsitektur, sirkuit, dan topologi yang dapat memberikan daya tahan tinggi pada saat yang sama dengan kinerja tinggi. Di sisi kanan gambar juga 6T-SRAM, dengan rangkaian listrik yang sama persis, tetapi dengan topologi yang berbeda. Harga perbaikan yang menghilangkan banyak kegagalan, efek thyristor, dan meningkatkan resistensi terhadap dosis penuh adalah peningkatan empat kali lipat pada area. Kedengarannya tidak terlalu bagus, tetapi tidak ada yang mengatakan itu akan mudah. Namun demikian, Pengerasan Radiasi oleh Desain berfungsi dan memungkinkan Anda untuk mencapai indikator resistensi yang telah ditentukan pada standar desain kecil pada teknologi volumetrik apa pun.

Kenapa harus pre-set? Karena pencapaian tingkat resistensi yang berbeda memerlukan penggunaan metode yang berbeda untuk meningkatkannya, dan untuk setiap teknologi dan tugas teknis, serangkaian metode yang diperlukan berbeda. Lalu mengapa tidak menerapkannya sekaligus sehingga terasa enak? Karena pencapaian ketahanan radiasi selalu terjadi karena penurunan parameter fungsional (konsumsi energi, area kristal, kecepatan, dll.), Dan mereka adalah prioritas pertama. Itu sebabnya kami membutuhkan persyaratan yang jelas untuk spesifikasi teknis, baik dalam fungsionalitas dan daya tahan. Benar, sirkuit mikro tidak begitu sering dibuat untuk memecahkan satu masalah, terutama yang sangat stabil, di mana sirkulasi untuk masing-masing aplikasi yang tersedia bisa beberapa lusin bagian. Namun demikian, pemahaman yang baik tentang persyaratan memungkinkan, misalnya, untuk tidak menggunakan transistor cincin, sangat meningkatkan area dan konsumsi saat ini, dan pada akhirnya untuk mendapatkan produk yang lebih kompetitif.

Mata pembaca yang penuh perhatian mungkin tertuju pada kata "volumetrik" dalam frasa "indikator resistensi yang telah ditentukan pada standar desain kecil untuk setiap teknologi volumetrik." Apakah tidak berlebihan di sana? Semua orang tahu bahwa sirkuit mikro tahan radiasi perlu dibuat menggunakan teknologi "silikon pada isolator" atau "silikon pada safir".

Silikon pada isolator

Teknologi "silikon pada isolator" telah lama tertanam kuat dalam kemuliaan tahan radiasi. Akar kesalahpahaman populer ini berasal dari zaman kuno, ketika pendahulu SOI, silikon pada safir, secara aktif digunakan untuk pengembangan militer. Mengapa Transistor dalam teknologi ini dipisahkan secara elektrik satu sama lain dan, yang lebih penting, dari substrat. Ini berarti bahwa area pengumpulan muatan yang diinduksi radiasi pada paparan jangka pendek chip terhadap radiasi dengan tingkat dosis tinggi akan kecil. Ini, pada gilirannya, secara signifikan mengurangi waktu hilangnya kapasitas kerja - apa yang Anda butuhkan untuk bekerja dalam perang atom. Dan memang, tidak ada metode lain untuk mengurangi waktu hilangnya kapasitas kerja, kecuali untuk isolasi dielektrik penuh, tidak ada.

Bagian penting kedua dari mitos "SOI = resistensi terhadap kegembiraan" adalah resistensi terhadap efek thyristor, termasuk ketika terpapar pada tingkat dosis tinggi. Efek thyristor atau "latch" hampir merupakan sakit kepala utama bagi pengembang microchip dan perangkat untuk ruang, dan tidak mengherankan bahwa teknologi yang memungkinkan Anda untuk menghilangkannya telah mendapatkan ketenaran sebagai tahan radiasi. Namun dalam kenyataannya situasinya lagi agak lebih rumit.



Gambar 10. Penampang teknologi CMOS massal dengan thyristor parasit.

Penyebab efek thyristor adalah struktur thyristor parasit yang ada di dalam elemen-elemen teknologi CMOS volume. Jika resistansi Rs dan Rw cukup besar, maka struktur thyristor ini, ketika partikel bermuatan masuk, dapat membuka dan membuat hubungan pendek tanah chip dengan daya, yang, seperti yang Anda tahu, tidak baik. Berapa besar resistensi ini dalam microchip sungguhan? Jawaban untuk pertanyaan ini cukup sederhana: kontak ke substrat atau saku adalah area tambahan, sehingga mereka mencoba meminimalkan jumlah mereka. Dan ini, pada gilirannya, berarti bahwa secara default efek thyristor dalam chip "biasa" akan lebih mungkin daripada tidak. Benar, efek thyristor dapat terjadi tidak hanya dari radiasi, tetapi juga ketika terkena, misalnya, ke pelepasan elektrostatik atau bahkan hanya dari suhu tinggi dan kepadatan arus tinggi dengan topologi yang tidak berhasil. Dalam aplikasi "biasa", produsen listrik dan elektronik otomotif dihadapkan dengan efek thyristor.

Pada bagian yang signifikan dari sistem ruang, reboot cukup dapat diterima jika terjadi keadaan yang tidak terduga, yaitu, Anda dapat mencoba menggunakan chip yang rentan terhadap "latching" dengan meletakkan rangkaian kontrol daya di catu daya dan reset daya jika normanya terlampaui. Ini, pada kenyataannya, secara teratur dilakukan dalam situasi di mana sangat diperlukan untuk menggunakan microcircuit komersial berkinerja tinggi, dan chip perlindungan dari efek thyristor (Latchup Current Limiter) adalah produk tahan radiasi yang agak populer. Tetapi solusi seperti itu memiliki banyak keterbatasan. Anda dapat mengatur ulang daya tidak di mana-mana dan tidak selalu, reboot dalam proses melakukan manuver penting dapat mengakhiri misi panjang. Konsumsi saat ini dari rangkaian mikro modern dapat bervariasi berkali-kali tergantung pada mode operasinya, yaitu konsumsi dalam mode "tidak ada yang terjadi dan ada kait" bisa kurang dari dalam kasus operasi reguler dalam mode lain. Pada level apa batas saat ini ditetapkan? Itu juga tidak jelas. Waktu yang diperlukan untuk mematikan daya dan mencegah kerusakan chip tergantung pada banyak faktor, termasuk chip spesifik. - , , - - .

, , , . — , . , , , , . , , «».



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

? , , «», , - . -. — n- , — . ( , ), .



12. .

. , , . «» ( 12), , , «-» — , — , . ( , — ), «» n- . , . , . , , - ?

, , ? , . (FDSOI) 45-28 . , , . , , , ! , , , , , « » , 100 (Si). , . ( ) , .

. , , ( ). , («») , . pn- -, --, , , . 1 *^2/(), . , — /. , -, ( ), -, — , , . - , . 4-8 , , . , , . , , .

« » , « », . , . , «» «» .

Kesimpulan

, - . . , . , - , . , , . , , , , , — , , , , .