Цивилизация
Беззащитная микросхема
Работа в космосе сопряжена с радиационными рисками, которые угрожают не только человеку, но и электронике. Речь идет о так называемом космическом излучении — потоке частиц, от которого нас на Земле скрывает атмосфера. На 90% оно состоит из протонов, на 7% — из альфа-частиц (ядер атома гелия), остальное — это электроны и более тяжелые ядра. Кроме того, объекты на орбите и вне ее подвержены жесткому излучению гамма- и рентгеновскими лучами.
Особенность космических лучей — в гигантских энергиях входящих в них частиц.
Предел, которого достигли сейчас ученые с помощью приборов, — протоны с энергией 7 ТэВ на Большом адронном коллайдере, тогда как энергия протонов в космических лучах может достигать 300 000 000 ТэВ! Этим объясняется то, что использовать в космосе «земные» чипы, поставив радиационную защиту, нельзя — такие огромные энергии не погасить слоем свинца разумных размеров. Поэтому борются с такими явлениями, модифицируя саму микросхему, а также подстраивая программное обеспечение под избежание «точечных» ошибок.
Что происходит с микросхемами при «ударе» космического излучения? Частицы с высокой энергией пролетают «сквозь» микросхемы, что провоцирует как отдельные ошибки в работе, вызванные «защелкиванием» транзисторов, так и потенциальные — полный выход из строя микросхемы.
Причем чем выше орбита спутника, тем сильнее излучение. Возможно, именно так мы потеряли «Фобос-Грунт».
Это доставляет проблемы и спутникам оборонного значения — они работают как раз на более высоких орбитах, чем телекоммуникационные спутники или устройства дистанционного зондирования Земли.
Технологически микросхемы, усиленные для использования в условиях космоса, на сегодня могут в значительной степени выдерживать космическое излучение . Например, чтобы сгладить эффект «защелкивания», которое приводит к сбоям в работе микросхемы, используется либо дополнительный контроль тока, либо специальная подложка, исключающая этот процесс.
Кто и где производит
Для космической микроэлектроники важнейшим камнем преткновения являются объемы производства: работы по дизайну микросхем приходится проводить ради в 10 тыс. раз меньших производственных партий, чем промышленная электроника. Это удорожает производство на те же порядки величин. Например, цена сложного логического микрочипа для космоса может достигать $100 тыс.
В этом смысле унификация спецификаций на бортовые системы и компоненты к ним могла бы оказать серьезную помощь местным производителям: возможность выпускать не штучные образцы, а организовать поточное производство сообразно универсальным регламентам Роскосмоса позволила бы им многократно снизить издержки.
Так, европейская компания STMicroelectronics выпускает усиленную микроэлектронику на отдельном заводе во французском городе Ренн, где находится линия по производству защищенных микросхем, включающая как особенную сборку на необходимых для стабильной работы в условиях радиации подложках, так и защитную упаковку и многоуровневое тестирование стабильности работы.
«Российские компании могут закупать усиленную микроэлектронику не только внутри страны, но и за рубежом. У нас нет ограничений на продажи для всех гражданских применений, военными программами мы не занимаемся», — говорит Алан Астье, вице-президент STMicroelectronics, которая поставляет усиленные микрочипы Европейскому космическому агентству (ЕКА ) и NASA. В частности, элементы STMicroelectronics работают сейчас на Марсе, обеспечивая «жизнь» марсохода Curiousity, а также на всех европейских ракетах Ariane и «европейского GPS» – GALILEO. «На нашем заводе мы производим собственные микросхемы, но есть возможность и производить подготовку для работы в условиях космоса, и разработанные другими производителями, в том числе российскими», — добавил Астье.
