Популярні омани про радіаційну стійкість мікросхем. Частина 1

0
68

Приблизно у кожної другої теми на Хабре, що стосується космонавтики або електроніки, спливає тема радіаційної стійкості. Через новини про вітчизняній космонавтиці червоною ниткою проходить тематика імпортозаміщення радстойкой елементної бази, але в той же самий час Елон Маск використовує звичайні дешеві чіпи і пишається цим. А изральтяне в «Берешите» використовували радстойкий процесор і теж пишаються цим. Та й в принципі мікроелектронна галузь в Росії живе, здебільшого, за рахунок держзамовлення з відповідними вимогами. Спостереження за регулярними спорами щодо того, як треба правильно будувати супутники, показує, що підготовка учасників зазвичай невисока, а їх аргументація обтяжена стереотипами, випадково почутими вирваними з контексту фактами і знаннями, застарілими багато років тому. Я подумав, що читати це більше немає сил, тому, дорогі аналітики, влаштовуйтеся зручніше на своїх диванах, і я почну невеликий (насправді великий) розповідь про найбільш популярних помилках на тему того, що таке радіаційна стійкість інтегральних мікросхем.

Малюнок 1. Неодмінна красива картинка про космічне випромінювання і тендітну Землю.
Найпопулярніші тези щодо радіаційної стійкості, використовувані в навколокосмічних спорах, виглядають приблизно так:

  • Радстойкие мікросхеми не потрібні. Кубсаты прекрасно літають на звичайних, на МКС стоять звичайні ноутбуки Lenovo Dragon стоять звичайні мікросхеми, та навіть NASA в Orion поставило звичайні мікросхеми!
  • На супутники цілком можна ставити дуже старі мікросхеми, аж до «рассыпухи», ніяка серйозна продуктивність там не потрібна. Зате без радстойкости нікуди, тому і літають на мотлох.
  • Теза, що доповнює попередній: радстойкие мікросхеми в принципі не можна зробити на низьких проектних нормах, тому і застосування перевірених часом компонентів не просто виправдано, але й необхідно.
  • Для того, щоб мікросхема була радстойкой, необхідно і достатньо зробити її за технологією «кремній на ізоляторі» або «кремній на сапфірі».
  • Всі «військові» мікросхеми — радстойкие, а всі радстойкие — «військові».
  • Як бачите, деякі з цих тез прямо суперечать один одному — що регулярно і служить предметом спору або причиною для далекосяжних невірних висновків.
    Почати розмову треба з важливого дисклеймера: радіаційна стійкість не є центром світу і єдиним якістю, яким повинна володіти підходить для використання в космосі або інший агресивному середовищі мікросхема. Радіаційна стійкість — це лише одна вимога з довгого ряду, що включає надійність, розширений температурний діапазон, стійкість до електростатичного розряду, вібростійкість — і достовірне підтвердження всіх перерахованих вище параметрів, тобто тривалу і дорогу сертифікацію. Важливо все, що може не дозволити чіпу пропрацювати весь необхідний термін служби, причому більшість застосувань радстойких чіпів передбачають неможливість ремонту або заміни. З іншого боку, якщо по одному з параметрів щось не так, конструктор кінцевого виробу часто може знайти спосіб обійти обмеження — поставити саму чутливу до дозі радіації мікросхему за товсту стінку, моніторити струм споживання вразливого до тиристорному ефекту чіпа і скидати його харчування при необхідності, або термостатировать чіп з вузьким температурним діапазоном. А може не знайти, і єдиним способом вирішити поставлене завдання буде замовлення нової радстойкой ASIC.
    Також корисно пам’ятати, що розробники систем спеціального призначення — такі ж люди, як і будь-які інші розробники. Багато хто з них теж люблять писати до вчорашнього дедлайну наповнений милицями код і використовувати залізо потужніше, щоб він точно на ньому заробив; деякі і Ардуїнов б використовували, якщо б воно було відповідним чином сертифіковане. І, зрозуміло, люди, які ставлять завдання розробникам систем спеціального призначення і розробникам мікросхем для них, рідко соромляться у вимогах до надійності і продуктивності, і до радстойкости. Тому сучасні проектні норми на супутниках ще як потрібні — хочеться і великі обсяги DRAM, і багатоядерні процесори, і самі сучасні ПЛІС. Я вже згадав вище про те, що наслідки поганої радіаційної стійкості та інших потенційних проблем можна принаймні частково обійти, тому від застосування всього цього пишності розробників більшою мірою утримує нічого відсутність даних про те, що саме треба обходити, ніж комерційний статус чіпів.
    Радіаційні ефекти
    Поняття «радіаційна стійкість» і «радиационностойкая мікросхема» — це грандіозні спрощення. Насправді існує багато різних джерел іонізуючого випромінювання, і вони можуть впливати на функціонування електронних приладів по-різному. Відповідно, для різних застосувань необхідна стійкість до різним наборам впливаючих чинників і різними рівнями впливу, тому що «стійка» мікросхема, призначена для роботи на низькій навколоземній орбіті зовсім не зобов’язана нормально працювати при розборі завалів у Чорнобилі.
