Микроэлектроника для космоса и военных

Необходимое предисловие: 

Честно говоря, эта публикация появилось тут, в КОНТЕ исключительно как следствие вчерашнего весьма бурного обсуждения другой статьи, содержание которой касалось радиационных поясов Ван Аллена, прочих разновидносей космического излучения, возможности их нейтрализации и преодоления. Неоднократно в том или ином контексте всплывал вопрос о предмете, вынесенном в заголовок этой статьи. Думается, что более подробное освещение этой темы будет не лишним.

Сразу оговорюсь, что, хотя статья, позаимствованная мною с одного из специализированных ресурсов, и относится к 2012 году, ситуация с тех пор мало в чем-либо принципиально изменилась, а вот получить представление о том, какая же электроника всё-таки бывает вообще, а какая и почему должна и может летать в космос, никогда и никому, по-моему, в наше время не помешает. 

И последнее - я не стал сокращать оригинал или что-то менять в нем, поэтому в статье иногда приводятся понятные только "специально обученным людям" формулы - так пусть с ними эти люди и разбираются.:-)) Остальным же советую не заморачиваться с непонятными им значками и цифирЬками, а вникать в более понятную неспециалисту информацию. По-моему, она того стоит!

Да, если кому-то уже стало скучно и неинтересно, то читать дальше совсем не обязательно. :-) - прим. Nikkuro

Возможное, многие из вас думали после ситуации с Фобос-Грунтом — что такого особенного в микросхемах для космоса и почему они столько стоят? Почему нельзя поставить защиту от космического излучения? Что там за история с арестом людей, которые микросхемы экспортировали из США в Россию? Где все полимеры?

На эти вопросы я и попробую ответить в этой статье.

Disclaimer: Сведения получены из открытых источников и могут быть не вполне точными. Я лично с военной электроникой не работаю, а кто работает — те статьи писать не могут. Буду рад дополнить и исправить статью.

Дополнительные требования к космическим и военными микросхемам

В первую очередь — повышенные требования к надежности (как самого кристалла, так и корпуса), устойчивости к вибрации и перегрузкам, влажности, температурный диапазон — существенно шире, т.к. военная техника и в -40С должна работать, и при нагреве до 100С.

Затем — стойкость к поражающим факторам ядерного взрыва — ЭМИ, большой мгновенной дозе гамма/нейтронного излучения. Нормальная работа в момент взрыва может быть невозможна, но по крайней мере прибор не должен необратимо выйти из строя.

И наконец — если микросхема для космоса — стабильность параметров по мере медленного набора суммарной дозы облучения и выживание после встречи с тяжелым заряженным частицами космической радиации (об этом подробнее ниже).

Почему военные любят металлокерамические корпуса?

Долго выясняли, похоже раньше (в советские времена) пластик не выдерживал испытания по термоциклированию, был пористый (т.е. набирал влагу), и плохо переносил отрицательные температуры.

Ну и наконец — это простой способ снизить процент подделок, т.к. на рынке микросхемы в металлокерамическом корпусе не купить.

Но и у керамики есть минусы — она дороже, меньше вибростойкость и в целом от больших ускорений проволока, которой контактные площадки на кристалле соединены с выводами микросхемы, может отвалится (в пластиковом корпусе проволока «поддерживается» по всей длине пластиком).

О категориях микросхем

На западе микросхемы делятся на категории commercial, industrial, military и space.

Commercial — обычные, самые массовые микросхемы для домашних и офисных продуктов, обычно рассчитанные на диапазон температур 0..75C.

Industrial/Military — те же обычные микросхемы, но с дополнительным тестированием, рассчитанные на чуть более широкий температурный диапазон(-40..125С например) и опционально — в металлокерамическом корпусе (микросхемы, не прошедшие дополнительные тесты — могут быть проданы как Commercial).

Space — радиационно-стойкие микросхемы для космического применения, тут уже металлокерамический корпус скорее правило. На микросхемы Military и особенно Space существуют существенные ограничения на продажу заклятым друзьям — нужно получать специальные разрешения, и нам их если и продают — то только для гражданской техники (например условно гражданский ГЛОНАСС).

