Quatre nouvelles façons de protéger l’électronique des radiations
Hier, la NASA a lancé avec succès l’Europa Clipper, le plus grand vaisseau spatial jamais construit par l’agence pour une mission planétaire. Clipper a maintenant entrepris avec succès son voyage de plusieurs années vers Europe, doté d’équipements permettant d’étudier le potentiel de la lune jovienne à abriter la vie. Mais il y a quelques mois à peine, la mission était presque vouée à l’échec. En juillet, des chercheurs de la NASA ont découvert qu’un groupe de transistors d’Europa Clipper tomberait en panne sous l’effet de Jupiter. niveaux de rayonnement extrêmes. Ils ont passé des mois à tester des appareils, à mettre à jour leurs trajectoires de vol et, finalement, à ajouter une « boîte à canaris » d’avertissement à leur appareil. surveiller les effets des radiations au fur et à mesure que la mission progresse.
La boîte à canaris « est une solution technique très logique à un problème », déclare Alan Mantoothmembre de l’IEEE et professeur de génie électrique à l’Université de l’Arkansas. Mais idéalement, cela n’aurait pas été nécessaire du tout. Si la NASA avait détecté plus tôt les problèmes de ces transistors ou conçu ses circuits avec une surveillance intégrée, cette ruée de dernière minute ne se serait pas produite. « C’est un patch intelligent », déclare Mantooth, « mais c’est un patch. »
Les scientifiques ont été «durcissement par rayonnement« l’électronique, les concevant pour fonctionner dans un environnement radioactif – depuis les années 1960. Mais à mesure que les missions spatiales deviennent plus ambitieuses, les techniques de durcissement aux radiations ont dû évoluer. «C’est un peu comme la cybersécurité», explique Mantooth. « Vous essayez toujours de vous améliorer. Il y a toujours un environnement plus difficile.
Avec l’accélération rapide d’entreprises comme SpaceX, l’industrie spatiale se trouve à « un énorme point d’inflexion », selon Éric Faraciingénieur chez Infineon qui travaille sur des projets aérospatiaux et de défense. « Tout ce que nous tenions pour acquis concernant la façon dont vous faites quelque chose, ce qui est accepté, les meilleures pratiques, tout a été remis en question. »
Dans les futures explorations spatiales, nous verrons davantage de systèmes fabriqués avec des semi-conducteurs alternatifs comme le carbure de silicium, des transistors CMOS spécialisés, la photonique intégrée et de nouveaux types de mémoire résistante aux radiations. Voici votre guide de la prochaine génération de technologie résistante aux radiations.
Bande interdite ultra large du carbure de silicium
La plupart des dispositifs électriques des engins spatiaux utilisent aujourd’hui le silicium comme semi-conducteur, mais la prochaine génération utilisera carbure de siliciumdit Enxia Zhangchercheur à l’Université de Floride centrale qui développe depuis plus de 20 ans une microélectronique résistante aux radiations. Le carbure de silicium est plus résistant aux rayonnements en raison de sa bande interdite plus large, qui correspond à l’énergie supplémentaire dont les électrons ont besoin pour passer de leur liaison au noyau d’un atome à leur participation à la conduction. Le silicium a une bande interdite de 1,1 électron-volt, tandis que celle du carbure de silicium varie de 3,3 à 3,4 eV. Cela signifie qu’il faut plus d’énergie pour perturber un électron du carbure de silicium, il est donc moins probable qu’une dose de rayonnement parasite parvienne à le faire.
Des puces en carbure de silicium sont actuellement fabriquées et la NASA organise une réunion hebdomadaire pour les tester en vue de missions spatiales, explique Zhang. Les dispositifs en carbure de silicium de la NASA devraient être utilisés lors de missions vers le Lune et Vénus à l’avenir.
« Les gens utilisent actuellement des appareils en carbure de silicium », déclare Faraci d’Infineon. Ils contournent le manque de normes en les utilisant à des paramètres bien inférieurs à ceux pour lesquels ils sont conçus sur Terre, une technique appelée déclassement.