    Іонізуюче випромінювання називається іонізуючим, тому що виділення в об’ємі речовини енергії при гальмуванні прилітають частинок іонізує речовина. У кожного матеріалу своя енергія, необхідна для іонізації і створення електронно-діркової пари. Для кремнію це 3.6 ев, для його оксиду — 17 ев, для арсеніду галію — 4.8 ев. Також прилетіла частинка не може іонізувати атом, а «зрушити» його з правильного місця в кристалічній решітці (в кремнії для цього потрібно передати атому 21 ев). Створені в речовині електронно-діркові пари можуть по-різному впливати на електричні та фізичні властивості та на поведінку електричної схеми. Радіаційні ефекти можна розділити на чотири великі групи: ефекти повної поглиненої дози, ефекти потужності дози, ефекти, викликані попаданням частинок, і ефекти зсуву. Це розділення — до деякої міри умовність: наприклад, опромінення потоком важких іонів, які викликають поодинокі ефекти, призводить і до набору повної поглиненої дози.
    Дозові ефекти
    Повна поглинена доза випромінювання вимірюється в радах, із зазначенням речовини, що поглинає випромінювання. 1 радий = 0.01 Дж/кг, тобто кількість енергії, выделившееся в одиниці маси речовини. Рідше використовується одиниця вимірювання Грей, рівна 100 рад (або 1 Дж/кг). При цьому важливо розуміти, що поглинена доза в різних речовинах буде відрізнятися для одного і того ж кількості іонізуючих частинок, випущених джерелом радіації (це експозиційна доза). У випадку з кремнієвими мікросхемами потрібний матеріал — це оксид кремнію, тому що вплив на нього, а не на кремній, в основному впливає на електричні характеристики схеми, так як рухливість дірок в SiO2 при нормальній температурі настільки мала, що вони накопичуються в оксиді, створюючи вбудований позитивний заряд. Типові рівні дозового стійкості комерційних мікросхем лежать в діапазоні 5-100 крад(Si), затребувані покупцями рівні радіаційної стійкості починаються на 30 крад(Si) і закінчуються десь в районі 1 Град(Si), в залежності від призначення мікросхем. Смертельна доза для людини — близько 6 Грей.
    Популярные заблуждения про радиационную стойкость микросхем. Часть 1 технологии,электроника
    Малюнок 2. Приклади розрахунків набору повної поглиненої дози за 10 років на різних кругових орбітах за захистом до 1г/см^2. Джерело — Н.В. Кузнєцов, «Радіаційна небезпека на навколоземних орбітах і міжпланетних траєкторій космічних апаратів».
    Ефекти впливу повної дози пов’язані з накопиченням цього позитивного заряду в діелектриках і проявляються в КМОП-схеми кількома основними шляхами:

  • Зсув порогового напруги транзисторів, що виникає із-за накопичення позитивного заряду в подзатворном діелектрику і зміни електричного поля в каналі транзистора. У n-канальних транзисторів поріг зазвичай зменшується (але залежність може бути немонотонній), а у p-канальних збільшується, причому величина зсуву має кореляцію з товщиною підзатворного оксиду, тобто з проектними нормами. Пороги транзисторів у схемах з грубими проектними нормами можуть змінитися настільки, щоб послужити причиною функціонального відмови (n-канальні транзистори перестають закриватися, p-канальні — відкриватися); в субмікронних технологіях цей ефект менш важливий, але в аналогових схемах здатний доставити багато головного болю.
  • Виникнення некерованого струму витоку. Він може текти з витоку транзистора в його ж сток або в сусідній транзистор. Причина витоку — накопичення позитивного заряду, але тільки не в подзатворном діелектрику, а в товстому изолирующем. Фактично, паралельно основному транзистору формується паразитний транзистор, напруга на затворі якого управляється дозою радіації. Прояв цього ефекту визначається особливостями геометрії переходу від підзатворного діелектрика до ізолюючому, тобто в набагато більшій мірі залежить від конкретної технології, ніж від проектних норм.
  • Зменшення рухливості носіїв заряду через накопичення дефектів, на яких розсіюються носії заряду. Вплив цього фактора на субмікронні цифрові схеми на кремнії невелика, але він більш важливий для силових транзисторів, у тому числі на складних напівпровідниках (нітриду галію і карбіду кремнію).
  • Збільшення 1/f шуму, викликана паразитними крайовими транзисторами. Воно важливо для аналогових і радіочастотних схем. Значення цього ефекту зростає із зменшенням проектних норм, коли вплив інших дозових ефектів зменшується.
  • У біполярних схемах основний дозовий ефект — зниження коефіцієнта посилення, викликане зростанням базового струму із-за витоку з емітера в базу за межі кремнію і пасивуючого оксиду. Інший специфічний для біполярних транзисторів дозовий ефект полягає в тому, що вони можуть (не обов’язково) реагувати не тільки на рівень набраної дози, але і на швидкість її набору — чим повільніше набирається доза, тим гірше стійкість. Цей ефект називається ELDRS (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity) і він сильно ускладнює і здорожує тестування, причому часто не тільки біполярних, але і КМОП-схем — тому що в них теж іноді бувають біполярні транзистори і тому що простіше змусити всіх тестуватися одноманітно, ніж розбиратися, де ELDRS може бути, а де ні.
