أربع طرق جديدة لحماية الإلكترونيات من الإشعاع
أطلقت وكالة ناسا بالأمس بنجاح مركبة أوروبا كليبر، وهي أكبر مركبة فضائية بنتها الوكالة على الإطلاق لمهمة كوكبية. تنطلق كليبر الآن بنجاح في رحلتها التي تستغرق عدة سنوات إلى أوروبا، وهي مليئة بالمعدات اللازمة لدراسة إمكانات قمر جوفيان لدعم الحياة، ولكن قبل بضعة أشهر فقط، كانت المهمة محكوم عليها بالفشل تقريبًا. في يوليو/تموز، اكتشف باحثون في وكالة ناسا أن مجموعة من ترانزستورات يوروبا كليبر ستفشل تحت تأثير كوكب المشتري. مستويات الإشعاع القصوى. لقد أمضوا أشهرًا في اختبار الأجهزة، وتحديث مسارات رحلاتهم، وفي النهاية إضافة “صندوق الكناري” التحذيري إليها مراقبة آثار الإشعاع مع تقدم المهمة.
يقول صندوق الكناري “إنه حل هندسي منطقي للغاية لمشكلة ما”. آلان مانتوث، زميل IEEE وأستاذ الهندسة الكهربائية في جامعة أركنساس. ولكن من الناحية المثالية، لم تكن هناك حاجة إليها على الإطلاق. لو كانت وكالة ناسا قد اكتشفت المشكلات المتعلقة بهذه الترانزستورات في وقت سابق أو صممت دوائرها بمراقبة مدمجة، لما حدث هذا التدافع في اللحظة الأخيرة. يقول مانتوث: «إنها رقعة ذكية، لكنها رقعة».
لقد كان العلماء “تصلب الإشعاع“الإلكترونيات – تصميمها لتعمل في بيئة مشعة – منذ الستينيات. ولكن مع ازدياد طموح البعثات إلى الفضاء، كان لا بد من تطور تقنيات التقوية الإشعاعية. يقول مانتوث: “إنه نوع من الأمن السيبراني”. “أنت تحاول دائمًا أن تتحسن. هناك دائما بيئة أكثر قسوة.”
ومع التسارع السريع لشركات مثل سبيس إكس، فإن صناعة الفضاء تمر “بنقطة انعطاف هائلة”، كما يقول إريك فاراسي، المهندس في شركة إنفينيون الذي يعمل في مشاريع الفضاء والدفاع. “كل شيء اعتدنا أن نعتبره أمرًا مفروغًا منه حول كيفية القيام بشيء ما، وما هو مقبول، وأفضل الممارسات – أصبح كل شيء موضع تساؤل.”
في استكشاف الفضاء في المستقبل، سنرى المزيد من الأنظمة المصنوعة من أشباه الموصلات البديلة مثل كربيد السيليكون، وترانزستورات CMOS المتخصصة، والضوئيات المتكاملة، وأنواع جديدة من الذاكرة المقاومة للإشعاع. إليك دليلك للجيل القادم من التكنولوجيا المقواة بالإشعاع.
فجوة النطاق فائقة الاتساع في كربيد السيليكون
تستخدم معظم أجهزة الطاقة في المركبات الفضائية اليوم السيليكون باعتباره أشباه الموصلات، لكن الجيل القادم سيستخدمه كربيد السيليكونيقول إنكسيا تشانغ، باحث في جامعة سنترال فلوريدا قام بتطوير الإلكترونيات الدقيقة الصلبة الإشعاعية لأكثر من 20 عامًا. يعتبر كربيد السيليكون أكثر مقاومة للإشعاع بسبب فجوة نطاقه الأوسع، وهي الطاقة الإضافية التي تحتاجها الإلكترونات للانتقال من الارتباط بنواة الذرة إلى المشاركة في التوصيل. يحتوي السيليكون على فجوة نطاق تبلغ 1.1 إلكترون فولت، بينما يتراوح نطاق كربيد السيليكون من 3.3 إلى 3.4 فولت. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى المزيد من الطاقة لإزعاج إلكترون من كربيد السيليكون، لذا فمن غير المرجح أن تتمكن جرعة من الإشعاع الشارد من القيام بذلك.