Un autre semi-conducteur avec une bande interdite suffisamment large est nitrure de gallium (3,2 eV). On le trouve le plus souvent dans LEDil est également utilisé dans les chargeurs d’ordinateurs portables et autres appareils électroniques grand public à faible consommation. Bien qu’il s’agisse d’un matériau « très intéressant » pour les applications spatiales, il s’agit toujours d’un nouveau matériau, ce qui signifie qu’il doit subir de nombreux tests pour être fiable, explique Faraci.
Le nitrure de gallium est mieux adapté aux températures froides, comme sur Mars ou sur la face cachée de la Lune, explique Mantooth. Mais « si nous faisons quelque chose sur Mercure ou si nous faisons quelque chose près du Soleil, n’importe quel produit à haute température… le carbure de silicium est votre gagnant. »
Conceptions de silicium sur isolant et FinFET pour la conception de CMOS durcis aux radiations
Silicium sur isolant [center] et FinFET [right] Les conceptions CMOS ont une certaine dureté aux radiations, car leurs structures limitent les chemins de charge induits par les radiations.
Emilie Cooper
Les nouveaux matériaux ne constituent pas la seule frontière en matière de durcissement par rayonnement ; les chercheurs explorent également de nouvelles façons de concevoir des transistors en silicium. Deux méthodes de production de CMOS ont déjà une forme durcie aux radiations : silicium sur isolant (SOI), et transistors à effet de champ à ailettes (FinFET). Les deux méthodes sont conçues pour prévenir un type de dommage dû aux radiations appelé effets d’événement unique, dans lesquels une particule de haute énergie frappe un appareil électronique, propulsant ses électrons dans des endroits où ils ne devraient pas se trouver et renversant des bits.
Dans le CMOS de masse ordinaire, le courant circule de la source au drain à travers le canal, avec une grille agissant comme un interrupteur, bloquant ou autorisant la circulation du courant. Ceux-ci se trouvent dans la couche supérieure de silicium. Le rayonnement peut exciter des charges plus profondément dans le silicium, contournant le contrôle de la grille et permettant au courant de circuler alors qu’il ne devrait pas. Les méthodes de durcissement par rayonnement fonctionnent en empêchant le mouvement de ces électrons excités.
Les conceptions SOI ajoutent une couche d’isolant comme l’oxyde de silicium sous la source et le drain, de sorte que les charges ne puissent pas circuler aussi facilement sous le canal. Les conceptions FinFET élèvent le drain, la source et le canal entre eux en une ou plusieurs « ailettes » 3D. Les charges excitées doivent maintenant circuler vers le bas, autour et remonter afin de contourner la porte. Les FinFET sont également naturellement résistants à une autre forme de dommages causés par les radiations : la dose ionisante totale, qui se produit lorsqu’une lente accumulation de particules chargées modifie les propriétés de la couche isolante entre le canal et la grille d’un appareil.
Les techniques permettant de produire des dispositifs SOI et des FinFET existent depuis des décennies. Dans les années 2000, ils n’étaient pas autant utilisés pour le durcissement aux rayonnements, car les concepteurs de circuits pouvaient encore utiliser des dispositifs CMOS ordinaires en vrac, atténuant ainsi les risques de rayonnement dans la conception et la configuration de leurs circuits, selon Hugh Barnabéprofesseur de génie électrique à l’Arizona State University. Mais dernièrement, à mesure que les appareils CMOS sont devenus plus petits et donc plus vulnérables aux radiations, il y a eu intérêt renouvelé dans la production de ces variétés de dispositifs CMOS naturellement résistants au rayonnement, même s’ils sont plus spécialisés et plus coûteux.
Barnaby travaille avec une équipe pour améliorer la dureté des radiations dans les FinFET. Ils ont constaté que l’ajout de plus d’ailettes augmentait la capacité de l’appareil à contrôler le courant, mais réduisait sa dureté aux radiations. Ils s’efforcent désormais de réorganiser l’emplacement des ailettes afin de maximiser l’efficacité des circuits résistants aux radiations. « Nous ne l’avons pas encore fait », déclare Barnaby, « mais je suis sûr que cela fonctionnera. »
Systèmes photoniques pour une bande passante élevée et un transfert de données plus rapide
Les systèmes photoniques utilisent la lumière au lieu des électrons pour transférer des informations sur de longues distances avec peu d’énergie. Par exemple, Internet utilise des fibres optiques pour transférer rapidement de grandes quantités de données. Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont développé circuits intégrés photoniques sur silicium qui sont actuellement utilisés pour la haute transmission d’informations sur la bande passante dans les datacenters, mais permettrait également de déplacer de gros volumes de données dans un vaisseau spatialselon John Cresslerprofesseur d’électronique à Georgia Tech.