    Потужність дози
    Інша частина ефектів, пов’язаних з потужністю дози — це надшвидкий набір дози, при якому в мікросхемі генерується настільки велика кількість електронно-діркових пар, що вони не встигають рекомбінувати, і в чіп вноситься величезний електричний заряд, що розсмоктується через лінії землі і харчування протягом значного часу — на яке схема перестає працювати. Це називається «час втрати працездатності» і є основною характеристикою стійкості мікросхеми або приладу до подібного роду ефектів. Крім цього, велика кількість внесеного в мікросхему заряду серйозно змінює потенціали областей, з’єднаних з землею і з харчуванням — що може привести до виникнення тиристорного ефекту.
    Саме ефекти високої потужності дози — те, заради стійкості до чого спочатку розвивалася технологія «кремній на сапфірі» і «кремній на ізоляторі», тому що єдиний спосіб зменшити внесений у схему заряд полягає в тому, щоб відокремити активну область мікросхеми від обсягу підкладки, не давши заряду з підкладки взяти участь у процесі. Чому ці ефекти важливі? Велика потужність дози протягом невеликого часу — типовий наслідок ядерного вибуху.
    Поодинокі ефекти
    Поодинокі ефекти не пов’язані з тривалим впливом випромінювання, а з вимірним ефектом від потрапляння єдиною іонізуючої частинки. Їх можна розділити на дві великі групи:

  • Неруйнівні. До них відносяться збої в різного роду запам’ятовуючих елементів (кеш-пам’яті, регістрових файлах, конфігураційної пам’яті ПЛІС і т. д.), перехідні процеси в комбінаційної логікою і в аналогових схемах. Головна особливість цього виду ефектів — вони не призводять до фізичного руйнування мікросхеми і можуть бути виправлені програмно або апаратно. Більш того, перехідні процеси виправляються самі по собі через якийсь час (питання в тому, наскільки вона велика). Основний практичний інтерес представляють збої в масивах пам’яті — просто тому, що вони становлять левову частку всіх збоїв в силу великої кількості пам’яті в сучасних мікроелектронних системах.
  • Руйнують. До них відносяться тиристорний ефект і різноманітні, але, на щастя, рідкісні ефекти типу пробивання затвора або лавинного вигорання транзистора. Їх відмінна риса — те, що вони повністю руйнують елемент мікросхеми. У випадку з тиристорним ефектом чіп зазвичай (але не завжди!) можна врятувати, якщо швидко скинути харчування. Руйнівні ефекти являють серйозну небезпеку для деяких видів флеш-пам’яті і для приладів з високими напругами та густиною струму, найважливішими з яких є силові ключі.
  • Питома енерговіддача іонізуючої частинки називається «лінійна передача енергії» (ЛПЕ) і вимірюється в Мев, що передаються за одиницю довжини прольоту частки у матеріалі, на одиницю щільності матеріалу, тобто в (Мев*см^3)/(мг*см) або в (Мев*см^2)/мг. ЛПЕ нелінійно і немонотонно залежить від енергії частинки і взаємопов’язана з довжиною пробігу, яка для актуальних в мікроелектроніці частинок і матеріалів може становити від сотень нанометрів до сотень міліметрів.
    Кількість частинок, що зустрічаються в космосі, убуває з ростом ЛПЕ (див. малюнок 4). Важливі значення — 30 (відповідає іонів заліза) і 60 або 80 (після яких ймовірність події вважається пренебрежимо малої). Крім цього, важливою є цифра в 15 Мев*см^2/(мг) — це максимальна ЛПЕ, яку можуть мати продукти ядерної реакції при попаданні протона або нейтрона в кремній. Протони — один з основних видів сонячного випромінювання, і хоча їх власна ЛПЕ невелика (десяті частки одиниці), вони справляють істотний вплив із-за ядерних реакцій і вторинної іонізації. Вторинна іонізація може виникати прямо в активній області, а може бути наслідком потрапляння протона в атом якогось матеріалу з великим атомним номером — наприклад, вольфраму або танталу. Важкі елементи активно використовуються в сучасній мікроелектронній технології, наприклад, для створення контактів від кремнію до першого шару металізації. Вторинна іонізація також є причиною, по якій не варто для підвищення радіаційної стійкості пакувати чіпи свинцеві коробки.
    Популярные заблуждения про радиационную стойкость микросхем. Часть 1 технологии,электроника
    Малюнок 3. Залежність ЛПЕ від енергії для різних типів частинок.
    Окремо варто звернути увагу на ядра гелію (альфа-частинки) — не тільки тому, що їх досить багато у складі сонячної радіації, але й тому, що досить багато джерел альфа-випромінювання можна зустріти в звичайному житті.