В России — все разделено несколько по другому: микросхемы продаются с приемкой 1 (т.н. приемка ОТК — отдела технического контроля, когда сам завод тестирует микросхемы), приемкой 5 (приемка заказчика, в случае военных — военный представитель контролирует тесты) и приемка 9 (когда к работам привлекается только наиболее квалифицированный персонал — для космоса и ядерных электростанций). Сама по себе приемка 5/9 не означает, что микросхема радиационно-стойкая — стойкость к спец.факторам указывается в (не публичной) документации на микросхему.

Вот эти дополнительные тесты, керамический корпус и мелкосерийное производство (когда стоимость разработки делится не на 1млн микросхем, а на 100) и приводят к тому, что военная/космическая микросхема стоит минимум в 10 раз дороже гражданской, а максимум — может и по 100'000$ за штуку стоить.

Однако не любую микросхему можно поставить в Российскую военную технику — существует список отечественных (в «отечественные» входят и Белорусские микросхемы из Интеграла) электронных компонент, которые можно использовать при создании техники, где все перечислено поименно. Если какой-то завод создает новую микросхему — то до попадания в этот список её нельзя будет использовать. 

Использование импортных микросхем требует индивидуального разрешения (с соответствующей формальной бюрократией о том, что отечественных аналогов нет, но как появятся — обязательно будем их использовать).

Как же влияет радиация на микросхемы

В «штуках частиц» космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов Водорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), ~1% более тяжелые атомы и ~1% электроны. Ну и звезды (включая солнце), ядра галактик, млечный путь — обильно освещают все не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением. Во время вспышек на солнце — радиация от солнца увеличивается в 1000-1'000'000 раз, что может быть серьёзной проблемой (как для людей будущего, так и нынешних космических аппаратов за пределами магнитосферы земли).

Нейтронов в космическом излучении нет по очевидной причине — свободные нейтроны имеют период полураспада 611 секунд, и превращаются в протоны. Даже от солнца нейтрону не долететь, разве что с совсем уж релятивистской скоростью. Небольшое количество нейтронов прилетает с земли, но это мелочи.

Вокруг земли есть 2 пояса заряженных частиц — так называемые радиационные пояса Ван Аллена: на высоте ~4000 км из протонов, и на высоте ~17 000 км из электронов. Частицы там движутся по замкнутым орбитам, захваченные магнитным полем земли. Также есть бразильская магнитная аномалия — где внутренний радиационный пояс ближе подходит к земле, до высоты 200км.

Электроны, гамма и рентгеновское излучение

Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему — в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов — пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад).

Помимо этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все pn переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи» — и если в космосе обычно радиация недостаточна, чтобы это сильно повлияло на работу микросхемы, во время ядерного взрыва потока гамма и рентгеновского излучения уже может быть достаточно, чтобы нарушить работу микросхемы за счет фотоэффекта.

Затем — флеш/EEPROM память. Кто-то может еще помнить старые микросхемы памяти с ультрафиолетовым стиранием:

Чтобы снизить стоимость, выпускалась и версия без кварцевого окна, считавшаяся однократно-программируемой. Но народные умельцы все равно умудрялись её стирать — рентгеновским излучением. Точно такой же эффект есть и в космосе — радиация мееедленно стирает данные в eeprom/flash памяти, поэтому все активно исследуют FRAM/MRAM память для космических применений (у нас этим занимается Интеграл и Ангстрем). Не стирается от радиации также память на пережигаемых и закорачиваемых перемычках — fuse и antifuse, с этим разбирается Микрон. На западе впрочем летают и на дешевой около-гражданской eeprom, и проблем в целом не имеют.

На низкой орбите 300-500км (там где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10'000-20'000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы.

Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) — протоны, альфа-частицы и ионы больших энергий

Это самая большая проблема космической электроники — ТЗЧ имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот — single-event upset, SEU), в худшем — привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания — то все будет работать как обычно.

