四种可以增强未来航天器电子设备辐射的技术了解一下

Jordan Salkin

近日，NASA成功发射了Europa Clipper，这是该机构为行星任务建造的最大航天器。Clipper现在成功地踏上了为期多年的Europa之旅，配备了大量设备来研究木星卫星支持生命的潜力，但就在几个月前，这项任务几乎注定要失败。7月，NASA的研究人员发现，Europa Clipper的一组晶体管在木星的极端辐射水平下会发生故障。他们花了数月时间测试设备，更新飞行轨迹，并最终添加了一个警告“canary box”，以监测任务进展过程中辐射的影响（https://spectrum.ieee.org/diy-handheld-radiation-detector）。

阿肯色大学电气工程教授、IEEE会士Alan Mantooth说，canary box“是解决问题的一种非常合乎逻辑的工程解决方案”。但理想情况下，根本不需要它。如果NASA早些时候发现了这些晶体管的问题，或者设计了内置监控的电路，那么这种最后一刻的混乱就不会发生。Mantooth说：“这是一个聪明的补丁，但它确实也只是一个补丁。”

自20 世纪 60 年代以来,科学家一直在对电子设备进行“抗辐射加固”（https://spectrum.ieee.org/radiationhardening-101），设计它们使其能够在放射性环境中工作。但随着太空任务变得更加雄心勃勃，抗辐射技术必须不断发展。“这有点像网络安全，”Mantooth说，“你总是想变得更好，但总是有更恶劣的环境出现。”

英飞凌公司负责航空航天和国防项目的工程师Eric Faraci表示，随着SpaceX等公司的快速发展，航天行业正处于“一个巨大的拐点” 。“我们过去认为理所当然的一切，比如做事的方法、可接受的东西、最佳实践，现在都受到了质疑。”

在未来的太空探索中，我们将看到更多采用替代半导体（如碳化硅、专用CMOS晶体管、集成光子学和新型抗辐射存储器）制成的系统。以下是下一代抗辐射技术的指南。

碳化硅的超宽带隙

中佛罗里达大学的研究员Enxia Zhang表示，目前航天器中的大多数功率器件都使用硅作为半导体，但下一代将使用碳化硅。Enxia Zhang从事抗辐射微电子技术开发已有20多年。碳化硅的抗辐射能力更强，因为它的带隙更宽，带隙是电子从束缚在原子核上转变为参与传导所需的额外能量。硅的带隙为1.1电子伏特，而碳化硅的带隙为3.3至3.4电子伏特。这意味着需要更多的能量来干扰碳化硅的一个电子，因此杂散辐射不太可能做到这一点。

Zhang说，碳化硅芯片目前正在制造中，NASA每周都会举行一次会议，对它们进行太空任务测试。NASA的碳化硅设备有望在未来用于月球和金星任务。

英飞凌公司的Faraci表示，“人们现在正在使用碳化硅”设备。他们通过在远低于地球上设计参数的参数下使用这些设备来规避标准缺乏的问题，这是一种称为降额的技术。

另一种具有适当宽带隙的半导体是氮化镓（3.2eV，https://spectrum.ieee.org/gallium-nitride-the-ideal-semiconductor-for-powerhungry-electronics）。它最常见于LED中，也用于笔记本电脑充电器和其他低功耗消费电子产品。Faraci说，虽然它是一种用于太空应用的“非常令人兴奋”的材料，但它仍然是一种新材料，这意味着它必须经过大量测试才能被信任。

Mantooth说，氮化镓最适合低温环境，比如火星或月球的黑暗面。但是“如果我们在水星上做点什么，或者我们在太阳附近做点什么——任何高温的东西……碳化硅就是最佳选择。”

Emily Cooper

新材料并不是辐射硬化的唯一前沿；研究人员也在探索设计硅晶体管的新方法。两种CMOS生产方法已经具有抗辐射形式：绝缘体上硅（SOI，https://spectrum.ieee.org/transistor-wars）和鳍场效应晶体管（FinFET，https://spectrum.ieee.org/new-wafers-for-3d-transistors）。这两种方法都是为了防止一种称为单事件效应的辐射损伤，即高能粒子撞击电子设备，将其电子震到不该在的地方并翻转位。