    Популярные заблуждения про радиационную стойкость микросхем. Часть 1 технологии,электроника
    Малюнок 4. Порівняння кількості частинок різних типів за дворічну місію на орбіті, за статтею Xapsos et.al., «Model for Cumulative Solar Heavy Ion Energy and Linear Energy Transfer Spectra», IEEE TNS, Vol. 5, No. 6., 2007
    1, 30 або 60 Мев*см^2/(мг) — наскільки це багато? Поріг збою стандартної комірки пам’яті в технології 7 нм знаходиться набагато нижче одиниці, в 180 нм — в межах від одиниці до десятки. Застосування спеціальної техніки дозволяє підняти поріг, наприклад, до сотні, але зазвичай розумніше досягти цифри в 15 або 30 одиниць, а залишки рідкісних подій відфільтрувати за допомогою завадостійкого кодування. 60 одиниць — це цифра, зазвичай фігурує у вимогах по стійкості до руйнівних ефектів.
    Ефекти зсуву
    Ефекти зсуву — це локальне руйнування кристалічної решітки, тобто «вибивання» атома з призначеного для нього місця. Енергія, необхідна для пошкодження кристалічної решітки, зазвичай досить велика, тому більшість пролітають частинок не викликають цей ефект. Зате його причиною може бути ядерна реакція в результаті попадання протона або нейтрона, яких на орбіті багато. Такі локальні дефекти решітки призводять до зменшення рухливості носіїв заряду, зростання шумів і деяких інших ефектів. Вони позначаються на звичайних КМОП-мікросхем менше, ніж «звичайні» дозові ефекти, але домінують в сонячних батареях, фотоприемниках, силових транзисторах, а також у складних напівпровідниках, у яких немає оксиду, наприклад в арсеніді галію та нітриду галію. Саме цим і пояснюється їх висока дозовая стійкість — у них просто немає ефектів, викликають швидку деградацію кремнієвих чіпів, а те, що є, проявляється слабше і пізніше. Кількість випромінювання, що викликає ефекти зсуву вимірюється в частках (зазвичай протонах або нейтронах) на квадратний сантиметр площі чіпа.
    Отже, з описом впливаючих чинників випромінювання розібралися, тепер давайте подивимося, де і в яких поєднаннях вони загрожують мікросхем.
    Що? Де? Коли?
    На малюнку 2 показаний приклад розрахунку набору повної дози на різних орбітах. Далі треба обговорити безліч припущень сонячну активність, форму, матеріал і товщину захисту і так далі, але в цілому, незважаючи на те, що малюнок являє собою типового сферичного коня у вакуумі, тренд ясний: на різних орбітах швидкість набору повної дози може відрізнятися на п’ять порядків. При цьому на низьких орбітах, під першим поясом Ван Аллена, доза набирається так повільно, що багато звичайні комерційні мікросхеми здатні витримати кілька років в таких умовах. Так що мікросхеми, навіть набагато більш крихкі люди літають там роками без серйозних наслідків для здоров’я. А між тим, низькі орбіти — це практично вся пілотована космонавтика, дистанційне зондування землі, супутниковий зв’язок, обіцяний вже зовсім скоро супутниковий інтернет і, як кажуть американці, the last but not least, практично всі кубсаты запускаються на низькі орбіти.
    Комерційні мікросхеми на низьких орбітах
    Власне, саме популярності і важливості низьких орбіт і ростуть ноги у спекуляцій на тему того, що дорогі радстойкие мікросхеми не потрібні, і цілком можна обходитися звичайними. Але у використання в космосі комерційних мікросхем є і підводні камені, які проявляються навіть на низьких орбітах.
    По-перше, пояси ван Аллена захищають Землю і її ближні околиці тільки від легких частинок, в основному від сонячних електронів і протонів. Більш важкі частинки, хоч і зустрічаються набагато рідше, спокійно долітають навіть до нашого останнього щита — атмосфери — і, правильно, викликають поодинокі ефекти, в тому числі тиристорний ефект, здатний у будь-який момент безповоротно зруйнувати яку-небудь мікросхему і з нею весь космічний апарат. Тому застосовувати комерційні мікросхеми можна тільки у разі, якщо вжиті заходи щодо їх захисту від одиночних ефектів.
    Друга проблема полягає в тому, що мікросхеми на супутнику — це не тільки процесори і пам’ять, але і безліч інших видів чіпів, в тому числі силових і аналогових, і з їх радіаційною стійкістю все набагато складніше і набагато менш передбачувано. Та й сучасні системи на кристалі містять велику кількість нецифровых блоків; наприклад, у більшості чіпів флеш-пам’яті першим перестає працювати використовується для запису генератор високої напруги, а у аналогових КМОП-схем зсувається опорна напруга, що генерується за допомогою пари біполярних транзисторів, і навіть невеликі витоку можуть серйозно змінити робочу точку малопотребляющих аналогових каскадів. Стійкість силових ключів до руйнівних поодиноким ефектів може сильно залежати від прикладеної до них напруги, і так далі і тому подібне.
