تصلب الجلد الناتج عن الإشعاع

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

إن التحصين الإشعاعي هو عملية جعل المكونات والدوائر الإلكترونية مقاومة للتلف أو الخلل الناجم عن المستويات العالية من الإشعاع المؤين ( إشعاع الجسيمات والإشعاع الكهرومغناطيسي عالي الطاقة )، ​​[ 1 ] وخاصة في البيئات الموجودة في الفضاء الخارجي (وخاصة ما وراء مدار الأرض المنخفض )، وحول المفاعلات النووية ومسرعات الجسيمات ، أو أثناء الحوادث النووية أو الحرب النووية .

معظم مكونات أشباه الموصلات الإلكترونية عرضة للتلف الإشعاعي، وتعتمد المكونات المقاومة للإشعاع على نظيراتها غير المقاومة، مع بعض الاختلافات في التصميم والتصنيع التي تقلل من قابليتها للتلف الإشعاعي. ونظرًا لانخفاض الطلب عليها، وللتطوير والاختبار المكثفين اللازمين لإنتاج تصميم مقاوم للإشعاع لرقاقة إلكترونية دقيقة ، فإن تقنية الرقائق المقاومة للإشعاع تميل إلى التخلف عن أحدث التطورات. [ 2 ] كما أنها عادةً ما تكون أغلى من نظيراتها التجارية. [ 2 ]

تخضع المنتجات المقاومة للإشعاع عادةً لاختبار واحد أو أكثر من اختبارات التأثيرات الناتجة، بما في ذلك الجرعة المؤينة الكلية (TID)، وتأثيرات معدل الجرعة المنخفضة المحسنة (ELDRS)، وتلف إزاحة النيوترونات والبروتونات، وتأثيرات الأحداث الفردية (SEEs).

المشاكل الناجمة عن الإشعاع

Environments with high levels of ionizing radiation create special design challenges. A single charged particle can knock thousands of electrons loose, causing electronic noise and signal spikes. In the case of digital circuits, this can cause results which are inaccurate or unintelligible. This is a particularly serious problem in the design of satellites, spacecraft, future quantum computers,[3][4][5]military aircraft, nuclear power stations, and nuclear weapons. In order to ensure the proper operation of such systems, manufacturers of integrated circuits and sensors intended for the military or aerospace markets employ various methods of radiation hardening. The resulting systems are said to be rad(iation)-hardened, rad-hard, or (within context) hardened.

Major radiation damage sources

Typical sources of exposure of electronics to ionizing radiation are the Van Allen radiation belts for satellites, nuclear reactors in power plants for sensors and control circuits, particle accelerators for control electronics (particularly particle detector devices), residual radiation from isotopes in chip packaging materials, cosmic radiation for spacecraft and high-altitude aircraft, and nuclear explosions for potentially all military and civilian electronics.

Secondary particles result from interaction of other kinds of radiation with structures around the electronic devices.

  • Van Allen radiation belts contain electrons (up to about 10 MeV) and protons (up to 100s MeV) trapped in the geomagnetic field. The particle flux in the regions farther from the Earth can vary wildly depending on the actual conditions of the Sun and the magnetosphere. Due to their position they pose a concern for satellites.
  • Nuclear reactors produce gamma radiation and neutron radiation which can affect sensor and control circuits in nuclear power plants.
  • تُنتج مسرعات الجسيمات بروتونات وإلكترونات عالية الطاقة، وتُسبب الجسيمات الثانوية الناتجة عن تفاعلاتها أضرارًا إشعاعية كبيرة على مكونات التحكم الحساسة وكاشف الجسيمات، تصل إلى 10 ميغاراد [سيليكون] / سنة لأنظمة مثل مصادم الهادرونات الكبير . [ 6 ]
  • كانت مواد تغليف الرقائق مصدرًا خفيًا للإشعاع، وقد تبيّن في سبعينيات القرن الماضي أنها تُسبب أخطاءً عابرة في رقائق ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) الجديدة. إذ كانت آثار العناصر المشعة في تغليف الرقائق تُنتج جسيمات ألفا، التي كانت بدورها تُفرغ شحنات بعض المكثفات المستخدمة لتخزين بتات بيانات ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية. وقد انخفضت هذه الآثار اليوم باستخدام مواد تغليف أنقى، وتوظيف رموز تصحيح الأخطاء لاكتشاف أخطاء ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية وتصحيحها في أغلب الأحيان.
  • تأتي الأشعة الكونية من جميع الاتجاهات، وتتكون من حوالي 85% بروتونات ، و14% جسيمات ألفا ، و1% أيونات ثقيلة ، بالإضافة إلى أشعة سينية وأشعة غاما. وتنتج معظم التأثيرات عن جسيمات ذات طاقات تتراوح بين 0.1 و20 جيجا إلكترون فولت . ويقوم الغلاف الجوي بترشيح معظم هذه الجسيمات، لذا فهي تشكل مصدر قلق رئيسي للمركبات الفضائية والطائرات التي تحلق على ارتفاعات عالية، ولكنها قد تؤثر أيضًا على أجهزة الكمبيوتر العادية على سطح الأرض. [ 7 ] [ 8 ]
  • تأتي أحداث الجسيمات الشمسية من اتجاه الشمس وتتكون من تدفق كبير من البروتونات عالية الطاقة (عدة جيجا إلكترون فولت) والأيونات الثقيلة، مصحوبة مرة أخرى بإشعاع الأشعة السينية.
  • تُنتج الانفجارات النووية موجة قصيرة وشديدة للغاية من الإشعاع الكهرومغناطيسي، تُعرف بالنبضة الكهرومغناطيسية (EMP)، وإشعاع النيوترونات، وتدفق الجسيمات المشحونة الأولية والثانوية. وفي حال نشوب حرب نووية، تُشكل هذه الانفجارات خطراً محتملاً على جميع الأجهزة الإلكترونية المدنية والعسكرية.

