어제 NASA는 행성 임무를 위해 제작한 우주선 중 가장 큰 우주선인 유로파 클리퍼(Europa Clipper)를 성공적으로 발사했습니다. Clipper는 이제 목성 달의 생명 유지 가능성을 연구하기 위한 장비를 잔뜩 갖추고 유로파로의 다년간의 여행을 성공적으로 마쳤습니다. 하지만 불과 몇 달 전만 해도 그 임무는 거의 무산되었습니다. 7월에 NASA의 연구원들은 유로파 클리퍼의 트랜지스터 그룹이 목성의 영향으로 실패할 것이라는 사실을 발견했습니다. 극심한 방사선 수준. 그들은 몇 달 동안 장치를 테스트하고 비행 궤적을 업데이트했으며 궁극적으로 경고 “카나리아 상자”를 추가했습니다. 방사선의 영향을 모니터링하다 임무가 진행됨에 따라.
카나리아 상자는 “문제에 대한 매우 논리적인 엔지니어링 솔루션”이라고 말합니다. 앨런 맨투스IEEE 펠로우이자 아칸소 대학교 전기 공학 교수입니다. 그러나 이상적으로는 전혀 필요하지 않았을 것입니다. NASA가 이러한 트랜지스터의 문제를 더 일찍 발견했거나 내장된 모니터링 기능을 사용하여 회로를 설계했다면 이러한 마지막 순간의 혼란은 발생하지 않았을 것입니다. Mantooth는 “이것은 영리한 패치이지만 패치일 뿐입니다.”라고 말했습니다.
과학자들은 “방사선 경화1960년대부터 전자공학은 방사성 환경에서 작동하도록 설계했습니다. 그러나 우주 임무가 더욱 야심차게 진행됨에 따라 방사선 경화 기술도 발전해야 했습니다. Mantooth는 “이것은 일종의 사이버 보안과 같습니다.”라고 말합니다. “당신은 항상 더 나아지려고 노력하고 있어요. 항상 더 가혹한 환경이 있습니다.”
SpaceX와 같은 기업의 급속한 가속화로 인해 우주 산업은 “엄청난 변곡점”에 직면해 있다고 말합니다. 에릭 파라시의 엔지니어 인피니언 항공우주 및 국방 프로젝트에 종사하는 사람입니다. “일을 수행하는 방법, 허용되는 사항, 모범 사례 등 우리가 당연하게 여겼던 모든 것에 의문이 제기되었습니다.”
미래의 우주 탐사에서는 실리콘 카바이드, 특수 CMOS 트랜지스터, 통합 포토닉스, 새로운 종류의 방사선 방지 메모리와 같은 대체 반도체로 만들어진 더 많은 시스템을 보게 될 것입니다. 차세대 방사선 경화 기술에 대한 가이드는 다음과 같습니다.
실리콘 카바이드의 초광대역 갭
오늘날 우주선에 사용되는 대부분의 전력 장치는 실리콘을 반도체로 사용하지만, 차세대에서는 실리콘을 사용하게 될 것입니다. 탄화규소라고 엔시아 장20년 넘게 방사선에 강한 마이크로 전자공학을 개발해 온 센트럴 플로리다 대학의 연구원입니다. 탄화규소는 전자가 원자핵에 결합된 상태에서 전도에 참여하는 데 필요한 추가 에너지인 밴드 갭이 더 넓기 때문에 방사선에 대한 저항력이 더 높습니다. 실리콘의 밴드갭은 1.1전자볼트인 반면, 실리콘 카바이드의 밴드갭은 3.3~3.4eV입니다. 이는 탄화규소의 전자를 교란시키는 데 더 많은 에너지가 필요하므로 미량의 방사선이 이를 방해할 가능성이 적다는 것을 의미합니다.
실리콘 카바이드 칩은 현재 제조되고 있으며 NASA는 우주 임무를 위해 칩을 테스트하기 위해 매주 회의를 열고 있다고 Zhang은 말합니다. NASA의 탄화규소 장치는 다음 임무에 사용될 것으로 예상됩니다. 달 그리고 금성 미래에.
Infineon의 Faraci는 “사람들은 지금 실리콘 카바이드 장치를 사용하고 있습니다”라고 말합니다. 그들은 지구에서 설계된 것보다 훨씬 낮은 매개변수에서 표준을 사용하여 표준 부족을 해결하고 있습니다. 이 기술을 경감이라고 합니다.