    Третя важлива проблема використання комерційних мікросхем в космосі полягає в тому, що стійкість до повної дозі і тиристорному ефекту чутлива до зміни параметрів техпроцесу, в тому числі невеликим, так що якщо на фабриці щось поміняли, ви можете викинути результати своїх досліджень в сміттєву корзину. А для комерційних мікросхем виробник гарантує стабільність функціональних параметрів, а не технологічного процесу. Більш того, в різних партіях вам можуть зустрітися кристали з різних фабрик; наприклад, процесор з шостого айфона, Apple A9, проводився на 16 нм TSMC і 14 нм Samsung, і користувачеві не повідомлялося, яка версія коштує в його телефоні. Для боротьби з цією проблемою у всьому світі для розробки радстойких мікросхем використовуються інститути Trusted Foundry або сертифікованих техпроцесів — словом, якийсь форми гарантії незмінності техпроцесу з боку фабрики.
    Разом правильну відповідь на питання «чи можна застосовувати в космосі звичайні комерційні мікросхеми?» звучить так: «Так, можна, на деяких орбітах і при дотриманні ряду вимог і умов». Порада: якщо ви все ж вирішили використовувати комерційний чіп і вкластися в його випробування, купіть запас відразу десять років вперед. Це, до речі, цілком собі бізнес-модель великою і шанованою компанії 3DPlus — вони відчувають на радстойкость всі комерційні мікросхеми поспіль, знаходять ті, які мають, по суті випадково) достатні показники, закуповують великі партії і далі пакують чіпи у власні корпусу під власною маркою.
    Інші орбіти
    Однак, супутники літають не тільки на низькій навколоземній орбіті. В якості прикладу інших вимог давайте розглянемо єдиний спосіб забезпечити стабільний зв’язок в околицях Північного полюса — а це стратегічно важливий для Росії район — орбіту «Блискавка», названу так на честь першого запущеного на неї апарату.
    Популярные заблуждения про радиационную стойкость микросхем. Часть 1 технологии,электроника
    Малюнок 5. Орбіта «Блискавка».
    Головна особливість цієї орбіти полягає в тому, що з-за великої витягнутості (мінімальна висота — близько 500 км над поверхнею Землі, максимальна — до 40 000 км, період 12 годин) апарат чотири рази на добу перетинає радіаційні пояси. Термін активного існування найперших супутників «Блискавка» становив лише близько півроку — в першу чергу, викликане радіацією падіння потужності сонячних панелей, яким потрібно було живити потужний (орбіта-то висока) радіопередавач.
    На геостаціонарній орбіті або орбіт навігаційних апаратів малюнок 2 обіцяє нам дозу в кілька сотень крад(Si) — а дозовая стійкість комерційних мікросхем може легко складати 5-10 крад(Si), тобто ні про які 10-15 років активного існування таких чіпів на орбіті мови бути не може. Точніше, може, але для цього знадобиться набагато більш товста захист — захист з чогось більш щільний, ніж алюміній. Втім, тут ми поринаємо у дивовижний світ конструювання космічних апаратів, так що давайте обмежимося фразою про те, що доставка кожного кілограма на орбіту дорога, а ідея заховати найбільш вразливу електроніку глибше всередину корпусу, экранировав її з допомогою інших компонентів — непогана, але повністю проблем не вирішить.
    Військові мікросхеми
    Займаючись питанням розвінчання міфів про радстойкости, потрібно обов’язково сказати про те, що не можна ставити знак рівності між «радстойкими», «космічними» та «військовими» мікросхемами. Не всі військові мікросхеми — радстойкие, і не всі радстойкие — військові. Якщо ми звернемося до американському військовому стандарту Mil-Std-883 (до американського, тому що його російський аналог в частині радіації засекречений), то ми знайдемо в ньому безліч різних тестів на вплив навколишнього середовища — термоциклювання, вологість, повітря з морською сіллю і т. д. і т. п.
    Радіації стосуються наступні пункти:
    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 response rate of linear microcircuits
    Повна доза і потужність дози. Поодинокі ефекти? Ніяк немає. В технічному завданні на мікросхему можуть фігурувати вимоги на стійкість до поодиноких збоїв та/або тиристорному ефекту, але ці вимоги не стандартизовані і щоразу визначаються заново, виходячи з потреб конкретних замовників кожного чіпа. Виходить, що статус «military» не є гарантією можливості запустити мікросхему в космос? Так, це так. Прикладом може служити доля сумно знаменитого «Фобос-ґрунту», загибель якого була викликана, згідно з офіційною версією (дуже складно доказовою, зате дуже зручною), попаданням важкої зарядженої частинки в американську мікросхему пам’яті класу «military», яка не була стійкою до поодиноких збоїв.