تأثيرات الإشعاع على الإلكترونيات

الآليات الأساسية

تحدث آليتان أساسيتان للضرر:

إزاحة الشبكة

ينتج انزياح الشبكة البلورية عن النيوترونات والبروتونات وجسيمات ألفا والأيونات الثقيلة وفوتونات غاما عالية الطاقة . تُغير هذه الجسيمات ترتيب الذرات في الشبكة البلورية ، مُحدثةً ضررًا دائمًا، ومُزيدةً من عدد مراكز إعادة التركيب ، ومُستنزفةً حاملات الشحنة الثانوية ، ومُؤديةً إلى تدهور الخصائص التناظرية لوصلات أشباه الموصلات المُتأثرة . على عكس المتوقع، تُسبب الجرعات العالية خلال فترة قصيرة تلدينًا جزئيًا ("شفاءً") للشبكة المتضررة، مما يُؤدي إلى درجة ضرر أقل مقارنةً بالجرعات نفسها المُقدمة بكثافة منخفضة على مدى فترة طويلة (معدل جرعة منخفض). يُعد هذا النوع من المشاكل بالغ الأهمية في الترانزستورات ثنائية القطب ، التي تعتمد على حاملات الشحنة الثانوية في مناطق قاعدتها؛ حيث تُؤدي الخسائر المتزايدة الناتجة عن إعادة التركيب إلى فقدان كسب الترانزستور (انظر تأثيرات النيوترونات ). المكونات المعتمدة على أنها خالية من ELDRS (حساسة لمعدل الجرعة المنخفضة المحسنة) لا تظهر أي ضرر مع التدفقات الأقل من 0.01 راد (Si)/ثانية = 36 راد (Si)/ساعة.

تأثيرات التأين

تنتج تأثيرات التأين عن الجسيمات المشحونة، بما في ذلك تلك ذات الطاقة المنخفضة جدًا بحيث لا تُحدث تأثيرات على الشبكة البلورية. عادةً ما تكون تأثيرات التأين عابرة، مُسببةً خللاً وأخطاءً طفيفة، ولكنها قد تؤدي إلى تلف الجهاز إذا ما حفزت آليات تلف أخرى (مثل ظاهرة التثبيت ). قد يندرج التيار الضوئي الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية ضمن هذه الفئة أيضًا. يؤدي التراكم التدريجي للثقوب في طبقة الأكسيد في ترانزستورات MOSFET إلى تدهور أدائها، وصولًا إلى تلف الجهاز عند بلوغ الجرعة مستوىً كافيًا (انظر تأثيرات الجرعة المؤينة الكلية ).

يمكن أن تختلف التأثيرات بشكل كبير اعتمادًا على جميع المعايير - نوع الإشعاع، والجرعة الإجمالية وتدفق الإشعاع، ومجموعة أنواع الإشعاع، وحتى نوع حمل الجهاز (تردد التشغيل، وجهد التشغيل، والحالة الفعلية للترانزستور في اللحظة التي يصطدم فيها بالجسيم) - مما يجعل الاختبار الشامل صعبًا ويستغرق وقتًا طويلاً ويتطلب العديد من عينات الاختبار.

الآثار الناتجة

يمكن تصنيف تأثيرات "المستخدم النهائي" إلى عدة مجموعات:

تأثيرات النيوترونات

يؤدي تفاعل النيوترون مع شبكة أشباه الموصلات إلى إزاحة الذرات داخل الشبكة. وينتج عن ذلك زيادة في عدد مراكز إعادة التركيب وعيوب المستويات العميقة ، مما يقلل من عمر حاملات الشحنة الثانوية، وبالتالي يؤثر على الأجهزة ثنائية القطب أكثر من أجهزة CMOS . تميل الأجهزة ثنائية القطب المصنوعة من السيليكون إلى إظهار تغيرات في المعايير الكهربائية عند مستويات تتراوح بين 10¹⁰ و10¹¹ نيوترون /سم² ، بينما لا تتأثر أجهزة CMOS إلا عند 10¹⁵ نيوترون /سم² . قد تزداد حساسية الأجهزة مع زيادة مستوى التكامل وانخفاض حجم المكونات الفردية. كما يوجد خطر الإشعاع المستحث الناتج عن تنشيط النيوترونات ، والذي يُعد مصدرًا رئيسيًا للتشويش في أجهزة الفيزياء الفلكية عالية الطاقة . يمكن أن يتسبب الإشعاع المستحث، بالإضافة إلى الإشعاع المتبقي من الشوائب في مواد المكونات، في حدوث أنواع مختلفة من المشاكل الفردية خلال عمر الجهاز. تُعدّ مصابيح LED المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم ، الشائعة في أجهزة اقتران الضوء ، حساسة للغاية للنيوترونات. ويؤثر تلف الشبكة البلورية على تردد مذبذبات البلورة . كما تُعدّ تأثيرات الطاقة الحركية (وتحديدًا إزاحة الشبكة البلورية) للجسيمات المشحونة من العوامل المؤثرة أيضًا.

