若何打造防辐射的芯片？
发布日期：2024-10-29 05:18 点击次数：161
（原标题：若何打造防辐射的芯片？）
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昨天，NASA凯旋放射了木卫二快艇，这是该机构为行星探伤任务建造的最大航天器。快艇现时已凯旋启动为期数年的木卫二之旅，船上装载着用于运筹帷幄木星卫星缓助生命后劲的建造——但就在几个月前，这项任务险些注定要失败。7 月，NASA 的运筹帷幄东谈主员发现，木卫二快艇上的一组晶体管在木星的顶点辐射水平下会失效。他们花了数月时间测试建造、更新航行轨迹，并最终在职务进展经由中添加了一个警告“金丝雀箱”来监测辐射的影响。
“金丝雀盒是一个相配符合逻辑的工程责罚决策”， IEEE 院士、阿肯色大学电气工程熏陶Alan Mantooth说谈。但理思情况下，它压根不需要。要是 NASA 早点发现这些晶体管的问题，或者在电路瞎想中内置监控功能，就不会发生这种终末一刻的宏大。“这是一个灵巧的补丁，”Mantooth 说谈，“但它仅仅一个补丁。”
自 20 世纪 60 年代以来，科学家一直在对电子建造进行“抗辐射加固”，瞎想它们使其简略在放射性环境中职责。但跟着天外任务变得越来越攫金不见人，抗辐射加固时间也必须不休发展。“这有点像蚁合安全，”曼图斯说。“你老是试图作念得更好。总有更恶劣的环境。”
英飞凌公司崇拜航空航天和国防形貌标工程师Eric Faraci暗示，跟着 SpaceX 等公司的快速发展，航天行业正处于“一个巨大的转化点” 。“咱们以前觉得理所自然的一切，比如作念事的方法、可秉承的东西、最好实施，当今王人受到了质疑。”
在将来的天外探索中，咱们将看到更多接收替代半导体（如碳化硅、专用 CMOS 晶体管、集成光子学和新式抗辐射存储器）制成的系统。以下是下一代抗辐射时间的指南。
碳化硅的超宽带隙
佛罗里达大学的运筹帷幄员张恩霞 (Enxia Zhang)暗示，如今航天器中的大部分功率器件王人使用硅行为半导体，但下一代器件将使用碳化硅，张恩霞从事抗辐射微电子时间开导已有 20 多年。碳化硅的抗辐射才智更强，因为它的带隙更宽，带隙是电子从拘谨在原子核上滚动为参与传导所需的稀奇能量。硅的带隙为 1.1 电子伏特，而碳化硅的带隙为 3.3 至 3.4 电子伏特。这意味着需要更多的能量来烦躁碳化硅的一个电子，因此杂散辐射不太可能作念到这少量。
张先生说，碳化硅芯片现时正在坐褥中，NASA 每周王人会召开会议，测试这些芯片是否可用于天外任务。NASA 的碳化硅建造有望在将来用于月球和金星任务。
英飞凌公司的 Faraci 暗示，“东谈主们当今正在航行碳化硅”建造。他们通过在远低于地球上瞎想参数的参数下使用这些建造来躲避范例零落的问题，这种时间称为降额。
另一种具有适应宽带隙的半导体是氮化镓（3.2 eV）。它最常见于LED中，也用于札记本电脑充电器和其他低功耗破钞电子家具。Faraci 暗示，诚然它是一种用于天外诓骗的“相配令东谈主欣喜”的材料，但它仍然是一种新材料，这意味着它必须经过深广测试才能被信任。
曼图斯说，氮化镓最安妥低温环境，比如火星或月球的后头。但“要是咱们在水星上作念某事，或者在太阳隔壁作念某事——任何高温物体……碳化硅便是最好采选。”
用于瞎想抗辐射 CMOS 的绝缘体上硅瞎想和 FinFET。
新材料并不是抗辐射领域的独一前沿；运筹帷幄东谈主员也在探索瞎想硅晶体管的新方法。两种 CMOS 坐褥方法照旧具有抗辐射形势：绝缘体上硅(SOI) 和鳍式场效应晶体管(FinFET)。这两种方法王人旨在醒目一种称为单粒子效应的辐射毁伤，即高能粒子撞击电子建造，将其电子震到不该在的方位并翻转位。
在浅薄体 CMOS 中，电开放过通谈从源极流到漏极，栅极充任开关，拦阻或允许电流流动。这些位于硅的顶层。辐射不错引发硅中更深层的电荷，绕过栅极的法子，并允许电流在不应该流动时流动。辐射加固方法通过拦阻这些引发电子的开放来阐扬作用。