    Мирний атом та інші
    Важливість радіаційної стійкості не обмежується тільки космічними і військовими застосуваннями. Природний радіаційний фон на рівні моря у багато разів нижче навіть того, що відбувається на низькій орбіті, але атмосфера Землі не тільки служить останнім щитом на шляху космічного випромінювання, але і породжує вторинні частки при взаємодії з ним. Вторинні частки — в основному нейтрони. З’являючись у верхніх шарах атмосфери, вони зазвичай не долітають до поверхні, однак на висотах польотів цивільних авіалайнерів і доза випромінювання набирається значна, і за поодиноким збоїв зібрана досить значна статистика. У медицині давно застосовується рентгенівське випромінювання, а радіотерапія — один з важливих способів боротьби зі злоякісними пухлинами, і в подібних установках теж потрібна електроніка.
    І, звичайно ж, не варто забувати, що вся метушня з улюбленим всіма електронщикам бессвинцовым припоєм була затіяна багато в чому із-за того, що свинець та деякі інші матеріали, що застосовуються при виробництві мікросхем, що містять домішки важких елементів, зокрема урану, і їх застосування призводить до генерації невеликого, але все ж добре вимірної потоку альфа-частинок — прямо біля уразливого кремнію. У випадку c BGA-корпуси або 3D-збірками — по всій поверхні уразливого кремнію.
    Популярные заблуждения про радиационную стойкость микросхем. Часть 1 технологии,электроника
    Малюнок 6. Ілюстрація кульки припою як джерела альфа-частинок.
    Хороша новина — у альфа-частинок досить маленька глибина пробігу в кремнії (від одиниць до десятків мікрон, в залежності від енергії), і багатошарова металізація допомагає зменшити їх вплив. Погана новина — на низьких проектних нормах все альфа-частинки, які все-таки долітають до кремнію, викликають збої, і не тільки поодинокі, але і множинні (про це детальніше трохи нижче). Наприклад, в минулому році TSMC опублікували на 2018 IEEE International Reliability Physics Symposium статтю про вимірюванні кількості збоїв від забруднення альфа-частинками в пам’яті за проектним нормам 7 нм, тобто ця проблема продовжує існувати і вимагати якихось дій і в світі, де всі перейшли на бессвинцовый припій.
    Ще одне застосування радіаційностійких мікросхем, про який хотілося б сказати пару слів — це фізика високих енергій і атомна енергетика. В активних зонах адронных коллайдерів і атомних реакторів (а також в техніці, призначеної для ліквідації радіаційних катастроф) теж потрібна електроніка, причому вкрай бажано така, яка не потребує заміні і ремонті на протязі значного часу. Вимоги по повній поглиненій дозі для таких застосувань — десятки і навіть сотні Мегарад(Si), тобто на три порядки більша, ніж у звичайних космічних застосуваннях. Додатково ускладнює ситуацію те, що така стійкість потрібно не від цифрових схем, а від силових і аналогових — схем керування електроприводами і первинної обробки показань багатоканальних сенсорів. І якщо з забезпеченням дозового стійкості цифрових схем все більш-зрозуміло навіть при великих дозах, то у випадку з аналогом розробка електричної схеми має принципове значення, а сама вийшла схема становить навіть більше ноу-хау, ніж це зазвичай буває в аналоговому дизайні.
    Популярные заблуждения про радиационную стойкость микросхем. Часть 1 технологии,электроника
    Малюнок 7. Звичайна і радстойкая схема джерела опорного напруги. Зі статті 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
    Проілюструю масштаб завдань, які стоять перед розробниками чіпів для атомної енергетики, своїм улюбленим прикладом. Джерело опорної напруги (ІОН), що дорівнює ширині забороненої зони кремнію (bandgap voltage reference) — відносно проста і добре відома схема. При впливі радіації змінюються параметри біполярних транзисторів, що використовуються в якості діодів (падає коефіцієнт підсилення з-за появи витоку емітер-база). В результаті опорне напруга звичайної схеми ІОН, що визначає точність вимірів, може зміститися, скажімо, на 15-20%, що відповідає ефективної розрядності АЦП в два-три біта. У схеми праворуч опорне напруга змінюється в межах 1% (що більше 7 біт) при дозі іонізуючого випромінювання в 4.5 МГр. Для того, щоб домогтися цього вражаючого результату, схему потрібно серйозно переробити, додавши цілу розсип зворотних зв’язків, компенсуючих дозову витік. У радстойком варіанті приблизно в чотири рази більше елементів, ніж у звичайному, і його енергоспоживання в два рази більше. А сама погана новина полягає в тому, що для кожної нової схеми стратегію забезпечення радіаційної стійкості та її реалізацію доводиться розробляти окремо. А адже є ще проблема захисту аналогових схем від одиночних ефектів, рішення якої теж досить погано формалізується.
    Радіаційна стійкість та проектні норми
    На сайті однієї мікроелектронної фабрики досить довго красувалося твердження, що радіаційної стійкості можна досягти на проектних нормах нижче 600 нм, тому що інакше «заряджені частинки прошивають кремній». За дивовижним збігом, мінімальними проектними нормами, доступними тій фабриці, були якраз 600 нм. А один високопоставлений співробітник іншої фабрики повідомляв в інтерв’ю, що зробити мікросхеми для космосу на проектних нормах нижче 90 нм «технологічно неможливо». І знову так співпало, що технологічно неможливо зробити щось на нормах нижче 90 нм на цій фабриці. Маркетингові причини цих ситуацій і теперішня вигода від них цілком зрозумілі, але в довгостроковій перспективі такі фрази, сказані на широку аудиторію, як мені здається, приносять більше шкоди, ніж користі.