تأثيرات الجرعة المؤينة الكلية

تمثل تأثيرات الجرعة المؤينة الكلية الضرر التراكمي لشبكة أشباه الموصلات ( تلف إزاحة الشبكة ) الناتج عن التعرض للإشعاع المؤين بمرور الوقت. تُقاس هذه الجرعة بالراد ، وتُسبب تدهورًا تدريجيًا بطيئًا في أداء الجهاز. جرعة كلية تزيد عن 5000 راد، تُسلَّط على الأجهزة المصنوعة من السيليكون خلال فترة زمنية تتراوح بين ثوانٍ ودقائق، تُسبب تدهورًا طويل الأمد. في أجهزة CMOS، يُولِّد الإشعاع أزواجًا من الإلكترونات والفجوات في طبقات عزل البوابة، [ 9 ] مما يُسبب تيارات ضوئية أثناء إعادة تركيبها، وتُؤدي الفجوات المحتجزة في عيوب الشبكة في العازل إلى انحياز مستمر للبوابة ، وتؤثر على جهد عتبة الترانزستورات ، مما يجعل تشغيل ترانزستورات MOSFET من النوع N أسهل، بينما يُصعِّب تشغيل ترانزستورات MOSFET من النوع P. قد تكون الشحنة المتراكمة عالية بما يكفي لإبقاء الترانزستورات مفتوحة (أو مغلقة) بشكل دائم، مما يؤدي إلى تعطل الجهاز. يحدث بعض الإصلاح الذاتي بمرور الوقت، لكن هذا التأثير ليس كبيرًا. هذا التأثير مماثل لتدهور حاملات الشحنة الساخنة في الإلكترونيات عالية التكامل وعالية السرعة. تتأثر مذبذبات البلورات إلى حد ما بجرعات الإشعاع، مما يؤدي إلى تغيير ترددها. ويمكن تقليل هذه الحساسية بشكل كبير باستخدام بلورات الكوارتز المُمَكْسَلة . وتُعد بلورات الكوارتز الطبيعية حساسة للغاية. ويمكن إنشاء منحنيات أداء الإشعاع لاختبار الجرعة المؤينة الكلية (TID) لجميع إجراءات اختبار التأثيرات الناتجة. تُظهر هذه المنحنيات اتجاهات الأداء خلال عملية اختبار الجرعة المؤينة الكلية، وتُدرج في تقرير اختبار الإشعاع.

تأثيرات الجرعة العابرة

تنتج تأثيرات الجرعة العابرة عن نبضة إشعاعية قصيرة وعالية الكثافة، تحدث عادةً أثناء انفجار نووي. يُولّد التدفق الإشعاعي العالي تيارات ضوئية في كامل جسم أشباه الموصلات، مما يؤدي إلى فتح الترانزستورات بشكل عشوائي، وتغيير الحالات المنطقية للقلابات وخلايا الذاكرة . قد يحدث تلف دائم إذا طالت مدة النبضة، أو إذا تسببت النبضة في تلف الوصلات أو حدوث ظاهرة التثبيت. تحدث ظاهرة التثبيت عادةً بسبب وميض الأشعة السينية وأشعة غاما الناتج عن انفجار نووي. قد تتوقف مذبذبات البلورات عن التذبذب طوال مدة الوميض بسبب التوصيل الضوئي الفوري المُستحث في الكوارتز.

تأثيرات النبض الكهرومغناطيسي الناتجة عن الأنظمة

تنتج تأثيرات SGEMP عن وميض الإشعاع الذي ينتقل عبر المعدات ويسبب تأينًا موضعيًا وتيارات كهربائية في مادة الرقائق ولوحات الدوائر والكابلات الكهربائية والهياكل.

الأضرار الرقمية: انظر

خضعت تأثيرات الأحداث الفردية (SEE) لدراسات مكثفة منذ سبعينيات القرن الماضي. [ 10 ] عندما يمر جسيم عالي الطاقة عبر أشباه الموصلات، فإنه يترك أثرًا متأينًا . قد يتسبب هذا التأين في تأثير موضعي للغاية مشابه لتأثير الجرعة العابرة - خلل بسيط في الإخراج، أو انقلاب بت أقل اعتدالًا في الذاكرة أو المسجل ، أو، خاصة في الترانزستورات عالية الطاقة ، حدوث تثبيت مدمر واحتراق. تكتسب تأثيرات الأحداث الفردية أهمية بالغة في الإلكترونيات المستخدمة في الأقمار الصناعية والطائرات وغيرها من التطبيقات الفضائية المدنية والعسكرية. في بعض الأحيان، في الدوائر التي لا تتضمن دوائر تثبيت، يكون من المفيد إدخال دوائر ثابتة زمنية RC تعمل على إبطاء زمن استجابة الدائرة إلى ما بعد مدة تأثير الحدث الفردي.

حدث عابر منفرد

يحدث التشويش العابر عندما تتفرغ الشحنة المتراكمة من عملية التأين على شكل إشارة زائفة تنتقل عبر الدائرة. وهذا في الواقع تأثير التفريغ الكهروستاتيكي . ويُعتبر خطأً عابراً، وهو قابل للعكس.

مفاجأة في حدث واحد

تُعرف اضطرابات الحدث الفردي (SEU) أو تأثيرات الإشعاع العابرة في الإلكترونيات بأنها تغيرات في حالة بتات الذاكرة أو المسجلات ناتجة عن تفاعل أيون واحد مع الشريحة. لا تُسبب هذه الاضطرابات ضررًا دائمًا للجهاز، ولكنها قد تُسبب مشاكل دائمة للنظام الذي لا يستطيع التعافي من هذا الخطأ. وهي في الأحوال العادية خطأ عابر قابل للعكس. في الأجهزة شديدة الحساسية، قد يُسبب أيون واحد اضطرابًا متعدد البتات (MBU) في عدة خلايا ذاكرة متجاورة. يمكن أن تتحول اضطرابات الحدث الفردي إلى مقاطعات وظيفية للحدث الفردي ( SEFI ) عندما تُؤثر على دوائر التحكم، مثل آلات الحالة ، مما يضع الجهاز في حالة غير مُحددة أو غير صحيحة، أو في وضع الاختبار ، أو في حالة توقف، الأمر الذي يتطلب إعادة ضبط أو فصل الطاقة للتعافي.

عملية تثبيت حدث واحد

يمكن أن يحدث خطأ التثبيت (SEL) في أي شريحة ذات بنية PNPN طفيلية . إذ يمكن لأيون ثقيل أو بروتون عالي الطاقة يمر عبر أحد وصلتي الترانزستور الداخليتين أن يُفعّل البنية الشبيهة بالثايرستور ، والتي تبقى بعد ذلك في حالة " قصر " (وهي ظاهرة تُعرف باسم التثبيت ) حتى يتم فصل الطاقة عن الجهاز وإعادة تشغيله. ونظرًا لأن هذه الظاهرة قد تحدث بين مصدر الطاقة والركيزة، فقد يتعرض الجهاز لتيار عالٍ جدًا قد يؤدي إلى تلفه. هذا خطأ جسيم لا يمكن إصلاحه. وتُعد أجهزة CMOS ذات البنية الكتلية الأكثر عرضة لهذا الخطأ.