ويقول تشانغ إنه يتم حاليًا تصنيع رقائق كربيد السيليكون، وتعقد وكالة ناسا اجتماعًا أسبوعيًا لاختبارها من أجل المهام الفضائية. ومن المتوقع أن يتم استخدام أجهزة كربيد السيليكون التابعة لناسا في البعثات إلى الفضاء قمر و فينوس في المستقبل.
يقول فاراسي من شركة إنفينيون: “يستخدم الناس الآن أجهزة كربيد السيليكون في الطيران”. إنهم يتغلبون على نقص المعايير من خلال استخدامها بمعايير أقل بكثير مما تم تصميمهم من أجله على الأرض، وهي تقنية تسمى ديراتينغ.
أشباه الموصلات الأخرى ذات فجوة نطاق واسعة بشكل مناسب هي نيتريد الغاليوم (3.2 فولت). الأكثر شيوعًا في المصابيح، يتم استخدامه أيضًا في أجهزة شحن الكمبيوتر المحمول وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية ذات الطاقة المنخفضة. على الرغم من أنها مادة “مثيرة للغاية” للتطبيقات الفضائية، إلا أنها لا تزال مادة جديدة، مما يعني أنها يجب أن تخضع للكثير من الاختبارات حتى يمكن الاعتماد عليها، كما يقول فاراسي.
يقول مانتوث إن نيتريد الغاليوم هو الأنسب لدرجات الحرارة الباردة، كما هو الحال في المريخ أو الجانب المظلم من القمر. ولكن “إذا كنا نفعل شيئًا ما على عطارد أو كنا نفعل شيئًا قريبًا من الشمس، أي شيء ذو درجة حرارة عالية، فإن كربيد السيليكون هو الفائز.”
السيليكون في تصميمات العوازل وFinFETs لتصميم CMOS المقوى بالإشعاع
السيليكون على عازل [center] و فينفيت [right] تتميز تصميمات CMOS ببعض الصلابة الإشعاعية، لأن بنيتها تحد من مسارات الشحنة الناتجة عن الإشعاع.
إميلي كوبر
المواد الجديدة ليست الحدود الوحيدة في مجال التصلب الإشعاعي؛ ويستكشف الباحثون أيضًا طرقًا جديدة لتصميم ترانزستورات السيليكون. هناك طريقتان لإنتاج CMOS لهما بالفعل شكل مقوى بالإشعاع: السيليكون على عازل (SOI)، و ترانزستورات تأثير المجال الزعنفة (فينفيت). تم تصميم كلتا الطريقتين لمنع نوع من الضرر الإشعاعي يسمى تأثيرات الحدث الفردي، حيث يصطدم جسيم عالي الطاقة بجهاز إلكتروني، مما يؤدي إلى هز إلكتروناته إلى أماكن لا ينبغي أن تكون فيها وتقلب القطع.
في CMOS السائبة العادية، يتدفق التيار من المصدر إلى المصرف عبر القناة، مع وجود بوابة تعمل كمفتاح، أو تمنع تدفق التيار أو تسمح به. هذه تقع في الطبقة العليا من السيليكون. يمكن للإشعاع أن يثير شحنات أعمق في السيليكون متجاوزًا التحكم في البوابة ويسمح للتيار بالتدفق عندما لا ينبغي له ذلك. تعمل طرق التقسية الإشعاعية عن طريق إعاقة حركة هذه الإلكترونات المثارة.
