Физики ищут способы защиты электроники спутников от космических частиц

МОСКВА, 16 ноя — РИА Новости. Коллектив кафедры микро- и наноэлектроники Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" представил новую методику, позволяющую предсказывать сбои интегральных микросхем в космосе. Статья о проведенном исследовании опубликована в авторитетном научном журнале "IEEE Transactions on Nuclear Science".

Обеспечение надежной работы микросхем в космосе – важная научная и экономическая задача. Для того, чтобы современные метеоспутники, спутники связи и наблюдения за Землей были экономически эффективными, они должны работать на орбите как минимум 10-15 лет. Распространенная причина, по которой спутники выходят из строя раньше этого срока – отказ бортовой электроники. Обычная земная электроника для космических условий слишком ненадежна. Поэтому для космонавтики электронику либо изготавливают по специальной технологии, либо отбирают и испытывают особым образом. Все это требует глубокого понимания физических процессов, происходящих внутри схем, и мотивирует ученых разрабатывать математические методы, точно предсказывающие поведение таких схем в различных условиях.

Высокую важность здесь имеют так называемые "одиночные эффекты": ошибки электронных схем, вызванные воздействием отдельных высокоэнергетических космических частиц из радиационных поясов Земли или глубин Галактики. Проблема одиночных сбоев возникла еще в начале 80-х годов, когда размеры микроэлектронных компонентов составляли около микрона (одна миллионная доля метра). 

Особую остроту этой проблеме придает тот факт, что электронике в космосе невозможно обеспечить физическую защиту от высокоэнергетических частиц из-за их высокой проникающей способности. Для таких сбоев активно разрабатывались методы предсказания их частот в заданных условиях, а также программные и аппаратные методы борьбы с ними.

Однако за последние 30 лет ситуация кардинально изменилась. Уменьшение размеров элементов интегральных схем до нанометрового масштаба привело к тому, что распространились множественные сбои: ситуации, при которых одна космическая частица (например, ион или протон) может одновременно вызывать ошибки сразу в нескольких логических элементах или ячейках памяти, что приводит к сбоям либо необратимым повреждениям электросхемы. Такого рода сбои очень сложно исправлять из-за неопределенности их кратности: то есть, числа сбоев от одной космической частицы.

Решая эту проблему, специалисты из Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" в серии исследований 2015-2017 годов разработали новую методологию, позволяющую обрабатывать результаты наземных экспериментов и программировать расчеты частоты сбоев. Она дает возможность прогноза с учетом новых физических, технологических и программных аспектов, которые характерны для наноразмерных (с технологической нормой менее 100 нм) интегральных схем самого современного образца.

"Все дело в нелокальности воздействия: одна космическая частица способна "накрыть" сразу несколько элементов интегральных схем", — рассказывает один из авторов исследования, профессор Геннадий Зебрев, — "именно нелокальность множественных событий и неопределенность в их кратности не позволяет предсказывать частоту сбоев и парировать ошибки старыми методами. Причем дальнейшая миниатюризация элементов и усложнение архитектуры интегральных схем может привести к дальнейшему обострению этой проблемы. Потому мы предложили такую методику для обработки результатов экспериментальных испытаний и расчета частот сбоев, которая позволяет развести сбои по кратностям, а также быстро и надежно оценить их частоты на заданных космических орбитах".

Возможность расчета частоты ошибок разной кратности – необходимое условие для создания новых программных алгоритмов, которые могли бы эффективно парировать множественные сбои в космосе. Работу в этом направлении коллектив НИЯУ МИФИ ведет совместно с НИИ системных исследований РАН.