ارتداد سريع لحدث واحد

يُشبه الارتداد المفاجئ أحادي الحدث ظاهرة التلف الناتج عن الانهيار الإلكتروني، ولكنه لا يتطلب بنية PNPN، ويمكن إحداثه في ترانزستورات MOS ذات القناة N التي تُمرر تيارات عالية، عندما يصطدم أيون بالقرب من وصلة المصرف ويتسبب في تضاعف متسلسل لحاملات الشحنة . عندئذٍ، ينفتح الترانزستور ويبقى مفتوحًا، وهو خطأ فادح لا رجعة فيه.

الإرهاق الناتج عن حدث واحد

قد يحدث عطل في ترانزستورات MOSFET للطاقة عندما تتعرض الركيزة أسفل منطقة المصدر مباشرةً لانحياز أمامي، ويكون جهد المصدر-المصب أعلى من جهد انهيار البنى الطفيلية. يؤدي التيار العالي الناتج وارتفاع درجة الحرارة الموضعية إلى تلف الجهاز. هذا عطل جسيم لا يمكن إصلاحه.

تمزق البوابة في حدث واحد

تُلاحظ ظاهرة الانهيار الموضعي (SEGR) في ترانزستورات MOSFET عالية القدرة عندما يصطدم أيون ثقيل بمنطقة البوابة أثناء تطبيق جهد عالٍ عليها. يحدث حينها انهيار موضعي في طبقة العزل المصنوعة من ثاني أكسيد السيليكون ، مما يُسبب ارتفاعًا موضعيًا في درجة الحرارة وتلفًا (يشبه انفجارًا مجهريًا ) لمنطقة البوابة. قد تحدث هذه الظاهرة أيضًا في خلايا EEPROM أثناء الكتابة أو المسح، عندما تتعرض الخلايا لجهد عالٍ نسبيًا. هذا خطأ فادح لا رجعة فيه.

اختبار SEE

على الرغم من شيوع استخدام حزم البروتونات لاختبارات التأثيرات الثانوية للإشعاع (SEE) نظرًا لتوافرها، إلا أن تشعيع البروتونات عند الطاقات المنخفضة قد يُقلل من تقدير حساسية هذه التأثيرات. علاوة على ذلك، تُعرّض حزم البروتونات الأجهزة لخطر فشل الجرعة المؤينة الكلية (TID)، مما قد يُؤثر على نتائج اختبار البروتونات أو يُؤدي إلى تلف الجهاز قبل الأوان. أما حزم النيوترونات البيضاء - التي تُعتبر على ما يبدو الطريقة الأكثر تمثيلًا لاختبار التأثيرات الثانوية للإشعاع - فتُستمد عادةً من مصادر تعتمد على أهداف صلبة، مما يُؤدي إلى عدم انتظام التدفق وصغر مساحة الحزمة. كما تتسم حزم النيوترونات البيضاء بدرجة من عدم اليقين في طيف طاقتها، وغالبًا ما تحتوي على نسبة عالية من النيوترونات الحرارية.

يمكن تجنب عيوب مصادر النيوترونات الناتجة عن البروتونات والنيوترونات الناتجة عن التفتت النووي باستخدام نيوترونات أحادية الطاقة (14 ميغا إلكترون فولت) لاختبار تأثيرات الأحداث الفردية. ومن المخاوف المحتملة أن تأثيرات الأحداث الفردية الناتجة عن النيوترونات أحادية الطاقة لن تعكس بدقة تأثيرات النيوترونات الجوية واسعة النطاق في الواقع. ومع ذلك، أشارت دراسات حديثة إلى أنه على العكس من ذلك، يمكن استخدام النيوترونات أحادية الطاقة - وخاصةً نيوترونات 14 ميغا إلكترون فولت - لفهم مقاطع تأثيرات الأحداث الفردية في الإلكترونيات الدقيقة الحديثة بدقة عالية. [ 11 ]

تقنيات مقاومة الإشعاع

رقاقة المعالج الدقيق 1886VE10 المقاومة للإشعاع قبل عملية حفر التمعدن
رقاقة متحكم دقيق 1886VE10 مقاومة للإشعاع بعد استخدام عملية حفر معدنية

بدني

غالبًا ما تُصنّع الرقائق المُقسّاة على ركائز عازلة بدلًا من رقائق أشباه الموصلات التقليدية . ويُستخدم عادةً السيليكون على العازل ( SOI ) والسيليكون على الياقوت ( SOS ). في حين أن الرقائق التجارية العادية تتحمل جرعات إشعاعية تتراوح بين 50 و100 غراي (5 و10 كيلو راد )، فإن رقائق SOI وSOS المستخدمة في الفضاء تتحمل جرعات تتراوح بين 1000 و3000 غراي (100 و300 كيلو راد ). [ 12 ] [ 13 ] في وقتٍ ما، كانت العديد من رقائق سلسلة 4000 متوفرة بإصدارات مُقسّاة إشعاعيًا (RadHard). [ 14 ] مع أن تقنية SOI تقضي على ظاهرة التثبيت، إلا أنه لا يُضمن تحسين مقاومة الجرعة الإشعاعية الكلية (TID) ومقاومة التأثيرات الثانوية (SEE ). [ 15 ]

إن اختيار ركيزة ذات فجوة نطاق واسعة يمنحها قدرة تحمل أعلى للعيوب العميقة؛ على سبيل المثال كربيد السيليكون أو نتريد الغاليوم .