« Si vous pensez à certains des systèmes qui sont dans l’espace, qu’il s’agisse peut-être de télédétection ou de communication », explique Cressler, « ils collectent ou déplacent beaucoup de données et c’est beaucoup plus facile à faire dans l’espace. photonique.
La meilleure partie ? Les circuits intégrés photoniques sont naturellement résistants aux radiations, car leur transfert de données s’effectue à l’aide de photons au lieu d’électrons. Une dose de rayonnement à haute énergie ne perturbera pas un photon comme elle le ferait pour un électron, car les photons ne sont pas chargés électriquement.
Cressler prévoit que la photonique intégrée sera utilisée dans les vaisseaux spatiaux au cours des deux prochaines années. « La NASA et le [U.S. Department of Defense] et même un espace commercial [companies] sont très intéressés par la photonique », dit-il.
Mémoire non volatile dans l’espace
Un autre domaine de recherche prometteur sur la dureté des radiations dans l’espace concerne les nouveaux types de mémoires non volatiles. Les ordinateurs utilisent généralement une mémoire vive statique (SRAM) ou une mémoire vive dynamique (DRAM). Ce sont des mémoires volatiles, ce qui signifie qu’une fois l’alimentation coupée, elles ne peuvent pas stocker leur état. Mais les mémoires non volatiles sont capables de se souvenir de leur état. Ils ne nécessitent pas d’alimentation continue et réduisent donc les besoins en consommation électrique.
Il existe deux leaders en matière de mémoire non volatile destinée à être utilisée dans l’espace : la RAM magnétorésistive (MRAM) et la RAM résistive (ReRAM). MRAM utilise des états magnétiques pour stocker les données, et ReRAM utilise une qualité appelée mémorisation. Les deux technologies sont résistantes aux radiations simplement de par la façon dont elles sont conçues ; le rayonnement n’affectera pas les champs magnétiques de la MRAM ou les résistances de la ReRAM.
« La RAM résistive est l’une des technologies qui ont le potentiel d’aboutir à un calcul neuromorphique à faible consommation d’énergie », déclare Michael Allesdirecteur de l’Institut d’électronique spatiale et de défense de l’Université Vanderbilt, faisant référence à une forme d’informatique inspirée du fonctionnement du cerveau. Les satellites ne sont généralement pas équipés de la capacité de traiter une grande partie de leurs propres données et doivent les renvoyer vers la Terre. Mais avec le consommation d’énergie réduite Grâce à des circuits basés sur des memristors, les satellites pourraient effectuer des calculs à bord, économisant ainsi de la bande passante et du temps de communication.
Bien qu’encore en phase de recherche, Zhang prédit que nous verrons une mémoire non volatile dans l’espace au cours des 10 à 15 prochaines années. L’année dernière, l’US Space Force a engagé Western Digital pour 35 millions de dollars afin de développer une mémoire non volatile résistante aux radiations.
Une note de prudence et d’espoir
Alles prévient cependant que le véritable test de ces nouvelles technologies ne sera pas de savoir comment elles fonctionnent seules, mais plutôt de savoir comment elles peuvent être intégrées pour fonctionner en tant que système. Il faut toujours se demander : « Quel est le maillon faible ? » Un dispositif de mémoire puissant et résistant aux radiations pourrait ne servir à rien s’il dépend d’un transistor en silicium qui tombe en panne sous l’effet des radiations.
À mesure que l’exploration spatiale et les lancements de satellites continuent de s’accélérer, le durcissement aux radiations deviendra de plus en plus vital pour nos conceptions. « Ce qui est passionnant, c’est qu’à mesure que nous développons nos capacités, nous sommes en mesure d’aller dans des endroits où nous n’avions jamais pu aller auparavant et d’y rester plus longtemps », explique Mantooth. « Nous ne pouvons pas envoyer d’appareils électroniques vers le Soleil pour le moment. Mais un jour, peut-être que nous le ferons.
À partir des articles de votre site
Articles connexes sur le Web
Source link
