Обычный современный процессор отлично чувствует себя в смартфоне, ноутбуке или сервере, но в космосе его ждут совсем другие условия. За пределами защитного слоя земной атмосферы электронные компоненты постоянно подвергаются воздействию космического излучения. Даже одна высокоэнергичная частица может изменить состояние отдельного бита, повредить данные или вывести микросхему из строя.
Американская компания BAE Systems получила $16 млн государственного финансирования на развитие технологии RH45 — радиационно-стойких 45-нанометровых полупроводников. Проект должен продемонстрировать и квалифицировать эту технологию для применения в спутниках и другой космической аппаратуре. Одновременно США рассчитывают укрепить собственную производственную базу для выпуска защищенной микроэлектроники.
Почему обычные микросхемы плохо работают в космосе
Современные коммерческие процессоры становятся всё меньше и плотнее. Это дает очевидные преимущества по производительности и энергопотреблению, но есть и обратная сторона: чем меньше элементы микросхемы, тем сильнее на них могут влиять небольшие электрические заряды, возникающие при прохождении высокоэнергичных частиц.
В космосе источников такого воздействия достаточно. Солнечные частицы и галактические космические лучи способны вызывать так называемые одиночные сбои (single-event upsets) — например, менять состояние бита памяти. В более тяжелых случаях радиация может привести к повреждению транзисторов и других элементов чипа.
Последствия для космического аппарата могут быть серьезными: ошибка в памяти способна нарушить выполнение программы, вызвать перезапуск компьютера или привести к потере управления системой.
Подобные проблемы уже становились одним из факторов космических неудач. В частности, при расследовании аварии российской межпланетной станции «Фобос-Грунт», запущенной в 2011 году, среди возможных причин рассматривалось воздействие космического излучения на незащищенную коммерческую электронику, включая память бортового компьютера.
Как работает радиационная защита микросхем
Чтобы электроника могла годами работать на орбите или в дальнем космосе, инженеры применяют специальные методы радиационного упрочнения (radiation hardening).
Один из них — технология кремний-на-изоляторе (Silicon-on-Insulator, SOI). В такой конструкции активные элементы полупроводника отделены от основной кремниевой подложки изолирующим слоем. Это помогает уменьшить влияние нежелательных электрических зарядов, возникающих под действием радиации.
Но одной архитектуры недостаточно. Радиационно-стойкие микросхемы проектируют с учетом целого комплекса потенциальных повреждений. Инженерам приходится искать баланс между устойчивостью к излучению, производительностью, энергопотреблением, площадью кристалла и стоимостью производства.
Технология RH45 BAE Systems сочетает 45-нанометровый технологический процесс с SOI и специальными методами проектирования. В результате получается платформа, на основе которой можно создавать микросхемы, рассчитанные на эксплуатацию в радиационно насыщенной среде.
Что такое RH45 Storefront
Одной из наиболее интересных составляющих проекта станет RH45 Storefront — своеобразная библиотека готовых радиационно-стойких компонентов.
Представим, что инженерам нужно создать специализированную микросхему для нового спутника. Вместо разработки каждого базового элемента с нуля они смогут использовать уже протестированные блоки RH45 и собрать из них собственную ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) — специализированную интегральную схему, предназначенную для конкретной задачи.
Такой подход значительно сокращает объем повторной инженерной работы. При этом заказчик получает возможность адаптировать микросхему под нужные функции, сохраняя требования к радиационной стойкости.
«Гибкость проектирования важна при поддержке космических миссий», — отметил Джо Дзезински (Joe Dziezynski), директор продуктовой линейки Space Systems компании BAE Systems. По его словам, библиотека RH45 ASIC предоставляет заказчикам проверенные возможности для создания специализированных решений с необходимой радиационной защитой.
Где пригодятся защищенные чипы
Область применения такой электроники гораздо шире обычных спутников.
Для межпланетных аппаратов надежный бортовой компьютер особенно важен: сигнал от Земли до удаленной станции может идти десятки минут, а иногда и значительно дольше. Аппарат должен самостоятельно обрабатывать данные датчиков, контролировать системы и выполнять навигационные задачи. Возможность быстро заменить неисправный процессор, как в наземном дата-центре, здесь просто отсутствует.
Радиационно-стойкие микросхемы также могут использоваться в спутниках национальной безопасности, системах наблюдения, аппаратуре обнаружения угроз и защищенной связи. Коммерческие спутники могут применять их в метеорологических системах и телекоммуникационных сетях, где продолжительный простой оборудования обходится дорого.
При этом RH45 уже выходит за рамки лабораторной разработки. BAE Systems интегрирует эту технологию в следующее поколение одноплатных компьютеров Endura, предназначенных для работы на орбите. Компания рассчитывает получить сочетание высокой производительности и сравнительно низкого энергопотребления.
Производство возвращают в США
Проект имеет еще одно важное измерение — производственное.
Микросхемы RH45 будут выпускаться с использованием 45-нанометрового SOI-процесса на предприятии GlobalFoundries в Мальте, штат Нью-Йорк. Это позволяет производить критически важную микроэлектронику внутри США и уменьшать зависимость от зарубежных цепочек поставок.
После изготовления окончательная сборка, корпусирование и тестирование RH45 будут проходить на предприятии BAE Systems Space Systems в Манассасе, штат Вирджиния. Оно имеет статус аккредитованного источника доверенной микроэлектроники категории 1A.
Почему это важно для космической электроники
Космическая техника становится всё более зависимой от вычислительных систем. Спутники должны самостоятельно анализировать данные, управлять аппаратурой и реагировать на изменения окружающей среды. При этом ремонтировать их в большинстве случаев невозможно.
Поэтому космическая электроника развивается не только в сторону большей производительности, но и в сторону выносливости. Радиационно-стойкий процессор может оказаться менее современным по нормам массовой потребительской электроники, зато способен годами выполнять свою работу там, где обычный чип рискует получить критический сбой.
Финансирование BAE Systems направлено именно на создание такой надежной элементной базы. Если RH45 пройдет необходимые квалификационные процедуры, у американских разработчиков космической и оборонной техники появится стандартизированная платформа для создания целого семейства радиационно-стойких специализированных микросхем.