يُوفر استخدام عقدة معالجة خاصة مقاومةً مُعززةً للإشعاع. [ 16 ] ونظرًا لارتفاع تكاليف تطوير عمليات المعالجة الجديدة المُحصّنة ضد الإشعاع، فإن أصغر عملية معالجة "حقيقية" مُحصّنة ضد الإشعاع (RHBP، مُحصّنة ضد الإشعاع حسب العملية ) هي 150  نانومتر اعتبارًا من عام 2016، ومع ذلك، كانت هناك معالجات FPGA مُحصّنة ضد الإشعاع بحجم 65  نانومتر مُتاحة، والتي استخدمت بعض التقنيات المُستخدمة في عمليات المعالجة "الحقيقية" المُحصّنة ضد الإشعاع (RHBD، مُحصّنة ضد الإشعاع حسب التصميم ). [ 17 ]  واعتبارًا من عام 2019، أصبحت عمليات المعالجة المُحصّنة ضد الإشعاع بحجم 110 نانومتر مُتاحة. [ 18 ]

تتمتع الدوائر المتكاملة ثنائية القطب عمومًا بمقاومة إشعاعية أعلى من دوائر CMOS. إذ يمكن لسلسلة شوتكي منخفضة الطاقة (LS) 5400 تحمل إشعاع يصل إلى 1000  كيلوراد، بينما تتحمل العديد من أجهزة ECL  إشعاعًا يصل إلى 10000 كيلوراد. [ 14 ] كما يُمكن أن يكون استخدام ترانزستورات CMOS عديمة الحواف ، ذات البنية الفيزيائية غير التقليدية، مع تصميم فيزيائي غير تقليدي، فعالًا أيضًا. [ 19 ]

تُعتبر ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية المقاومة ( MRAM ) مرشحًا واعدًا لتوفير ذاكرة موصلة غير متطايرة، قابلة لإعادة الكتابة، ومقاومة للإشعاع. وتشير المبادئ الفيزيائية والاختبارات الأولية إلى أن ذاكرة MRAM لا تتأثر بفقدان البيانات الناتج عن التأين. [ 20 ]

غالبًا ما يتم استبدال ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) القائمة على المكثفات بذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM ) الأكثر متانة (لكنها أكبر حجمًا وأكثر تكلفة) . تحتوي خلايا SRAM على عدد أكبر من الترانزستورات لكل خلية مقارنةً بالخلايا العادية (4 أو 6 ترانزستورات)، مما يجعلها أكثر مقاومةً لتأثيرات الخطأ العابر (SEUs) على حساب زيادة استهلاك الطاقة والحجم. [ 21 ] [ 17 ]

الحماية

يُعدّ تغليف الجهاز بطبقة واقية من الإشعاع أمراً بسيطاً لتقليل تعرض الجهاز المكشوف للإشعاع. [ 22 ]

للحماية من إشعاع النيوترونات وتنشيط المواد بواسطة النيوترونات ، من الممكن حماية الرقائق نفسها باستخدام البورون المستنفد (الذي يتكون فقط من نظير البورون-11) في طبقة التخميل الزجاجية المصنوعة من بوروفوسفوسيليكات التي تحمي الرقائق، حيث أن البورون-10 السائد بشكل طبيعي يلتقط النيوترونات بسهولة ويخضع لتحلل ألفا (انظر الخطأ الناعم ).

منطقي

تستخدم ذاكرة تصحيح الأخطاء (ECC) بتات زائدة للتحقق من البيانات التالفة وتصحيحها عند الحاجة. ولأن تأثيرات الإشعاع تُلحق الضرر بمحتوى الذاكرة حتى عندما لا يستخدم النظام ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، يجب أن تقوم دائرة " التنظيف " بمسح ذاكرة الوصول العشوائي باستمرار؛ حيث تقرأ البيانات، وتتحقق من البتات الزائدة بحثًا عن أخطاء البيانات، ثم تعيد كتابة أي تصحيحات إلى ذاكرة الوصول العشوائي.

يمكن استخدام عناصر زائدة على مستوى النظام. قد تقوم ثلاث لوحات معالجة دقيقة منفصلة بحساب نتيجة عملية حسابية بشكل مستقل، ثم تقارن نتائجها. أي نظام ينتج عنه نتيجة غير متوقعة سيعيد الحساب. يمكن إضافة منطق بحيث إذا تكررت الأخطاء من نفس النظام، يتم إيقاف تشغيل تلك اللوحة.

يمكن استخدام عناصر زائدة على مستوى الدائرة. [ 23 ] يمكن استبدال بت واحد بثلاثة بتات، مع وجود " منطق تصويت " منفصل لكل بت لتحديد نتيجته باستمرار ( تكرار معياري ثلاثي ). يزيد هذا من مساحة تصميم الشريحة بمقدار خمسة أضعاف، لذا يجب استخدامه في التصاميم الأصغر حجمًا. لكن له ميزة ثانوية تتمثل في كونه "آمنًا من الأعطال" في الوقت الفعلي. في حالة تعطل بت واحد (والذي قد لا يكون مرتبطًا بالإشعاع)، سيستمر منطق التصويت في إنتاج النتيجة الصحيحة دون اللجوء إلى مؤقت مراقبة . يتطلب التصويت على مستوى النظام بين ثلاثة أنظمة معالجة منفصلة عمومًا استخدام منطق تصويت على مستوى الدائرة لإجراء عمليات التصويت بين أنظمة المعالجة الثلاثة.

يمكن استخدام مزاليج مقواة. [ 24 ]

يقوم مؤقت المراقبة بإعادة تشغيل النظام بشكل كامل ما لم يتم تنفيذ تسلسل معين يشير عادةً إلى أن النظام يعمل، مثل عملية كتابة من معالج داخلي. أثناء التشغيل العادي، يقوم البرنامج بجدولة عملية كتابة إلى مؤقت المراقبة على فترات منتظمة لمنع انتهاء صلاحيته. إذا تسبب الإشعاع في خلل في عمل المعالج، فمن غير المرجح أن يعمل البرنامج بشكل صحيح بما يكفي لمسح مؤقت المراقبة. في النهاية، تنتهي صلاحية مؤقت المراقبة، مما يجبر النظام على إعادة تشغيل كاملة. يُعتبر هذا الإجراء الملاذ الأخير لأساليب الحماية من الإشعاع الأخرى.