Возможно именно это было с Фобос-Грунтом — по официальной версии не-радиационно-стойкие импортные микросхемы памяти дали сбой уже на втором витке, а это возможно только из-за ТЗЧ (по суммарной набранной дозе излучения на низкой орбите гражданский чип мог бы еще долго работать).

Именно защелкивание ограничивает использование обычных наземных микросхем в космосе со всякими программными хитростями для увеличения надежности.

Бороться с защелкиванием можно несколькими способами:

1) Следить за потребляемым током, и быстро передергивать питание

2) Использовать микросхемы на сапфировой подложке (Silicon-on-sapphire, SOS, в более общем виде Silicon-on-insulator, SOI) — это исключает формирование биполярных паразитных транзисторов и соответственно защелкивание. Программные ошибки тем не менее все равно могут быть. Пластины кремний-на-сапфире стоят дорого, обрабатывать их сложно, и они имеют ограниченное применение в гражданском секторе — соответственно производство получается дорогим.

3) Использовать так называемый triple-well процесс — он также очень сильно снижает возможность защелкивания микросхемы за счет дополнительной изоляции транзисторов pn-переходом, но не требует каких-то особенных пластин или оборудования и соответственно само производство намного дешевле кремния на сапфире.

Исторически, в СССР и России больше работали с кремнием на сапфире, а на западе — стараются как можно больше использовать обычный кремний с triple-well (чтобы совмещать с коммерческими продуктами и снижать стоимость), но и SOS/SOI тоже делают по необходимости.

Бор используется для легирования кремния и в виде боросиликатного стекла для изоляции слоев металла. Проблема в том, что природный бор на 20% состоит из Бора-10, который очень хорошо реагирует с нейтронами с выделением альфа-частицы прямо в сердце микросхемы. Это приводило к ошибкам работы микросхем, особенно памяти.

Нейтроны получаются как вторичная радиация, или прилетают от земли, как мы помним в космической радиации их нет.

Перейдем теперь к паре интересных мифов:

А давайте спутник в радиационную защиту завернем, и гражданские микросхемы поставим

Когда такая частица сталкивается например с атомом свинца радиационной защиты — она просто разрывает его в клочья. Осколки также будут иметь гигантскую энергию, и также будут разрывать в клочья все на своём пути. В конечном итоге — чем толще защита из тяжелых элементов — тем больше осколков и вторичной радиации мы получим. Свинцом можно сильно ослабить только относительно мягкую радиацию земных ядерных реакторов.

Аналогичным эффектом обладает и гамма-излучение высоких энергий — оно также способно разрывать тяжелые атомы в клочья за счет фотоядерной реакции.

И наконец, давайте взглянем на конструкцию рентгеновской трубки:

Электроны от катода летят в сторону анода из тяжелого металла, и при столкновении с ним — генерируется рентгеновское излучение за счет тормозного излучения. Когда электрон космического излучения прилетит к нашему кораблю — то наша радиационная защита и превратится в такую-вот естественную рентгеновскую трубку, рядом с нашими нежными микросхемами.

Из-за всех этих проблем радиационную защиту из тяжелых элементов, как на земле — в космосе не используют. Используют защиту большей частью состоящую из алюминия, водорода (из различных полиэтиленов и проч), т.к. его разбить можно только на субатомные частицы — а это намного сложнее, и такая защита генерирует меньше вторичной радиации.

Но в любом случае, от ТЗЧ защиты нет, более того — чем больше защиты — тем больше вторичной радиации от высокоэнергетических частиц, оптимальная толщина получается порядка 2-3мм Алюминия. Самое сложное что есть — это комбинация защиты из водорода, и чуть более тяжелых элементов (т.н. Graded-Z) — но это не сильно лучше чисто «водородной» защиты. В целом, космическую радиацию можно ослабить примерно в 10 раз, и на этом все.