تضيف تصميمات SOI طبقة من عازل مثل أكسيد السيليكون أسفل المصدر والمصرف، بحيث لا يمكن أن تتدفق الشحنات بسهولة أسفل القناة. تعمل تصميمات FinFET على رفع الصرف والمصدر والقناة بينهما إلى “زعانف” ثلاثية الأبعاد أو أكثر. يجب الآن أن تتدفق الشحنات المثارة إلى الأسفل، حولها، ثم إلى الخلف من أجل تجاوز البوابة. كما أن FinFETs مقاومة بشكل طبيعي لشكل آخر من أشكال الضرر الإشعاعي: الجرعة المؤينة الإجمالية، والتي تحدث عندما يؤدي التراكم البطيء للجسيمات المشحونة إلى تغيير خصائص الطبقة العازلة بين قناة وبوابة الجهاز.
تقنيات إنتاج أجهزة SOI وFinFETs موجودة منذ عقود. في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، لم يتم استخدامها بنفس القدر في التقوية الإشعاعية، لأن مصممي الدوائر لا يزال بإمكانهم استخدام أجهزة CMOS عادية كبيرة الحجم، مما يخفف من مخاطر الإشعاع في تصميم دوائرهم وتخطيطها، وفقًا لـ هيو بارنابي، أستاذ الهندسة الكهربائية في جامعة ولاية أريزونا. لكن في الآونة الأخيرة، نظرًا لأن أجهزة CMOS أصبحت أصغر حجمًا وبالتالي أكثر عرضة للإشعاع، فقد حدث ذلك الاهتمام المتجدد في إنتاج هذه الأنواع الصلبة من أجهزة CMOS ذات الإشعاع الطبيعي، حتى لو كانت أكثر تخصصًا وأكثر تكلفة.
يعمل بارنابي مع فريق على تحسين صلابة الإشعاع في FinFETs. ووجدوا أن إضافة المزيد من الزعانف يزيد من قدرة الجهاز على التحكم في التيار، لكنه يقلل من صلابته الإشعاعية. وهم يعملون الآن على إعادة ترتيب أماكن الزعانف لتحقيق أقصى قدر من فعالية الدوائر المقاومة للإشعاع. يقول بارنابي: “لم نقم بهذا الأمر بعد، لكنني متأكد من أنه سينجح”.
الأنظمة الضوئية لعرض النطاق الترددي العالي ونقل البيانات بشكل أسرع
تستخدم الأنظمة الضوئية الضوء بدلاً من الإلكترونات لنقل المعلومات عبر مسافات طويلة بطاقة قليلة. على سبيل المثال، يستخدم الإنترنت الألياف الضوئية لنقل كميات كبيرة من البيانات بسرعة. وفي العقد الماضي، تطور الباحثون الدوائر المتكاملة لضوئيات السيليكون والتي تستخدم حاليا لارتفاع نقل المعلومات عرض النطاق الترددي في مراكز البيانات، ولكنها ستمكننا أيضًا من ذلك نقل كميات كبيرة من البيانات في المركبات الفضائية، وفق جون كريسلر، أستاذ الإلكترونيات في جامعة جورجيا للتكنولوجيا.
يقول كريسلر: “إذا فكرت في بعض الأنظمة الموجودة في الفضاء، ربما تكون أنظمة استشعار عن بعد أو اتصالات، فستجد أن لديها الكثير من البيانات التي يجمعونها أو ينقلونها، وهذا أسهل بكثير للقيام به”. الضوئيات.”
أفضل جزء؟ تعتبر الدوائر الضوئية المتكاملة مقاومة للإشعاع بشكل طبيعي، لأن نقل بياناتها يتم باستخدام الفوتونات بدلاً من الإلكترونات. لن تؤدي جرعة عالية من الإشعاع إلى تعطيل الفوتون كما يحدث مع الإلكترون، لأن الفوتونات ليست مشحونة كهربائيًا.