تطبيقات الصناعات العسكرية والفضائية

غالبًا ما تُستخدم المكونات المقاومة للإشعاع والمتحملة للإشعاع في التطبيقات العسكرية والفضائية، بما في ذلك تطبيقات نقطة التحميل (POL)، ومصادر الطاقة لأنظمة الأقمار الصناعية، ومنظمات التبديل الخافضة للجهد ، والمعالجات الدقيقة ، وFPGAs ، [ 25 ] ومصادر طاقة FPGA، ومصادر الطاقة للأنظمة الفرعية ذات الكفاءة العالية والجهد المنخفض.

مع ذلك، لا تتمتع جميع المكونات العسكرية بمقاومة للإشعاع. فعلى سبيل المثال، يتضمن معيار MIL-STD-883 الأمريكي العديد من الاختبارات المتعلقة بالإشعاع، ولكنه لا يحدد معدل تكرار حدوث ظاهرة التداخل في حدث واحد. وقد يكون فشل مسبار فوبوس-غرانت الفضائي ناتجًا عن افتراض مماثل. [ 15 ]

قُدّر حجم سوق الإلكترونيات المقاومة للإشعاع المستخدمة في التطبيقات الفضائية بنحو 2.35 مليار دولار في عام 2021. وقدّرت دراسة جديدة أن هذا الحجم سيصل إلى حوالي 4.76 مليار دولار بحلول عام 2032. [ 26 ] [ 27 ]

الصلابة النووية للاتصالات

في مجال الاتصالات ، يحمل مصطلح الصلابة النووية المعاني التالية: 1) تعبير عن مدى تدهور أداء نظام أو منشأة أو جهاز في بيئة نووية معينة، 2) السمات الفيزيائية لنظام أو مكون إلكتروني يسمح بالبقاء على قيد الحياة في بيئة تشمل الإشعاع النووي والنبضات الكهرومغناطيسية (EMP).

ملحوظات

  1. يمكن التعبير عن الصلابة النووية من حيث القابلية للتأثر أو الضعف .
  2. يجب تحديد أو تحديد مدى التدهور المتوقع في الأداء ( مثل مدة الانقطاع، وفقدان البيانات ، وتلف المعدات). كما يجب تحديد أو تحديد البيئة ( مثل مستويات الإشعاع، والضغط الزائد، وسرعات الذروة، والطاقة الممتصة، والإجهاد الكهربائي).
  3. الخصائص الفيزيائية لنظام أو مكون تسمح بدرجة محددة من القدرة على البقاء في بيئة معينة ناتجة عن سلاح نووي.
  4. تُحدد الصلابة النووية وفقًا لظروف بيئية محددة أو فعلية مُقاسة كميًا، ومعايير فيزيائية مثل مستويات الإشعاع القصوى، والضغط الزائد، والسرعات، والطاقة الممتصة، والإجهاد الكهربائي. ويتم ذلك من خلال مواصفات التصميم ، ويتم التحقق منه بواسطة تقنيات الاختبار والتحليل.