SOI 瞎想在源极和漏极下方添加了一层绝缘体（如氧化硅），这么电荷就无法庸俗流过通谈下方。FinFET 瞎想将漏极、源极和它们之间的通谈熏陶为一个或多个 3D“鳍片”。引发电荷当今必须向下、绕过并向崇高动才能绕过栅极。FinFET 还自然地违背另一种形势的辐射毁伤：总电离剂量，当带电粒子缓缓积贮改换器件通谈和栅极之间绝缘层的性质时，就会发生这种情况。
坐褥 SOI 器件和 FinFET 的时间照旧存在了几十年。亚利桑那州立大学电气工程熏陶 Hugh Barnaby 暗示，在 21 世纪，它们在抗辐射加固方面的诓骗并未几，因为电路瞎想师仍然不错使用浅薄的块状 CMOS 器件，从而镌汰电路瞎想和布局中的辐射风险。但最近，跟着 CMOS 器件变得越来越小，因此更容易受到辐射，东谈主们对坐褥这些自然抗辐射的 CMOS 器件再行产生了兴味，即使它们愈加专科和腾贵。
Barnaby 正在与一个团队相助，竭力于于提高 FinFET 的抗辐射才智。他们发现，增多更多鳍片不错提高器件法子电流的才智，但会镌汰其抗辐射才智。当今，他们正在竭力再行陈设鳍片的位置，以最大抛弃地提高抗辐射电路的有用性。“咱们还莫得作念到这少量，”Barnaby 说，“但我肯定它会起作用。”
用于高带宽、更快数据传输的光子系统
光子系统使用光而不是电子来传输信息，何况耗能很少。举例，互联网使用光纤来快速传输深广数据。佐治亚理工学院电子学熏陶约翰·克雷斯勒暗示，在以前十年中，运筹帷幄东谈主员照旧开导出硅光子集成电路，现时用于数据中心的高带宽信息传输，但也使咱们简略在航天器中传输深广数据。
克雷斯勒说：“要是你思思天外中的某些系统，它们可能是遥感或通讯系统，它们会网罗或挪动深广数据，而这在光子学中更容易作念到。”
最好的部分是什么？光子集成电路天生具有抗辐射才智，因为它们的数据传输是使用光子而不是电子进行的。高能量剂量的辐射不会像电子那样温柔光子，因为光子不带电。
克雷斯勒展望集成光子学将在将来两年内诓骗于航天器。“好意思国宇航局和[好意思国国防部]，致使营业天外[公司]王人对光子学相配感兴味，”他说。
天外中的非蒸发性存储器
天外抗辐射的另一个有出路的运筹帷幄领域是新式非易失性存储器。盘算机时常使用静态马上存取存储器 (SRAM) 或动态马上存取存储器 (DRAM)。这些王人是易失性存储器，这意味着一朝断电，它们就无法存储其现象。但非易失性存储器简略记着它们的现象。它们不需要捏续供电，因此不错镌汰功耗需求。
现时，天外用非易失性存储器领域有两大领跑者：磁阻 RAM (MRAM) 和电阻 RAM (ReRAM)。MRAM 使用磁态来存储数据，而 ReRAM 使用一种称为忆阻的特质。这两种时间的瞎想王人具有抗辐射才智；辐射不会影响 MRAM 的磁场或 ReRAM 的电阻。
范德堡大学空间与国防电子运筹帷幄所长处Michael Alles暗示：“电阻式 RAM 是有望杀青神经形态、呆板耗盘算的时间之一。”这是一种受大脑职责模式启发的盘算形势。卫星时常不具备处理深广自身数据的才智，必须将其发还地球。但由于基于忆阻器的电路功耗较低，卫星不错在卫星上进行盘算，从而从简通讯带宽和时间。
尽管仍处于运筹帷幄阶段，张熏陶预测，在将来 10 到 15 年内，咱们将在天外中看到非蒸发性存储器。前年，好意思国天外部队与西部数据订立了价值 3500 万好意思元的公约，用于开导非蒸发性抗辐射存储器。
警告与但愿
但是，阿勒斯警告说，这些新时间的信得过稽察不是它们自身的推崇若何，而是若何将它们整合成一个系统。你老是要问：“薄弱要领是什么？”要是一个功能强盛且抗辐射的存储建造依赖于一个在辐射下失效的硅晶体管，那么它就绝不必处了。
跟着天外探索和卫星放射不休增多，抗辐射关于咱们的瞎想只会变得愈加迫切。“令东谈主欣喜的是，跟着咱们才智的提高，咱们简略去往以前无法去的方位，并在哪里停留更万古期，”曼图斯说。“咱们当今还不可将电子建造送入太阳。但有一天，也许咱们不错。”
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