四種可以增強未來航天器電子設備輻射的技術了解一下

Jordan Salkin

近日，NASA成功發射了Europa Clipper，這是該機構為行星任務建造的最大航天器。Clipper現在成功地踏上了為期多年的Europa之旅，配備了大量設備來研究木星衛星支持生命的潛力，但就在幾個月前，這項任務幾乎注定要失敗。7月，NASA的研究人員發現，Europa Clipper的一組晶體管在木星的極端輻射水平下會發生故障。他們花了數月時間測試設備，更新飛行軌跡，并最終添加了一個警告“canary box”，以監測任務進展過程中輻射的影響（https://spectrum.ieee.org/diy-handheld-radiation-detector）。

阿肯色大學電氣工程教授、IEEE會士Alan Mantooth說，canary box“是解決問題的一種非常合乎邏輯的工程解決方案”。但理想情況下，根本不需要它。如果NASA早些時候發現了這些晶體管的問題，或者設計了內置監控的電路，那么這種最后一刻的混亂就不會發生。Mantooth說：“這是一個聰明的補丁，但它確實也只是一個補丁。”

自20 世紀 60 年代以來,科學家一直在對電子設備進行“抗輻射加固”（https://spectrum.ieee.org/radiationhardening-101），設計它們使其能夠在放射性環境中工作。但隨著太空任務變得更加雄心勃勃，抗輻射技術必須不斷發展。“這有點像網絡安全，”Mantooth說，“你總是想變得更好，但總是有更惡劣的環境出現。”

英飛凌公司負責航空航天和國防項目的工程師Eric Faraci表示，隨著SpaceX等公司的快速發展，航天行業正處于“一個巨大的拐點” 。“我們過去認為理所當然的一切，比如做事的方法、可接受的東西、最佳實踐，現在都受到了質疑。”

在未來的太空探索中，我們將看到更多采用替代半導體（如碳化硅、專用CMOS晶體管、集成光子學和新型抗輻射存儲器）制成的系統。以下是下一代抗輻射技術的指南。

碳化硅的超寬帶隙

中佛羅里達大學的研究員Enxia Zhang表示，目前航天器中的大多數功率器件都使用硅作為半導體，但下一代將使用碳化硅。Enxia Zhang從事抗輻射微電子技術開發已有20多年。碳化硅的抗輻射能力更強，因為它的帶隙更寬，帶隙是電子從束縛在原子核上轉變為參與傳導所需的額外能量。硅的帶隙為1.1電子伏特，而碳化硅的帶隙為3.3至3.4電子伏特。這意味著需要更多的能量來干擾碳化硅的一個電子，因此雜散輻射不太可能做到這一點。

Zhang說，碳化硅芯片目前正在制造中，NASA每周都會舉行一次會議，對它們進行太空任務測試。NASA的碳化硅設備有望在未來用于月球和金星任務。

英飛凌公司的Faraci表示，“人們現在正在使用碳化硅”設備。他們通過在遠低于地球上設計參數的參數下使用這些設備來規避標準缺乏的問題，這是一種稱為降額的技術。

另一種具有適當寬帶隙的半導體是氮化鎵（3.2eV，https://spectrum.ieee.org/gallium-nitride-the-ideal-semiconductor-for-powerhungry-electronics）。它最常見于LED中，也用于筆記本電腦充電器和其他低功耗消費電子產品。Faraci說，雖然它是一種用于太空應用的“非常令人興奮”的材料，但它仍然是一種新材料，這意味著它必須經過大量測試才能被信任。

Mantooth說，氮化鎵最適合低溫環境，比如火星或月球的黑暗面。但是“如果我們在水星上做點什么，或者我們在太陽附近做點什么——任何高溫的東西……碳化硅就是最佳選擇。”

Emily Cooper

新材料并不是輻射硬化的唯一前沿；研究人員也在探索設計硅晶體管的新方法。兩種CMOS生產方法已經具有抗輻射形式：絕緣體上硅（SOI，https://spectrum.ieee.org/transistor-wars）和鰭場效應晶體管（FinFET，https://spectrum.ieee.org/new-wafers-for-3d-transistors）。這兩種方法都是為了防止一種稱為單事件效應的輻射損傷，即高能粒子撞擊電子設備，將其電子震到不該在的地方并翻轉位。

在普通體CMOS中，電流通過通道從源極流到漏極，柵極充當開關，阻止或允許電流流動。這些位于硅的頂層。輻射可以激發硅中更深層的電荷，繞過柵極的控制，并允許電流在不應該流動時流動。輻射加固方法通過阻止這些激發電子的運動來發揮作用。