    Також регулярно зустрічаються не прив’язані ні до якого маркетингу міркування про те, що мікросхеми, виконані за проектним нормам грубіше деякої межі, иммунны до руйнівних поодиноким збоїв (зокрема, до тиристорному ефекту), а значить багаторічне використання давно застарілих технологій не тільки виправдано, але й необхідно.
    Або навпаки, фрази про те, що до тиристорному ефекту иммунны мікросхеми з проектними нормами нижче 250 нм, тому що у них настільки низькі робочі напруги, що тиристор просто не може відкритися. Чи є думки, що насправді проблема не в проектних нормах, а в тому, що КМОП-технологія принципово вразлива до радіації (що підтверджується зробленими заявником у сімдесятих випробуваннями), а старі радстойкие чіпи — біполярні/КНС/GaAs. А раз КМОП-технологія принципово погана, але всі сучасні чіпи робляться на ній — це означає, що сучасні чіпи нерадстойкие за визначенням, і єдиний вірний шлях для космонавтики — вкладення грошей у доведення до розуму давно занедбаного арсеніду галію (заодно і на комерційному ринку Intel переможемо) або повернення до перевіреної часом дискретної логіки. А ще краще — до ламп.
    Радстойкие — значить старі і відсталі?
    Справедливості заради треба відзначити, що в схемах, виконаних проектних нормах близько пари мікрон і більше, дійсно зазвичай не буває тиристорного ефекту і одиночних помилок. «Зазвичай», втім, тут ні в якій мірі не означає «завжди», приклади старих схем з низькою стійкістю до тиристорному ефекту є, і проектні норми нічого не гарантують. А висока стійкість до поодиноких збоїв виникає просто тому, що для перемикання елементів на таких проектних нормах потрібна дуже велика енергія. При нормальній роботі — теж, так що хотілося б побажати тим, хто пропонує продовжувати користуватися старими мікросхемами, спробувати зібрати процесор Intel Core на логіці 74 серії, і подумати, яка ракета взагалі здатна підняти в повітря отриманого монстра.
    З іншого боку, не процесорами єдиними жива мікроелектроніка. Існує величезна кількість завдань, для яких зовсім маленькі проектні норми не потрібні або не настільки обов’язкові, і цілком вистачає рівнів 500-90 нм. Світовий комерційний ринок мікросхем на пластинах діаметром 200 мм (а це проектні норми 90 нм і вище) вже кілька років зростає, аж до дефіциту виробничого обладнання. На «застарілих» проектних норми виробляються як давно розроблені, так і абсолютно нові мікросхеми, і багато фабрики готові гарантувати довгострокове майбутнє техпроцесів (але не обов’язково їх повну незмінність). Тому «відсталість» тієї чи іншої фабрики від умовного TSMC зовсім не означає неможливість комерційного успіху ні на цивільному, ні на спецстойком терені.
    Дорожнеча розробки, виробництва та сертифікації радстойких мікросхем — ще великий головний біль для виробників, ніж в автомобільній або промисловій електроніці. Маленькі тиражі (а мова часто йде якщо не про сотні, то про тисячах штук) ускладнюють комерціалізацію подібного роду розробок, адже якщо потрібно розділити на тисячу чіпів мільйон доларів (вартість розробки відносно нескладного чіпа за нормами 180 нм), то це вже тисяча доларів на чіп, а ще потрібна сертифікація, яка теж легко може вилитися в кілька мільйонів (особливо якщо відчувати КМОП-схеми на ELDRS). А якщо потрібно окупити на маленькому тиражі мільярд доларів? Саме стільки коштує розробка за нормами 5-7 нм. Дорожнеча розробки і сертифікації призвела до того, що в усьому світі розробка значної частини радстойких мікросхем безпосередньо чи опосередковано дотується державами. Це сильно скорочує кількість нових проектів, спонукає довше і більш винахідливими продавати те, що є, і максимально переиспользовать перевірені IP-блоки. У підсумку затребувані радстойкие мікросхеми виробляються і використовуються за багато років, створюючи ілюзію, що все радстойкие мікросхеми — старі. І клієнти в більшості випадків цим задоволені, тому що в ситуації, коли надійність все ж є первинною по відношенню до продуктивності, переиспользование вже зарекомендував себе рішення — це часто краще, що можна придумати, а наявність «flight heritage» — колосальне конкурентну перевагу. Це теж сприяє продовженню терміну активного виробництва вдалих розробок — навіть тоді, коли вони вже морально застарівають, і коли вже є заміна. Крім того, навіть встановлення pin-to-pin-сумісного аналога в більшості випадків вимагає як мінімум перепогодження конструкторської документації, а як максимум проведення дорогих випробувань. І це в ситуації, коли ніякої розробки не потрібно, що ж говорити про випадок, коли для застосування нового чіпа що-то дійсно треба переробляти? Зрозуміло, в такій ситуації розробники апаратури прагнуть переиспользовать перевірені рішення цілком.