ويتوقع كريسلر أن يتم استخدام الضوئيات المتكاملة في المركبات الفضائية خلال العامين المقبلين. “ناسا و [U.S. Department of Defense] وحتى الفضاء التجاري [companies] يقول: “إنهم مهتمون جدًا بالضوئيات”.
الذاكرة غير المتطايرة في الفضاء
هناك مجال بحثي واعد آخر حول صلابة الإشعاع في الفضاء وهو الأنواع الجديدة من الذاكرة غير المتطايرة. تستخدم أجهزة الكمبيوتر عادةً ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM) أو ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM). هذه ذكريات متطايرة، مما يعني أنه بمجرد انقطاع التيار الكهربائي، لا يمكنها تخزين حالتها. لكن الذكريات غير المتطايرة قادرة على تذكر حالتها. وهي لا تتطلب طاقة مستمرة، وبالتالي تقلل من احتياجات استهلاك الطاقة.
هناك نوعان من المتسابقين الأوائل في الذاكرة غير المتطايرة للاستخدام في الفضاء: ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية (MRAM)، وذاكرة الوصول العشوائي المقاومة (ReRAM). يستخدم MRAM الحالات المغناطيسية لتخزين البيانات، ويستخدم ReRAM جودة تسمى الذاكرة. كلتا التقنيتين تعتبران إشعاعيتين قويتين ببساطة بسبب طريقة تصميمهما؛ لن يؤثر الإشعاع على المجالات المغناطيسية لـ MRAM أو مقاومات ReRAM.
يقول: “إن ذاكرة الوصول العشوائي المقاومة هي إحدى التقنيات التي لديها القدرة على الوصول إلى الحوسبة العصبية منخفضة الطاقة”. مايكل أليس، مدير معهد الفضاء والإلكترونيات الدفاعية في جامعة فاندربيلت، في إشارة إلى شكل من أشكال الحوسبة مستوحى من كيفية عمل العقول. عادة ما تكون الأقمار الصناعية غير مجهزة بالقدرة على معالجة الكثير من البيانات الخاصة بها، وعليها إرسالها مرة أخرى إلى الأرض. ولكن مع انخفاض استهلاك الطاقة من خلال الدوائر المعتمدة على الممرستور، يمكن للأقمار الصناعية إجراء العمليات الحسابية على متنها، مما يوفر عرض النطاق الترددي للاتصالات والوقت.
وعلى الرغم من أن هذا لا يزال في مراحل البحث، إلا أن تشانغ يتوقع أننا سنرى ذاكرة غير متطايرة في الفضاء خلال السنوات العشر إلى الخمس عشرة القادمة. في العام الماضي، تعاقدت قوة الفضاء الأمريكية مع شركة Western Digital بقيمة 35 مليون دولار لتطوير ذاكرة مقواة بالإشعاع غير المتطاير.
مذكرة الحذر والأمل
ومع ذلك، يحذر أليس من أن الاختبار الحقيقي لهذه التقنيات الجديدة لن يكون في كيفية عملها بمفردها، بل في كيفية دمجها للعمل كنظام. عليك دائمًا أن تسأل: “ما هي الحلقة الضعيفة؟” يمكن لجهاز الذاكرة الصلبة القوي والإشعاعي أن يكون بلا جدوى، إذا كان يعتمد على ترانزستور السيليكون الذي يفشل تحت الإشعاع.
مع استمرار تكثيف استكشاف الفضاء وإطلاق الأقمار الصناعية، سيصبح التصلب الإشعاعي أكثر أهمية لتصاميمنا. يقول مانتوث: “الأمر المثير هو أنه بينما نطور قدراتنا، نكون قادرين على الذهاب إلى أماكن لم نتمكن من الذهاب إليها من قبل والبقاء هناك لفترة أطول”. “لا يمكننا أن نطير بالإلكترونيات إلى الشمس الآن. ولكن في يوم من الأيام، ربما سنفعل ذلك”.
من مقالات موقعك
مقالات ذات صلة حول الويب
