Микроэлектроника и космическое излучение
Пустой космос?
Представьте себя астронавтом. Вы покидаете плотные слои атмосферы и устремляетесь к неизведанным мирам в космическое путешествие. Перед вами бесконечная пустота и необъятный космос. Но так ли тут пусто? Вы на миг закрываете глаза и вдруг видите вспышку. Может это мигнула аварийная лампочка прибора? Нет, все идет в штатном режиме. Закрываете снова – опять вспышка. Раз в пару минут яркое световое пятнышко сквозь закрытые веки. Что это? Может накопившаяся усталость или игра воображения? Но вскоре выясняется, что это видите не только вы, но и все члены экипажа.
Согласитесь, звучит как трейлер фантастического фильма, но на самом деле с такой ситуацией столкнулись участники легендарной миссии «Аполлон-11», впервые побывавшие на луне. После этого почти все члены экипажей космических кораблей «Аполлон» рассказывали про такие световые пятна. Вскоре к разгадке этой тайны подключились ученые, и ответ нашелся.
Разгадка оказалась проста. Космос оказался не таким пустым как многие считают. На самом деле он наводнен маленькими заряженными частицами – в основном протонами. Но встречаются и электроны, и ядра гелия, и другие более тяжелые частицы. Частицы очень разных энергий летят от нашего Солнца. Какие-то летят от звезд нашей галактики Млечный Путь. Есть частицы из глубин межзвездного пространства и даже из других галактик. Именно заряженные частицы, попадая на сетчатку глаза, оставляют яркие вспышки, которые и наблюдали астронавты из миссий «Аполлон».
Микроэлектроника и космическое излучение
Космические лучи очень опасны. И они могут влиять не только на людей, но и на электронные приборы. Угроза настолько серьезная, что в микроэлектронике есть отдельное направление – радиационно-стойкое проектирование. Целое научное направление изучает, как заряженные частицы влияют на интегральные схемы, какие лучше использовать материалы, как нужно экранировать и проектировать чипы, чтобы частица не приводила к нарушению работы. Если кто-то думает, что можно просто положить микросхему в толстый свинцовый корпус, и проблема решена, то он ошибается. Частицы высоких энергий прошивают и обшивку космического корабля, и свинцовый корпус, создавая лавину вторичных частиц, которые поражают микросхему, как осколки от шрапнели. Поэтому, если мы хотим, чтобы на космических аппаратах были микроэлектронные устройства, нужно придумывать более тонкие конструктивные, технологические и архитектурные подходы.
А что на Земле?
А что же защищает нас от этой беспощадной угрозы на Земле? Многие думают, что это наша атмосфера. Однако не все так просто. Главный наш защитник – это магнитосфера. Если сильно упрощать, то можно сказать, что внутри земли находится огромный магнит – диполь, а его полюса почти совпадают с географическими – северным и южным полюсом. Магнитное поле, которое создает этот магнит как защитная оболочка вокруг Земли, экранирует большую часть заряженных частиц. Без этого поля не было бы ни атмосферы, ни океанов, ни жизни на Земле. Если хотите представить себе, что было бы с землей без магнитосферы – посмотрите на Марс. Считается что его атмосферу и океаны просто «сдуло» солнечным ветром.
Магнитное поле почти не пропускает заряженные частицы к поверхности, но и не может отразить их все обратно в космос. Значительная часть застревает посередине – в радиационных поясах Ван Аллена. Всего таких пояса два – внутренний (на расстоянии 4000 км из протонов) и внешний (на расстоянии 17 000 км из электронов). А над Бразилией есть аномалия – она так и называется Бразильская Магнитная Аномалия (БМА). Там «защитный слой» магнитосферы истончается и космические аппараты, пролетающие на низких орбитах, оказываются беззащитными перед потоками космической радиации. Пролетая над такими аномалиями, аппараты вынуждены отключать всю аппаратуру чтобы уберечь ее от повреждений.
Все ли в порядке с микроэлектроникой на Земле?
Конечно, на поверхности Земли проблема космического излучения стоит не так остро. Но значит ли это, что радиационной стойкостью для микроэлектроники можно пренебречь? Нет. Существуют такие области, в которых всего одна ошибка может стоить очень дорого. Медицина, транспорт, энергетика – даже небольшой сбой контролирующего оборудования может привести к катастрофическим последствиям. Даже крохотный шанс такой ошибки недопустим. А такой шанс есть.
В 2003 году в Бельгии проходили выборы. Граждане голосовали с использованием магнитных карт, которые получал каждый избиратель. Внимание привлекло необычное событие. В городке Схарбеке, кандидат в местные органы управления Мария Виндевогель победила со значительным отрывом, набрав намного больше голосов, чем количество людей, которые могли голосовать в ее избирательном округе. После ручного пересчета голосов оказалось, что в реальности ее результат был меньше на 4096 голосов! Такая разница могла получиться из-за изменения всего одного бита в регистре, который хранил результат Марии. После долгих разбирательств был сделан вывод, что самая вероятная причина ошибки – это попадание одиночной заряженной частицы в незащищенный триггер. Всего одна частица могла перевернуть исход выборов! Можно только догадываться, на что еще способны эти маленькие частицы, если их оставить «без присмотра».
Радиационно-стойкое проектирование интегральных схем
Рассказать про внештатные ситуации на Земле, в небе и в космосе, причиной которых явились последствия воздействия заряженных частиц на микроэлектронику, можно долго. Это и возгорания мобильных устройств, и аварии из-за сбоев автопилотах современных автомобилей и многое-многое другое. Но главный вывод, который мы должны сделать из этих ситуаций, такой: нужно обязательно разрабатывать радиационно-стойкую микроэлектронику – и для космоса, и для Земли. Благо, что этому успешно обучают в российских вузах: например, у нас в МИЭТе, на кафедре проектирования и конструирования интегральных микросхем.
Почти 40 лет кафедра ПКИМС является ведущей в МИЭТе по разработкам систем автоматизированного проектирования больших интегральных схем. За это время было налажено сотрудничество с крупнейшими научными организациями, предприятиями и дизайн-центрами, и поэтому студенты ПКИМС имеют возможность не только наблюдать за процессами создания радиационно-стойких интегральных схем и изобретением новых методов и подходов, но и работать над собственными проектами и исследованиями, получая поддержку и со стороны преподавателей, и со стороны бизнес-сообщества.
Материал подготовлен Дмитрием Владимировичем Тельпуховым, профессором кафедры ПКИМС