적당히 넓은 밴드갭을 갖는 또 다른 반도체는 다음과 같습니다. 갈륨 질화물 (3.2eV). 가장 일반적으로 발견되는 곳 LED노트북 충전기 및 기타 저전력 가전 제품에도 사용됩니다. Faraci는 우주 응용 분야에서 “매우 흥미로운” 재료이기는 하지만 여전히 새로운 재료이기 때문에 신뢰할 수 있으려면 많은 테스트를 거쳐야 한다고 Faraci는 말합니다.
갈륨 질화물은 화성이나 달의 어두운 면과 같은 추운 온도에 가장 적합하다고 Mantooth는 말합니다. 그러나 “우리가 수성에서 어떤 일을 하고 있거나 태양에 가까운 일을 하고 있다면 어떤 고온 문제라도… 실리콘 카바이드가 승자입니다.”
방사선 경화 CMOS 설계를 위한 Silicon on Insulator 설계 및 FinFET
방사선 경화의 유일한 개척자는 신소재가 아닙니다. 연구자들은 또한 실리콘 트랜지스터를 설계하는 새로운 방법을 모색하고 있습니다. 두 가지 CMOS 생산 방법에는 이미 방사선 경화 형태가 있습니다. 절연체 위에 실리콘 (SOI) 및 지느러미 전계 효과 트랜지스터 (FinFET). 두 가지 방법 모두 단일 사건 효과(Single Event Effect)라고 불리는 일종의 방사선 손상을 방지하기 위해 설계되었습니다. 즉, 고에너지 입자가 전자 장치에 부딪혀 전자가 있어서는 안 되는 위치로 충격을 주고 비트를 뒤집는 것입니다.
일반적인 벌크 CMOS에서는 전류가 채널을 통해 소스에서 드레인으로 흐르고, 게이트는 스위치 역할을 하여 전류 흐름을 차단하거나 허용합니다. 이들은 실리콘의 최상층에 위치합니다. 방사선은 게이트 제어를 우회하고 전류가 흐르지 않아야 할 때 전류가 흐르도록 허용하는 실리콘의 더 깊은 곳에서 전하를 여기시킬 수 있습니다. 방사선 경화 방법은 이러한 여기된 전자의 이동을 방해함으로써 작동합니다.
SOI 설계는 소스와 드레인 아래에 실리콘 산화물과 같은 절연체 층을 추가하여 전하가 채널 아래로 쉽게 흐를 수 없도록 합니다. FinFET 설계는 드레인, 소스 및 이들 사이의 채널을 하나 이상의 3D “핀”으로 높입니다. 흥분된 전하는 이제 게이트를 우회하기 위해 아래로 흐르고, 돌아서 백업되어야 합니다. FinFET는 또한 자연적으로 또 다른 형태의 방사선 손상, 즉 전이 입자의 느린 축적이 장치의 채널과 게이트 사이의 절연층 특성을 변경할 때 발생하는 총 이온화 선량에 대한 저항력이 있습니다.
SOI 장치와 FinFET을 생산하는 기술은 수십 년 동안 존재해 왔습니다. 2000년대에는 방사선 경화에 많이 사용되지 않았습니다. 회로 설계자가 여전히 일반 벌크 CMOS 장치를 사용하여 회로 설계 및 레이아웃에서 방사선 위험을 완화할 수 있었기 때문입니다. 휴 바나비애리조나 주립대학교 전기공학과 교수. 그러나 최근에는 CMOS 장치가 소형화되어 방사선에 더욱 취약해짐에 따라 새로운 관심 더 전문적이고 비용이 많이 들더라도 자연방사선이 강한 다양한 종류의 CMOS 장치를 생산하는 데 있습니다.
Barnaby는 FinFET의 방사선 경도를 개선하기 위해 팀과 협력하고 있습니다. 그들은 더 많은 핀을 추가하면 장치의 전류 제어 능력이 향상되지만 방사선 경도가 감소한다는 것을 발견했습니다. 이제 그들은 내방사선 회로의 효율성을 극대화하기 위해 핀의 위치를 재배치하는 작업을 진행하고 있습니다. Barnaby는 “아직 이 작업을 수행하지는 않았지만 성공할 것이라고 확신합니다.”라고 말합니다.
고대역폭, 더 빠른 데이터 전송을 위한 광자 시스템
광자 시스템은 전자 대신 빛을 사용하여 적은 에너지로 장거리 정보를 전송합니다. 예를 들어, 인터넷은 광섬유를 사용하여 대량의 데이터를 빠르게 전송합니다. 지난 10년 동안 연구자들은 실리콘 포토닉스 집적 회로 현재 높은 용도로 사용되는 대역폭 정보 전송 데이터 센터에서 우주선 내에서 대량의 데이터 이동에 따르면 존 크레슬러Georgia Tech의 전자 교수.
