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供应商在将存储设备送入太空之前要考虑的因素

2020年12月21日通过泰勒Charboneau

尽管发生了大流行病,但2020年对太空探索来说是具有里程碑意义的一年。每个任务在电路层面上成功的关键是抗辐射记忆装置。

自20世纪50年代末以来,各国政府和机构已投入数十亿美元用于星际探索。根据NASA的说法,发射系统和软件开发一直在不断创新,特别是在使用开源编码。这段代码依赖于优化的内存——两者都是易失性(DRAM, SRAM)和非易失性(ROM, Flash, NVRAM)——正常运转。

不幸的是,存储设备通常会给太空任务带来麻烦。在设计这种硬件时,工程师必须遵循特殊的指导方针,而制造商倾向于用新的抗辐射(rad-hard)存储设备提前解决这些问题。

例如,在过去的一周,微芯片公司在其为太空系统设计的基于cots的抗辐射设备中又增加了一种设备:64兆并行超级闪存

新器件耐辐射高达50千拉德TID

微芯片公司表示,即使Flash仍然有偏差并在运行,新设备的辐射耐受性可以达到50千拉德TID。图片由微芯片

使用Microchip的rad-hard微处理器和fpga,新型SST38LF6401RT超级闪存设备“为这些空间系统提供了最可靠的数字处理所需的重要保护,其中配套闪存需要存储驱动整个系统的关键软件代码或比特流,”Bob Vampola说。微芯片航空航天和国防业务部门副总裁。

但是,一般来说,在为空间应用程序提供内存解决方案时,制造商必须考虑哪些因素?

电路存储器上空间压力源的类型

尽管应用程序之间存在相似之处,空间中使用的存储单元应该是镀锌的。这是必要的,因为太空旅行会产生独特的压力源比如持续较高水平的电离辐射和急性暴露事件。电离粒子比非电离粒子携带更多的能量,对关键电子设备造成更大的风险。这些粒子会破坏它们接触到的原子的完整性。

其他具体威胁包括:

  • 宇宙辐射:由包含不同粒子类型的波引起
  • 太阳粒子事件:大型太阳耀斑或粒子爆发进入太空,主要是质子
  • 被困的辐射:地球磁环内的电子、质子和离子

电离辐射

一些电离辐射源。图片由模拟设备美国国家航空航天局

辐射如何破坏电路?

损害可能是暂时的,也可能是永久的,这取决于剂量和威胁程度。电路在恢复之前可能会受损一段时间。在此期间,存储设备可能会表现出不可预测的行为。

这叫做软错误因为它最终是可以修复的。真正的麻烦随之而来硬盘错误辐射能引起半导体结构的永久变化-无限期地阻碍,如果不是破坏,组件的功能。

观察到的影响包括:

  • 逻辑状态扰动
  • 放大器干扰
  • 写由错误电流引起的错误
  • 数据处理错误

体系结构和对策

用于太空的硬件设备-主要是CMOS电路,以及BJT和FPGA技术,可承受星际辐射。其中的电路被硬化以抵抗这些无形的力量。商业电子产品没有。

虽然商业组件的传统成本较低,但对于新型、低产量的系统来说,单位价格并不是一个大问题。此外,抗辐射存储器提高了载人航天飞行的整体安全性(通过可靠性)。

几代rad-hard SRAM

几代rad-hard SRAM。图片由BAE系统公司(下载PDF)

设计师必须在狭小的空间里塞入大量的功能。不仅如此,拥有有限电力供应的机械必须节约电力。这包括探测车,但至关重要的宇宙飞船。动力是在飞机上产生的,燃料有限;电力的损失会威胁到任务的安全和寿命。

制造商们做好了应对辐射的准备

在前一篇文章中,我们详细讨论了如何辐射和电子技术是一个糟糕的组合,供应商们正带头采用新的制造方法来对抗太空的危险

其他制造商则通过投资记忆研究来解决辐射故障。例如,BAE系统公司(BAE Systems)就投入了数十年的研发精力,研发基于CMOS技术的SRAM单元。同样,Cobham半导体解决方案也推出了抵抗MRAM设备进入太空市场

相比之下,GSI技术等SRAM替代品利用了fpga,adc,dac。如前所述,微芯片也通过开发加入了竞争一种用于代码存储的耐辐射闪存装置。这包括对高总电离剂量的强力防护。

SST38LF6401RT的框图

SST38LF6401RT的框图。图片由微芯片

这包括对高总电离剂量的强力防护。

构建健壮的存储单元

空间造成许多对存储技术的威胁:机械应力、剧烈的温度波动和剧烈的振动。密封,屏蔽,甚至绝缘的半导体可以保护电路不受未知因素的影响。

虽然地球磁场为抵御太空的独特威胁提供了体面的保护,但它能做的也就这么多。这也适用于依赖内存的宇宙飞船冒险进入太空。