Россия
Россия
УДК 621.382 Электронные элементы, использующие свойства твердого тела. Полупроводниковая электроника
Полупроводниковые устройства, такие как программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), в условиях космического пространства подвергаются воздействию ионизирующего излучения, что приводит к негативным последствиям, изменениям электрических характеристик, появлением паразитных токов и возникновению одиночных сбоев (SEU). В данной работе рассматриваются конструктивно-технологические и аппаратно-программные методы повышения радиационной стойкости цифровых устройств на базе ПЛИС. В конструктивно-технологических методах акцент делается на использование защитных экранов из материалов с высокими поглощающими свойствами, применение радиационно-стойких технологических процессов, таких как кремний на изоляторе (КНИ), оптимизацию конструкции транзисторов и выбор радиационно-стойких материалов. Математические модели описывают снижение индуцированного заряда и изменение порогового напряжения транзисторов под воздействием радиации. Аппаратно-программные методы основаны на введении избыточности и использовании алгоритмов для обнаружения и коррекции ошибок, вызванных радиационными воздействиями. Рассматриваются модульное и временное резервирование, помехоустойчивое кодирование и методы реконфигурации. Модульное резервирование использует тройное дублирование компонентов с мажоритарным голосованием для определения корректного выхода. Временное резервирование сочетает аппаратную и временную избыточность для обнаружения ошибок с временным сдвигом. Математический анализ надежности систем резервирования проводится с использованием экспоненциальных моделей вероятности безотказной работы. Предложены рекомендации по оптимальному выбору методов защиты в зависимости от конкретных условий эксплуатации, требований к надежности и ограничений по ресурсам.
Радиационная стойкость, ПЛИС, однократные сбои, резервирование, помехоустойчивое кодирование, ионизирующее излучение
Понятия "радиационная стойкость" и "радиационно-стойкая микросхема" представляют собой значительные упрощения, не учитывающие многообразия факторов, влияющих на функционирование электронных устройств в условиях ионизирующего излучения. Реальность такова, что существует широкий спектр источников и типов ионизирующего излучения, каждый из которых оказывает своеобразное воздействие на электронные компоненты.
Следовательно, для различных областей применения требуется разработка специфических мер защиты, учитывающих конкретные наборы воздействующих факторов и уровни радиационного фона [6]. Микросхема, предназначенная для эксплуатации на низкой околоземной орбите, должна быть спроектирована с учетом влияния космических лучей, солнечной радиации и частиц, захваченных магнитным полем Земли. В то же время устройства, функционирующие в условиях аварийных ситуаций на ядерных объектах, подвергаются иным видам излучения.
Из-за этого и возникает необходимость дифференцированного подхода к разработке методов повышения радиационной стойкости электронных систем. Универсальное решение, обеспечивающее полную защиту от всех возможных радиационных воздействий, практически недостижимо. Поэтому важно учитывать специфические условия эксплуатации и характерные для них радиационные факторы при выборе методов защиты.
ПЛИС стали неотъемлемой частью таких систем благодаря своей гибкости и возможностям реконфигурации. Однако воздействие радиации особенно критично для ПЛИС, используемых в космической технике, поскольку ошибки, вызванные SEU, могут привести к сбоям в работе бортовых систем, нарушению передачи данных и даже к полной потере управляемости аппарата. Поэтому улучшение радиационной стойкости цифровых устройств является важной задачей при разработке электронных систем для космического применения.
1. Журавлева И.В., Попова Е.А. Полупроводниковые технологии для реализации радиационно-стойких СБИС // Моделирование систем и процессов. – 2022. – Т. 15, № 1. – С. 44-52.
2. Журавлева, И.В. Основные факторы ионизирующих излучений космического пространства, действующие на микросхемы / И.В. Журавлева // Моделирование систем и процессов. – 2019. – Т. 12, № 3. – С. 11-16.
3. Зольников К.В., Гамзатов Н.Г., Евдокимова С.А., Потапов А.В., Допира Р.В., Кучеров Ю.С., Яночкин И.Е., Стоянов С.В., Плотников А.М. Моделирование процессов в полупроводниковых структурах при радиационном воздействии // Моделирование систем и процессов. – 2022. – Т. 15, № 3. – С. 106-127.