SOI設計在源極和漏極下方添加了一層絕緣體，如氧化硅，這樣電荷就無法輕易流過通道下方。FinFET設計將漏極、源極和它們之間的溝道提升為一個或多個3D“鰭片”。受激電荷現在必須向下、周圍和向上流動，才能繞過柵極。FinFET還天生抵抗另一種形式的輻射損傷：總電離劑量，當帶電粒子的緩慢積聚改變器件溝道和柵極之間的絕緣層的特性時，就會發生電離劑量。

生產SOI器件和FinFET的技術已經存在了幾十年。亞利桑那州立大學電氣工程教授Hugh Barnaby表示，在21世紀初，它們在輻射加固方面的應用并不多，因為電路設計師仍然可以使用普通的塊狀CMOS器件，從而降低電路設計和布局中的輻射風險。但最近，隨著CMOS器件變得越來越小，因此更容易受到輻射，人們對生產這些自然抗輻射的CMOS器件重新產生了興趣，即使它們更專業、更昂貴。

Barnaby正在與一個團隊合作，提高FinFET的輻射硬度。他們發現，增加更多的鰭片可以提高設備控制電流的能力，但會降低其輻射硬度。現在，他們正在努力重新安排鰭片的位置，以最大限度地提高抗輻射電路的效率。Barnaby說：“我們還沒有做到這一點，但我相信它會奏效。”

用于高帶寬、更快數據傳輸的光子系統

光子系統使用光而不是電子以很少的能量遠距離傳輸信息。例如，互聯網使用光纖快速傳輸大量數據。佐治亞理工學院電子學教授John Cressler表示，在過去的十年里，研究人員開發了硅光子集成電路，目前用于數據中心的高帶寬信息傳輸，但也使我們能夠在航天器中傳輸大量數據。

Cressler說：“如果你想想太空中的某些系統，它們可能是遙感或通信系統，它們會收集或移動大量數據，而這在光子學中更容易做到。”

最好的部分是什么？光子集成電路天生具有抗輻射能力，因為它們的數據傳輸是使用光子而不是電子進行的。高能量劑量的輻射不會像電子那樣破壞光子，因為光子不帶電。

Cressler預計，集成光子學將在未來兩年內用于航天器。他說：“NASA和美國國防部，甚至商業太空公司都對光子學非常感興趣。”

空間中的非易失性存儲器

空間抗輻射研究的另一個有前景的領域是新型非易失性存儲器。計算機通常使用靜態隨機存取存儲器（SRAM）或動態隨機存取存儲器。這些是易失性存儲器，這意味著一旦電源關閉，它們就無法存儲其狀態。但是非易失性存儲器能夠記住它們的狀態。它們不需要持續的電力，因此降低了功耗需求。

目前，太空用非易失性存儲器領域有兩大領跑者：磁阻RAM (MRAM)和電阻 AM (ReRAM)。MRAM使用磁態來存儲數據，而ReRAM使用一種稱為憶阻的特性。這兩種技術的設計都具有抗輻射能力；輻射不會影響MRAM的磁場或ReRAM的電阻。

范德堡大學空間與國防電子研究所所Michael Alle表示：“電阻式RAM是有望實現神經形態、低能耗計算的技術之一。”這是一種受大腦工作方式啟發的計算形式。衛星通常不具備處理大量自身數據的能力，必須將其發回地球。但由于基于憶阻器的電路功耗較低，衛星可以在衛星上進行計算，從而節省通信帶寬和時間。

雖然仍處于研究階段，但Zhang預測，在未來10到15年內，我們將在太空中看到非易失性存儲器。去年，U.S. Space Force與西部數據公司簽訂了3500萬美元的合同，用于開發非易失性抗輻射存儲器。

警告與希望

然而，Alles警告說，對這些新技術的真正考驗不是它們如何獨立工作，而是如何將它們整合為一個系統。你總是要問：“薄弱環節是什么？”如果一個強大的、具有輻射性的硬存儲設備依賴于在輻射下失效的硅晶體管，那么它就毫無用處了。

隨著太空探索和衛星發射不斷增加，抗輻射對于我們的設計只會變得更加重要。Mantooth說：“令人興奮的是，隨著我們能力的提高，我們能夠去以前無法去的地方，并在那里停留更長時間。我們現在還不能將電子設備送入太陽。但有一天，也許我們可以實現。”