    Не допомагає сприйняттю суспільством і те, що шлях нових розробок в космос довгий і тернистий — і в новини ще довше, адже саме з науково-популярних новин обивателі зазвичай дізнаються про досягнення космічної індустрії. У 2015 році було декілька повідомлень виду «на супутнику New Horizons, долетевшем до Плутона, коштує такий же процесор, як в приставці Sony PlayStation», а приставці на момент виходу новин було вже за двадцять років. Відмінна і дуже грамотна подача матеріалу, нічого не скажеш. New Horizons був запущений в 2006 році, а розробка проекту почалася в 2000 році — в рік першого польоту процесора Mongoose-V, тобто це був самий доступний новий процесор з уже наявним досвідом роботи на орбіті. Розробка цього процесора закінчилася в 1998 році, а почалася в 1994 році — якраз одночасно з виходом PlayStation. Ось інший приклад: процесори архітектури Power750 вийшли для цивільних застосувань в 1997 році, в 1998 році дебютував iMac з таким процесором. У 2001 році була закінчена розробка радстойкого аналога — RAD750. В космос цей процесор вперше потрапив у 2005 році, а новини — тільки в 2012, після м’якої посадки на Марс ровера Curiosity. Звичайно ж, тоді теж не обійшлося без жовтих заголовків про процесор п’ятнадцятирічної давності, адже розробка проекту Curiosity почалася в 2003 році, тобто навіть до першого польоту процесора RAD750.
    Передові рубежі
    Незважаючи на все вищевикладене, прямо зараз рівень проектних норм, на якому ведуться розробки обчислювальних платформ для космосу — це 65-45-22 нм. По 45 нм вже випущений в серійне виробництво американський комплект мікросхем RAD5500, по 28 нм у наступному році повинен вийти європейський процесор DAHLIA, по 65 нм в бельгійському IMEC зараз активно створюється розрахована на довготривале застосування платформа для розробки ASIC. Не відстають і російські розробники — в дорожній карті НИИСИ РАН на майбутній рік значиться вихід радстойкого процесора на 65 нм, а публікації на цю тему говорять про створення платформи розробки, тобто у цих проектних норм велике майбутнє не тільки в Європі, але і в Росії.
    І навіть на цьому рівні проектних норм розвиток радстойкой електроніки не зупиняється — якщо подивитися свіжі номери IEEE Transactions on Nuclear Science, там можна знайти досить робіт з вивчення транзисторів з проектними нормами 20-16-14 нм, підготовляють ґрунт для нових поколінь космічних мікропроцесорів. На таких проектних нормах розробників чекає багато нового і цікавого: по-перше, не можна зробити кільцеві транзистори, по-друге, в FinFET зовсім інша геометрія каналу та ізоляції, по-третє, є FDSOI-технології, в яких теж досить специфіки.
    Зменшення проектних норм, безумовно, впливає на радіаційну стійкість виготовляються на них мікросхем, але зовсім не обов’язково в гіршу сторону. Загальний тренд полягає в тому, що зі зниженням проектних норм вплив повної дози зменшується, а одиночних ефектів збільшується. Зсув порогового напруги в проектних нормах 180 нм і нижче вимірюється в одиницях або десятків мілівольт навіть для великих доз: подзатворный оксид такий тонкий, що накопичується в ньому заряд туннелирует в канал замість того, щоб накопичуватися. Перехідний шар в технологіях з ізоляцією STI досить компактний, що дозволяє в багатьох випадках забезпечити низькі витоку при повній дозі в кілька десятків або навіть сотень крад(Si). А якщо застосувати глибоко субмикронной об’ємної технології кільцеві транзистори та охоронні кільця, то ми разом позбудемося всіх дозових проблем.
    Популярные заблуждения про радиационную стойкость микросхем. Часть 1 технологии,электроника
    Малюнок 8. Приклади радіаційностійких елементів AND розробки компанії «Миландр» на технології SOI BCD.
    На малюнку 8 — два варіанти реалізації одного і того ж логічного елемента AND для різних умов. Зліва ми бачимо повний фарш — кільцеві транзистори в індивідуальних охоронних кільцях. Праворуч — варіант простіший, для низької повної дози: транзистори лінійні, замість охоронних кілець тільки хороші контакти в землі. І в обох випадках діелектрична ізоляція n-канальних транзисторів від p-канальних, щоб убезпечити мікросхему від тиристорного ефекту. В об’ємній технології цю функцію виконують охоронні кільця. При цьому треба відзначити, що для багатьох космічних застосувань цілком достатньо стійкості до повної дозі на рівні 50-100 крад(Si), і лінійні транзистори чудово з цим справляються, не вимагаючи істотно погіршувати функціональні параметри схеми заради досягнення стійкості.
    Читати далі…