Еще один миф — современные тех.процессы менее радиационно-стойкие

Шанс получить ошибку в конкретном транзисторе пропорционален его объему, а он быстро уменьшается с уменьшением технологии (т.к. транзисторы становятся не только меньше по площади, но и тоньше). Помимо этого, отмечено аномальное увеличение радиационной стойкости с современными толщинами подзатворных диэлектриков (3нм и менее).

В целом, на современных стойких тех.процессах (65нм и менее) рутинно получаются микросхемы выдерживающие дозу облучения в 1млн рад, что превышает все разумные требования по стойкости. Стойкость к защелкиванию и программным ошибкам — достигается за счет triple-well и специальных архитектурных решений.

О soft-ошибках (single-event upset)

Т.е. когда из-за ТЗЧ у нас произошло искажение содержимого памяти или логика сработала неправильно.

Бороться с этим остается только архитектурными способами — мажоритарной логикой (когда мы соединяем по 3 копии каждого нужного нам блока на некотором расстоянии друг от друга — тогда 2 правильных ответа «пересилят» один неправильный, использованием более стойких к ошибкам ячеек памяти (из 10 транзисторов, вместо обычных 6), использованием кодов коррекции ошибок в памяти, кеше и регистрах, и многим другим.

Но полностью от ошибок избавиться невозможно — нам ведь может повезти и ТЗЧ (вернее целый веер вторичных частиц) пройдет точно вдоль чипа, и чуть ли не 5% чипа могут сработать с ошибкой… Тут и нужна высоконадежная система из нескольких независимых компьютеров, и правильное их программирование.

Как разрабатывают космические и военные микросхемы

Из предыдущей статьи мы уже знаем, что микросхемы не растут на деревьях, разрабатывать их долго и дорого. Это в полной мере относится и к военным и космическим микросхемам. Ситуация тут однако усугубляется мелкосерийностью — и по своей инициативе что-либо разрабатывать заводу становится крайне сложно: потратить условно 1млн$ на разработку, а покупателям нужно всего 10 микросхем. За сколько их нужно продавать? 100'000$? 200'000$?

Поэтому государство финансирует ОКР на разработку нужных промышленности микросхем, и этих ОКР тьма тьмущая. Для примера можно глянуть на список ОКР одного Интеграла (там кстати и мелкие FPGA уже есть). Именно так появился и отечественный ARM — Миландр выполняя ОКР купил лицензию на Cortex-M3, cделал микроконтроллер для военных и произвел в нужном количестве, а затем — выпустил его и в гражданском варианте (и пластиковом корпусе), по конкурентоспособной цене.

Конечно, не все можно разработать с разумными затратами. Одно из больных мест — большие FPGA. Сама микросхема FPGA — не сложная в разработке, но вот софт для синтеза может быть очень сложным. В таких случаях может быть выгодным приобретение импортных микросхем в виде пластин с большим запасом, их тестирование и корпусировка. Вероятно так и появились отечественные FPGA 5576ХС4Т и 5576ХС3Т — которые программно совместимы с Altera но имеют отличающуюся распиновку.

В общем, сейчас российская электронная промышленность может разработать и произвести любую военную и космическую микроэлектронику (особенно после приобретения нового оборудования Микроном в 2007 и 2011 годах), но для этого кто-то должен эту разработку заказать и профинансировать с учетом срока разработки и изготовления в несколько лет. Или напрямую, или через государственную ОКР. Так что если вы слышите в интервью какого-нибудь руководителя слова «Вот, плохая отсталая отечественная промышленность не делает нам нужные микросхемы» это нужно понимать как «Мне лень профинансировать или выбить финансирование на создание всех нужных микросхем».

Но конечно много техники, сделанной 5-15 лет назад построены на импортных ключевых компонентах — это результат наших потерянных 90-х, когда в микроэлектронике все было совсем печально (впрочем, как и везде в то время). Вынужденное использование импортных компонент в 90-е и начале 2000-х — это конечно плохо и опасно, но выбор стоял простой- или делаем на импорте, или не делаем вообще. Последние годы за исправление ситуации с отечественной военной электроникой похоже взялись как следует, и находить оправдания для использования импортных компонент будет все сложнее.