在普通体CMOS中，电流通过通道从源极流到漏极，栅极充当开关，阻止或允许电流流动。这些位于硅的顶层。辐射可以激发硅中更深层的电荷，绕过栅极的控制，并允许电流在不应该流动时流动。辐射加固方法通过阻止这些激发电子的运动来发挥作用。

SOI设计在源极和漏极下方添加了一层绝缘体，如氧化硅，这样电荷就无法轻易流过通道下方。FinFET设计将漏极、源极和它们之间的沟道提升为一个或多个3D“鳍片”。受激电荷现在必须向下、周围和向上流动，才能绕过栅极。FinFET还天生抵抗另一种形式的辐射损伤：总电离剂量，当带电粒子的缓慢积聚改变器件沟道和栅极之间的绝缘层的特性时，就会发生电离剂量。

生产SOI器件和FinFET的技术已经存在了几十年。亚利桑那州立大学电气工程教授Hugh Barnaby表示，在21世纪初，它们在辐射加固方面的应用并不多，因为电路设计师仍然可以使用普通的块状CMOS器件，从而降低电路设计和布局中的辐射风险。但最近，随着CMOS器件变得越来越小，因此更容易受到辐射，人们对生产这些自然抗辐射的CMOS器件重新产生了兴趣，即使它们更专业、更昂贵。

Barnaby正在与一个团队合作，提高FinFET的辐射硬度。他们发现，增加更多的鳍片可以提高设备控制电流的能力，但会降低其辐射硬度。现在，他们正在努力重新安排鳍片的位置，以最大限度地提高抗辐射电路的效率。Barnaby说：“我们还没有做到这一点，但我相信它会奏效。”

用于高带宽、更快数据传输的光子系统

光子系统使用光而不是电子以很少的能量远距离传输信息。例如，互联网使用光纤快速传输大量数据。佐治亚理工学院电子学教授John Cressler表示，在过去的十年里，研究人员开发了硅光子集成电路，目前用于数据中心的高带宽信息传输，但也使我们能够在航天器中传输大量数据。

Cressler说：“如果你想想太空中的某些系统，它们可能是遥感或通信系统，它们会收集或移动大量数据，而这在光子学中更容易做到。”

最好的部分是什么？光子集成电路天生具有抗辐射能力，因为它们的数据传输是使用光子而不是电子进行的。高能量剂量的辐射不会像电子那样破坏光子，因为光子不带电。

Cressler预计，集成光子学将在未来两年内用于航天器。他说：“NASA和美国国防部，甚至商业太空公司都对光子学非常感兴趣。”

空间中的非易失性存储器

空间抗辐射研究的另一个有前景的领域是新型非易失性存储器。计算机通常使用静态随机存取存储器（SRAM）或动态随机存取存储器。这些是易失性存储器，这意味着一旦电源关闭，它们就无法存储其状态。但是非易失性存储器能够记住它们的状态。它们不需要持续的电力，因此降低了功耗需求。

目前，太空用非易失性存储器领域有两大领跑者：磁阻RAM (MRAM)和电阻 AM (ReRAM)。MRAM使用磁态来存储数据，而ReRAM使用一种称为忆阻的特性。这两种技术的设计都具有抗辐射能力；辐射不会影响MRAM的磁场或ReRAM的电阻。

范德堡大学空间与国防电子研究所所Michael Alle表示：“电阻式RAM是有望实现神经形态、低能耗计算的技术之一。”这是一种受大脑工作方式启发的计算形式。卫星通常不具备处理大量自身数据的能力，必须将其发回地球。但由于基于忆阻器的电路功耗较低，卫星可以在卫星上进行计算，从而节省通信带宽和时间。

虽然仍处于研究阶段，但Zhang预测，在未来10到15年内，我们将在太空中看到非易失性存储器。去年，U.S. Space Force与西部数据公司签订了3500万美元的合同，用于开发非易失性抗辐射存储器。

警告与希望

然而，Alles警告说，对这些新技术的真正考验不是它们如何独立工作，而是如何将它们整合为一个系统。你总是要问：“薄弱环节是什么？”如果一个强大的、具有辐射性的硬存储设备依赖于在辐射下失效的硅晶体管，那么它就毫无用处了。

随着太空探索和卫星发射不断增加，抗辐射对于我们的设计只会变得更加重要。Mantooth说：“令人兴奋的是，随着我们能力的提高，我们能够去以前无法去的地方，并在那里停留更长时间。我们现在还不能将电子设备送入太阳。但有一天，也许我们可以实现。”