أمثلة على أجهزة الكمبيوتر المقاومة للإشعاع

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ميسنجر، جورج سي. "التحصين ضد الإشعاع". AccessScience . doi : 10.1036/1097-8542.566850 .
  2. 1 2 هيمان، كارين (2024-02-15). "مشكلات تصغير ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة، وماذا بعد؟" . هندسة أشباه الموصلات . تم الاسترجاع في 24-10-2024 .
  3. ↑ "قد تُدمَّر الحواسيب الكمومية بواسطة جسيمات عالية الطاقة قادمة من الفضاء" . مجلة نيو ساينتست . تاريخ الاطلاع: 7 سبتمبر 2020 .
  4. ↑ "الأشعة الكونية قد تعيق الحوسبة الكمومية قريباً" . phys.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 سبتمبر 2020 .
  5. ^ فيبسالاينن، أنتي ب.؛ كرملو، أمير ح.؛ أوريل، جون L.؛ دوجرا، أكشونا س؛ لوير، بن. فاسكونسيلوس، فرانسيسكا؛ كيم، ديفيد ك.؛ ملفيل، الكسندر J .؛ نيدزيلسكي، بيثاني م.؛ يودر، جونيلين L.؛ جوستافسون، سيمون. فورماجيو، جوزيف أ. فانديفيندر، برنت أ؛ أوليفر ، ويليام د. (أغسطس 2020). "تأثير الإشعاعات المؤينة على تماسك الكيوبت فائق التوصيل" . طبيعة . 584 (7822): 551– 556. أرخايف : 2001.09190 . بيب كود : 2020Natur.584..551V . doi : 10.1038/s41586-020-2619-8 . ISSN: 1476-4687 . PMID: 32848227. S2CID : 210920566. تاريخ الاسترجاع: 7 سبتمبر 2020 .   
  6. ↑ بروجر، م. (مايو 2012). أضرار الإشعاع على الإلكترونيات في مصادم الهادرونات الكبير . المؤتمر الدولي الثالث لمسرعات الجسيمات. نيو أورليانز ، لويزيانا . ص. THPPP006. 
  7. ↑ زيغلر، جيه إف؛ لانفورد، واشنطن (16 نوفمبر 1979). "تأثير الأشعة الكونية على ذاكرة الحاسوب". مجلة ساينس . 206 (4420): 776-788 . Bibcode : 1979Sci...206..776Z . doi : 10.1126 / science.206.4420.776 . PMID 17820742. S2CID 2000982 .  
  8. ↑ زيغلر، جيه إف؛ لانفورد، واشنطن (يونيو 1981). "تأثير الأشعة الكونية عند مستوى سطح البحر على الأجهزة الإلكترونية". مجلة الفيزياء التطبيقية . 52 (6): 4305-4312 . Bibcode : 1981JAP....52.4305Z . doi : 10.1063/1.329243 .
  9. ↑ خوشنود، أ.؛ يافانداساني، ج. (2025). "نمذجة تأثيرات الجرعة المؤينة الكلية (TID) على التوزيع غير المنتظم لحالات طاقة مصائد واجهة Si/SiO2 في أجهزة MOS" . التقارير العلمية . 15 : 17082. doi : 10.1038/s41598-025-01325-3 . PMC 12084595 . 
  10. ↑ ميسنجر، جي سي؛ آش، ميلتون (27-11-2013). ظواهر الحدث الفردي . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. الصفحات 12-13 . ISBN  978-1-4615-6043-2.
  11. ↑ نورماند، يوجين؛ دومينيك، لورا (20-23 يوليو 2010). "دليل المقارنة المتبادلة لنتائج اختبارات تأثيرات النيوترونات على الإلكترونيات الدقيقة القابلة للتطبيق في إلكترونيات الطيران". ورشة عمل IEEE لبيانات تأثيرات الإشعاع لعام 2010. ص 8. doi : 10.1109/REDW.2010.5619496 . ISBN  978-1-4244-8405-8.
  12. ↑ شركة مايكروسيمي (مارس 2012)، RTSX-SU FPGAs المقاومة للإشعاع (UMC) (PDF) (ورقة البيانات) ، تم الاطلاع عليها في 30 مايو 2021
  13. ↑ شركة أتميل (2008)، وحدة ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة متعددة الرقاقات AT68166H بسعة 16 ميجابت وجهد 3.3 فولت (ملف PDF) (ورقة البيانات) ، تم الاطلاع عليها في 30 مايو 2021
  14. 1 2 ليبالا، كاري؛ فيركاسالو، رايمو (17-23 سبتمبر 1989). حماية حواسيب التحكم بالأجهزة من الأخطاء البرمجية والصلبة وتأثيرات الأشعة الكونية . ندوة دولية حول الهندسة العلمية الفضائية. CiteSeerX 10.1.1.48.1291 . 
  15. 1 2 شونكوف، ف. (9 سبتمبر 2020). "مفاهيم خاطئة شائعة حول الدوائر المتكاملة المستخدمة في الفضاء" . habr.com .
  16. ↑ "معالجات Atmel الأخرى: معالجات Sparc المقاومة للإشعاع | متحف CPU Shack" . 27 يوليو 2009.
  17. 1 2 "أفنيت: مكونات وخدمات إلكترونية عالية الجودة" (PDF) .
  18. ↑ "حلول الفضاء والدفاع" (ملف PDF) . أونسيمي .
  19. ↑ بينيني، مارسيلو؛ ليبرالي، فالنتينو؛ ستابيل، ألبرتو؛ كاليجارو، كريستيانو (2010). تصميم خلايا ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة المقاومة للإشعاع: دراسة مقارنة . وقائع المؤتمر الدولي السابع والعشرين للإلكترونيات الدقيقة. doi : 10.1109/miel.2010.5490481 . hdl : 2434/144476 .
  20. ↑ وانغ، ب.؛ وانغ، ز.؛ هو، س.؛ تشاو، ي.؛ تشانغ، ي.؛ تشاو، و. (2018). "تقنيات تقوية الدوائر الطرفية لتقنية SOT-MRAM ضد الإشعاع". المؤتمر الدولي للمغناطيسية IEEE لعام 2018 (INTERMAG ). الصفحات 1-2 . doi : 10.1109/INTMAG.2018.8508368 . ISBN  978-1-5386-6425-4.
  21. ^ تيهو لي. ينتانج يانج؛ جونان تشانغ؛ جيا ليو. "تصميم جديد لخلية بت SRAM مقوى من SEU" . IEICE للإلكترونيات اكسبرس . 14 (12): 1- 8.
  22. ↑ "StackPath" . 2 يونيو 2018.
  23. ↑ بلاتر، ديل ج. (أكتوبر 1980). حماية المعالجات الدقيقة LSI باستخدام التكرار المعياري الثلاثي . ندوة IEEE الدولية حول الحوسبة المقاومة للأعطال.
  24. ↑ كريشناموهان، سريفاتسان؛ ماهاباترا، نيهار ر. (2005). "تحليل وتصميم مزاليج مقاومة للأخطاء العابرة". وقائع ندوة ACM Great Lakes الخامسة عشرة حول VLSI - GLSVSLI '05 . وقائع ندوة ACM Great Lakes الخامسة عشرة حول VLSI. ص 328. doi : 10.1145/1057661.1057740 . ISBN  1595930574.
  25. ↑ فريق عمل مجلة الإلكترونيات العسكرية والفضائية (2016-06-03). "أجهزة تطوير FPGA لتطبيقات الفضاء المقاومة للإشعاع تُقدمها شركة Microsemi" . مجلة الإلكترونيات العسكرية والفضائية . تاريخ الاسترجاع: 2018-11-02 .
  26. ↑ ديجل، ليزا (17 يونيو 2022). "دراسة: من المتوقع أن تصل قيمة الإلكترونيات المقاومة للإشعاع في الفضاء إلى 4.76 مليار دولار بحلول عام 2032" . أنظمة عسكرية مدمجة . تاريخ الاسترجاع: 18 يونيو 2022 .
  27. ↑ "سوق الإلكترونيات المقاومة للإشعاع لتطبيقات الفضاء - تحليل عالمي وإقليمي: التركيز على المنصة، وتقنية التصنيع، ونوع المواد، والمكونات، والبلد - التحليل والتوقعات، 2022-2032" .
  28. ↑ "لوحة كمبيوتر أحادية اللوحة SP0 3U CompactPCI مقاومة للإشعاع PowerPC®" . حلول Aitech Rugged COTS . 15-12-2013. مؤرشفة من الأصل في 23-06-2014.
  29. ↑ موقع شركة موغ
  30. ↑ "عائلة الحواسيب أحادية اللوحة (SBC)" . كوبام . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2019-04-08 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2018-11-02 .
  31. ↑ "منتجات فوراجو" . شركة فوراجو تكنولوجيز. مؤرشف من الأصل بتاريخ 18-09-2021 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18-09-2021 .
  32. ↑ فوراجو: اختيار وحدة التحكم الدقيقة المقاومة للإشعاع المناسبة لمشروعك
  33. ↑ إيسا داليا
  34. ↑ "معالجات NOEL RISC-V لتطبيقات الفضاء والتطبيقات عالية الموثوقية" . كوبام جايسلر . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 يناير 2020 .
  35. ↑ "ناسا تجعل RISC-V النظام البيئي الأمثل لمهام الفضاء المستقبلية" . sifive . 2022-09-22.
  36. ↑ "وكالة ناسا، مختبر الدفع النفاث، تختار شركة مايكروشيب لمعالج الحوسبة الفضائية الذي سيغير قواعد اللعبة" . مايكروشيب . 2022-09-27.
  37. ↑ "وكالة ناسا تمنح عقدًا لمعالج الحوسبة الفضائية من الجيل التالي" . ناسا . 15 أغسطس 2022.