И нужно помнить, что война — выигрывается в первую очередь на экономическом фронте. Кто эффективнее тратит ресурсы — тот и побеждает. Потому сложно упрекать оборонку в том, что мы не разрабатываем «для себя» абсолютно все, что разрабатывает весь западный мир вместе взятый — везде нужны компромиссы.

Аналогичные проблемы с военной электроникой есть и на западе — там тоже военные микросхемы стоят дорого из-за мелкосерийности (например RAD750 — 200 тыс $), и не от хорошей жизни был недавний скандал о массовых поставках поддельных микросхем для военной техники.

О «закладках»

Очень часто приходится слышать о «закладках» — магической кнопке, которой можно выключить импортные микросхемы. Конечно, все не так просто — от внешних радиосигналов электронка все равно защищена, и сигнал еще нужно умудриться подать.

Но вот что возможно — это снизить надежность поставляемых нам микросхем. Как известно, надежность — уже лет 10 как является результатом компромисса со скоростью и тепловыделением. И пути повышения и снижения надежности очень хорошо изучены: достаточно например не добавлять 1% меди в алюминиевые соединения, или отжигать микросхему не в дейтерии, а в водороде — и срок службы сократиться в 10 раз. Обнаружит ли это тестирование — еще вопрос.

Кроме того, использование импортных компонент в ключевых системах — это зависимость, которая может дорого стоить (и уже обходится дорого, т.к. покупать такие компоненты приходится с запасом). Ну и покупая микросхемы за рубежом — мы помогаем иностранным предприятиям решить их проблемы с мелкосерийностью

Некоторая опасность есть и в изготовлении микросхем на отечественных заводах, в случае если маски изготовляются за рубежом — мало того, что их теоретически можно скопировать и изучить, маски можно и модифицировать — компании вроде Chipworks вполне способны на это (например можно снизить надежность, нарушив работу мажоритарной логики или повредив работу структур коррекции ошибок). Обнаружить такие модификации будет очень сложно — не уверен, что готовые маски досконально сверяют с их электронным оригиналом.

Что за история с арестом людей, продававших микросхемы из США в Россию?

Сам по себе экспорт из США даже микросхем класса Military/Space не является проблемой — это может делаться вполне легально при прохождении соответствующей бюрократии. Проблемой является предоставление подложных документов о конечном использовании, чтобы избежать лишних сложностей по получению необходимых разрешений.

Список микросхем (стр 20, вероятно неполный, как минимум пара пунктов в начале списка отсутствуют) вызвал у всех недоумение — космических там не было, из самого крутого — EV10AQ190CTPY — Quad 10-bit 1.25 Gsps ADC.

Но самое главное в этой истории то, что за всеми этими товарищами и фирмами следили с самого начала — вся переписка, разговоры и проч. Соответственно, читаем предыдущий раздел статьи о «закладках» и возможном снижении надежности.

Резюме

Использование гражданских микросхем в космосе ограничено эффектом защелкивания, и возможно в лучшем случае на низких орбитах. На высоких орбитах и в дальнем космосе — нужны специальные радиационно-стойкие микросхемы, т.к. там мы лишены защиты магнитного поля земли, а от высокоэнергетических частиц космической радиации не спасет и метр свинца.

В импортных микросхемах «закладки» с дистанционным отключением сделать малореально, а вот снизить надежность и срок службы вполне возможно.

После темного десятилетия 90-х, в последнее годы начали наконец появляться относительно сложные отечественные микросхемы — микроконтроллеры, FPGA (мелкие — свои, крупные — из импортных пластин со своей корпусировкой и тестированием), процессоры (Комдив-ы, Эльбрус, МЦСТ R500, Миландровские ARM-ы). Ведется работа по условно «прорывным» технологиям военного назначения (рад.стойкая FRAM).

Так что если не случится конец света в этом году, все меньше военной и космической техники будет выходить с микросхемами «Made in Taiwan» и реже автоматические межпланетные станции будут бороздить просторы океана.

Источник