«Сейчас есть возможность обеспечивать все космические аппараты отечественными микросхемами нужного качества, исключая только элементы памяти, а их можно приобретать и за рубежом, на них нет особых ограничений. Однако Роскосмос не регламентирует необходимость использования усиленной микроэлектроники, как это делает, например, NASA, и в результате каждый разработчик использует микросхемы, ориентируясь на собственные взгляды и материальные возможности. Это, конечно, неправильно, регулятор должен вводить технические требования в этой области», — считает Александр Басаев, заместитель руководителя технологического центра Московского университета микроэлектроники в Зеленограде.
К примеру, в США существуют жесткие регламенты, устанавливающие требования к чипам класса Space или Military, а также определен круг оборудования, где должны применяться именно они, а не обычные промышленные микросхемы. И в Европе, и в США существуют нормативные документы, определяющие спецификацию микроэлектроники (для ЕКА это ESCC, для NASA — DSCC).
В пользу местных производителей и то, что космическая электроника весьма «инертна» по сравнению с промышленной. Стабильность здесь выходит на первый план.
«В то время как производители памяти и процессоров для смартфонов и ПК соревнуются в переходе на поколение технологий уровня 22 нм, работа на космос требует от производителя по 20–25 лет не снимать с производства продукт и не менять технологию: в ней до сих пор используется логика уровня 3 микрона (3000 нанометров) — и в европейской, и в американской аппаратуре. Такая долгая наработка технологий и структур на отказ позволяет делать сверхнадежные чипы. Благодаря отсутствию гонки за уменьшением топологических размеров эта ниша может быть практически полностью занята локальными производителями», — считает Карина Абагян, вице-президент НП «Содействие микроэлектронной промышленности».
Усиленная микроэлектроника нужна не только космосу, но и таким стратегически важным областям, как атомная энергетика и военные применения – ядерное оружие. Поэтому поддержка собственных производителей усиленной микроэлектроники — неотъемлемая часть работы по обеспечению независимого функционирования космической промышленности страны и ее безопасности.
Санкции санкциями, а космос покорять надо
Несмотря на тяжелую политическую обстановку и не самые лучшие отношения между Россией и ЕС, на минувшей неделе российский микроэлектронный кластер (г. Зеленоград) объявил о совместном российско-французском проекте сотрудничества в сфере космических исследований. Соответствующий документ был подписан при участии заместителя министра экономического развития РФ Олега Фомичева между Университетом Жозефа Фурье (Гренобль) и Московским институтом электронной техники (МИЭТ). В рамках проекта будет создан и запущен на орбиту образовательный российско-французский спутник для проведения на околоземной орбите ряда научных экспериментов, которые представляют значительный интерес для обеих сторон как с научной точки зрения, так и со стороны практического использования полученных результатов. Спутник предварительно называется ZEGREENSAT (Zelenograd — Grenoble EducatioNal SATellite) и включает в себя проекты, предложенные студентами МИЭТ и Университета Жозефа Фурье. Срок реализации проекта составит не менее 4–5 лет.
Стороны надеются, что архитектурные решения, электронные компоненты, блоки, узлы могут на долгие годы стать основой для создания бортовой аппаратуры перспективных космических аппаратов.
Университет Жозефа Фурье города Гренобля имеет богатый опыт научных и инструментальных разработок для проектов международного уровня. В частности, входящий в структуру вуза Институт им. Нееля участвовал в создании криогенной установки для космической обсерватории «Планк», Лаборатория субатомной физики и космологии изготавливала магнитный альфа-спектрометр, установленный на Международной космической станции, а сотрудники Института планетологии и астрофизики Гренобля принимали участие в разработке и создании космического аппарата «Розетта».
«Международная кооперация — важнейший формат обучения студентов и молодых специалистов, — отметил Александр Басаев из МИЭТ. — Задачи в проекте найдутся как для тех, кто собирается заниматься фундаментальными исследованиями материи и античастиц, так и для тех, кто будет решать прикладные задачи на промышленных предприятиях нашего города. Помимо научной ценности проект содействует выходу российских космических микрочипов и аппаратуры на мировые рынки».