الكتب والتقارير

  • كاليجارو، كريستيانو؛ غاتي، أومبرتو (2018). ذواكر أشباه الموصلات المقاومة للإشعاع . سلسلة ريفر للنشر في المواد والأجهزة الإلكترونية. ريفر للنشر. ISBN 978-8770220200.
  • هولمز-سيدل، أندرو؛ آدامز، لين (2002). دليل تأثيرات الإشعاع (  الطبعة الثانية). مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 0-19-850733-X.
  • ليون-فلوريان، إي.؛ شونباخر، هـ.؛ تافليت، م. (1993). تجميع بيانات طرق قياس الجرعات ومصادر الإشعاع لاختبار المواد (تقرير). لجنة التفتيش الفني والسلامة في سيرن . CERN-TIS-CFM-IR-93-03.
  • ما، تسو-بينغ ؛ دريسندورفر، بول ف. (1989). تأثيرات الإشعاع المؤين في أجهزة ودوائر MOS . نيويورك: جون وايلي وأولاده. ISBN 0-471-84893-X.
  • ميسنجر، جورج سي؛ آش، ميلتون إس. (1992). تأثيرات الإشعاع على الأنظمة الإلكترونية (  الطبعة الثانية). نيويورك: فان نوستراند رينهولد. ISBN 0-442-23952-1.
  • أولدهام، تيموثي ر. (2000). تأثيرات الإشعاع المؤين في أكاسيد MOS . سلسلة دولية حول التطورات في إلكترونيات وتكنولوجيا الحالة الصلبة. وورلد ساينتيفيك. doi : 10.1142/3655 . ISBN 978-981-02-3326-6.
  • بلاتر، ديل ج. (2006). أرشيف دفاتر الدورات التدريبية القصيرة حول تأثيرات الإشعاع (1980-2006) . معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . رقم ISBN 1-4244-0304-9.
  • شريمبف، رونالد د.؛ فليتوود، دانيال م. (يوليو 2004). تأثيرات الإشعاع والأخطاء العابرة في الدوائر المتكاملة والأجهزة الإلكترونية . مواضيع مختارة في الإلكترونيات والأنظمة. المجلد  34. وورلد ساينتيفيك. doi : 10.1142/5607 . ISBN 978-981-238-940-4.
  • شرودر، ديتر ك. (1990). توصيف مواد وأجهزة أشباه الموصلات . نيويورك: جون وايلي وأولاده. ISBN 0-471-51104-8.
  • شولمان، جيمس هربرت؛ كومبتون، والتر ديل (1962). مراكز اللون في المواد الصلبة . سلسلة الدراسات الدولية في فيزياء الحالة الصلبة. المجلد  2. دار بيرغامون للنشر.
  • هولمز-سيدل، أندرو؛ فان لينت، فيكتور أ. ج. (2000). "تأثيرات الإشعاع في المواد والأجهزة الإلكترونية". في مايرز، روبرت أ. (محرر). موسوعة العلوم الفيزيائية والتكنولوجيا . المجلد  13 (  الطبعة الثالثة). نيويورك: أكاديميك برس. ISBN 0-12-227423-7.
  • فان لينت، فيكتور إيه جيه؛ فلانغان، تيري إم؛ ليدون، رولاند يوجين؛ نابر، جيمس ألين؛ روجرز، فيرن سي. (1980). آليات تأثيرات الإشعاع في المواد الإلكترونية . المجلد  1. نيويورك: جون وايلي وأولاده. ص  13073. رمز Bibcode : 1980STIA...8113073V . ISBN 0-471-04106-8تقرير ناسا الفني للاستطلاع/الاستخبارات أ.
  • واتكينز، جورج د. (1986). "الفراغ الشبكي في السيليكون". في بانتيليدس، سقراط ت. (محرر). المراكز العميقة في أشباه الموصلات: منهج حديث (  الطبعة الثانية). نيويورك: جوردون وبريتش. ISBN 2-88124-109-3.
  • واتس، ستيفن ج. (1997). "نظرة عامة على أضرار الإشعاع في كاشفات السيليكون - النماذج وهندسة العيوب". مجلة الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم أ . 386 (1): 149-155 . رمز Bibcode : 1997NIMPA.386..149W . doi : 10.1016/S0168-9002(96)01110-2 .
  • زيغلر، جيمس ف.؛ بيرساك، يوشين ب.؛ ليتمارك، أوفه (1985). توقف ومدى الأيونات في المواد الصلبة . المجلد  1. نيويورك: دار بيرغامون للنشر. ISBN 0-08-021603-X.