4. А.Е. Козюков, Н.Г. Гамзатов, С.В. Гречаный [и др.]. Общие подходы оценки стойкости к воздействию ионизирующего излучения космического пространства для зарубежной электронной компонентной базы предприятий – разработчиков / // Моделирование систем и процессов. – 2021. – Т. 14, № 4. – С. 58-66. – DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2021-14-4-58-66.
5. Назаренко А. А., Максимов И. А., Кочура С. Г. Возможность унификации требований по радиационной стойкости для космических аппаратов с различными условиями функционирования // Сибирский аэрокосмический журнал. 2023. Т. 24, № 1. С. 126–135. Doi:https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-1-126-135.
6. Максимов И. А., Кочура С. Г., Авдюшкин С. А. Основные положения методологии обеспечения стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов к воздействию радиационных эффектов космического пространства // Сибирский аэрокосмический журнал. 2023. Т. 24, № 1. С. 116–125. Doi:https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-1-116-125.
7. В.К. Зольников, С.А. Евдокимова, Е.В. Грошева, А.И. Яньков. Результаты оценки надежности микросхемы 1921ВК028 // Моделирование систем и процессов. – 2019. – Т. 12, № 4. – С. 37-41.
8. Pagonis, G., Leon, V., Soudris, D., Lentaris, G. (2023). Increasing the Fault Tolerance of COTS FPGAs in Space: SEU Mitigation Techniques on MPSoC. In: Palumbo, F., Keramidas, G., Voros, N., Diniz, P.C. (eds) Applied Reconfigurable Computing. Architectures, Tools, and Applications. ARC 2023. Lecture Notes in Computer Science, vol 14251. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-42921-7_15
9. Журавлева И.В., Попова Е.А. Полупроводниковые технологии для реализации радиационно-стойких СБИС// Моделирование систем и процессов. – 2022. – Т. 15, № 1. – С. 44-52.
10. Петросянц К.О, Силкин Д.С, Попов Д.А. TCAD-моделирование нанометровых структур FinFET на объемном кремнии с учетом воздействия радиации / // Изв. вузов. Электроника. 2021. Т. 26. № 5. С. 374–386. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.24151/1561-5405-2021-26-5-374-386
11. Cui, Y.; Feng, J.; Li, Y.; Wen, L.; Guo, Q. Proton Radiation Effects of CMOS Image Sensors on Different Star Map Recognition Algorithms for Star Sensors. Electronics 2023, 12, 1629. https://doi.org/10.3390/electronics12071629
12. Roy, S. (2024). Advanced FPGA Implementation Techniques. In: Advanced Digital System Design. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-41085-7_18
13. Zhu, W., Lian, D., Zhang, Q. et al. Damage Mechanism Analysis and Protection Method of Ionizing Radiation Based on Electromagnetic Radiation Characteristics. Russ Phys J 64, 1522–1535 (2021). https://doi.org/10.1007/s11182-021-02486-0
14. Журавлева, И.В. Развитие технологии систем на кристалле для современной электронной компонентной базы / И.В. Журавлева, Е.А. Попова // Моделирование систем и процессов. – 2021. – Т. 14, № 4. – С. 12-20. – DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2021-14-4-12-20.
15. Zhao, Y., Yue, S., Zheng, H., Wang, L. (2024). Aerospace Microelectronics. In: Wang, Y., Chi, MH., Lou, J.JC., Chen, CZ. (eds) Handbook of Integrated Circuit Industry. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-99-2836-1_90
16. Schnürle K, Bortfeldt J, Englbrecht FS, Gianoli C, Hartmann J, Hofverberg P, Meyer S, Niepel K, Yohannes I, Vidal M, Landry G, Hérault J, Schreiber J, Parodi K and Würl M (2023) Development of integration mode proton imaging with a single CMOS detector for a small animal irradiation platform. Front. Phys. 10:1044156. doi:https://doi.org/10.3389/fphy.2022.1044156