Cressler는 “우주에 있는 일부 시스템을 생각해보면 원격 감지나 통신일 수도 있습니다. 수집하거나 이동하는 많은 데이터를 보유하고 있기 때문에 훨씬 더 쉽게 수행할 수 있습니다.”라고 말했습니다. 포토닉스.”
가장 좋은 부분은? 포토닉스 집적 회로는 전자 대신 광자를 사용하여 데이터 전송이 이루어지기 때문에 자연적으로 방사선에 강합니다. 높은 에너지 선량의 방사선은 전자처럼 광자를 방해하지 않습니다. 왜냐하면 광자는 전기적으로 충전되지 않기 때문입니다.
Cressler는 통합 포토닉스가 향후 2년 내에 우주선에 사용될 것으로 예상하고 있습니다. “NASA와 [U.S. Department of Defense] 상업공간에도 [companies] 포토닉스에 관심이 많습니다.”라고 그는 말합니다.
우주의 비휘발성 메모리
우주 방사선 경도에 대한 또 다른 유망한 연구 분야는 새로운 종류의 비휘발성 메모리입니다. 컴퓨터는 일반적으로 SRAM(Static Random Access Memory) 또는 DRAM(동적 랜덤 액세스 메모리)을 사용합니다. 이는 휘발성 메모리이므로 전원이 꺼지면 상태를 저장할 수 없습니다. 그러나 비휘발성 메모리는 자신의 상태를 기억할 수 있습니다. 지속적인 전력이 필요하지 않으므로 전력 소비 요구가 줄어듭니다.
우주에서 사용하기 위한 비휘발성 메모리에는 자기 저항 RAM(MRAM)과 저항 RAM(ReRAM)이라는 두 가지 선두 주자가 있습니다. MRAM은 자기 상태를 사용하여 데이터를 저장하고 ReRAM은 자기 상태라는 품질을 사용합니다. 기억력. 두 기술 모두 설계 방식만으로도 방사선에 강합니다. 방사선은 MRAM의 자기장이나 ReRAM의 저항에 영향을 미치지 않습니다.
“저항성 RAM은 뉴로모픽, 저에너지 컴퓨팅에 도달할 수 있는 잠재력을 가진 기술 중 하나입니다.”라고 말합니다. 마이클 에브리씽Vanderbilt University의 우주 및 국방 전자 연구소 소장은 두뇌 작동 방식에서 영감을 얻은 컴퓨팅 형태를 언급했습니다. 위성은 일반적으로 자체 데이터의 대부분을 처리할 수 있는 능력을 갖추고 있지 않으며 이를 지구로 다시 보내야 합니다. 그러나 낮은 전력 소비 멤리스터 기반 회로의 위성은 온보드 계산을 수행하여 통신 대역폭과 시간을 절약할 수 있습니다.
아직 연구 단계이긴 하지만 Zhang은 향후 10~15년 안에 우주에서 비휘발성 메모리를 보게 될 것이라고 예측합니다. 작년에 미 우주군은 비휘발성 방사선 경화 메모리 개발을 위해 Western Digital과 3,500만 달러 규모의 계약을 체결했습니다.
주의와 희망의 메모
그러나 Alles는 이러한 새로운 기술에 대한 진정한 테스트는 자체적으로 수행하는 방식이 아니라 시스템으로 작동하도록 통합할 수 있는 방법이 될 것이라고 경고합니다. 당신은 항상 “약한 고리가 무엇인가?”라고 질문해야 합니다. 강력하고 방사능이 강한 하드 메모리 장치가 방사능에 영향을 받지 않는 실리콘 트랜지스터에 의존한다면 무용지물이 될 수 있습니다.
우주 탐사와 위성 발사가 계속 증가함에 따라 방사선 경화는 우리 설계에 더욱 중요해질 것입니다. Mantooth는 “흥미로운 점은 우리의 역량이 발전함에 따라 이전에는 갈 수 없었던 곳으로 갈 수 있고 그곳에 더 오래 머무를 수 있다는 것입니다.”라고 말합니다. “우리는 지금 당장 전자제품을 태양으로 날아갈 수 없습니다. 하지만 언젠가는 그렇게 될 수도 있겠네요.”
