Bez ochranného deštníku se počítačům nežije lehko

Jaké jsou dnes požadavky na počítače a elektroniku pracující v extrémních

podmínkách, třeba na sondách a družicích? Jaký vliv má na elektroniku kosmické

prostředí nebo jiné situace, kdy se ocitne bez ochranného deštníku? Co může v

tomto případě způsobit chybovost a někdy i celkové selhání zařízení? Podívejme

se na jednotlivé efekty, jejich vliv na moderní elektroniku a způsoby možné

ochrany.

Ochranný deštník

Zemská atmosféra nás chrání proti mnoha nebezpečným vlivům přicházejícím z

kosmického prostoru. Podobně jako ozonová vrstva zabraňuje většině

ultrafialového záření v pronikání až k povrchu Země, zemská magnetosféra a

ionosféra tvoří štít proti vysoce nabitým částicím z kosmu. Ty pocházejí jak z

aktivity našeho Slunce, tak i z různých míst v okolním vesmíru, typicky

například z pulzarů či výbuchů supernov.

My na Zemi jsme docela dobře chráněni a stejně tak i pozemská elektronika

(pokud se ovšem zrovna nenalézá uvnitř jaderného reaktoru nebo synchrotronního

urychlovače). Jinak je to ale samozřejmě s elektronikou v kosmu. Ať se již

jedná o družici Země či o meziplanetární sondu, palubní součástky jsou běžně

vystaveny proudům vysoce nabitých částic, protonů, iontů a elektronů. Dokonce i

piloti běžných dopravních letadel s výškou letu kolem 10 km se občas setkávají

se selháním přístrojů díky zvýšené kosmické radiaci.

Možná již máte zkušenost, co se stane třeba s obyčejnou RAM pamětí z vašeho PC

při neodborné manipulaci a přeskočení statického náboje. Obvykle ji takto

spolehlivě zničíte. Potom ale uvažte, že třeba molekuly vzduchu kolem vás mají

energii kolem 0,025 eV, při teplotě milion stupňů by měly 100 eV a například

částice v katodě vaší televize mají energii okolo 30 000 eV. Družice a sondy se

ale pohybují v prostředí, kde je energie částic běžně přes 100 MeV (100 milionů

eV).

Zdroje ohrožení

Kosmické prostředí v naší sluneční soustavě není statické. Hlavním regulátorem

proudů vysoce nabitých částic je Slunce a stupeň jeho aktivity. V době maxima

aktivity se zvyšuje stálý proud částic ze Slunce (sluneční vítr) a zvyšuje se

počet slunečních erupcí, hlavní zdroj vysoce energetických částic. V minimu

sluneční aktivity naopak sluneční erupce zcela ustávají. Díky slabšímu

slunečnímu větru a nízké geomagnetické aktivitě se však u Země zvyšuje proud

nabitých částic přicházejících z okolního vesmíru. Proto jsou úrovně všech níže

uvedených zdrojů ovlivněny stupněm sluneční aktivity. Právě se blížíme do

maxima činnosti (kolem roku 2002), a tak je nyní mimochodem dosti nevhodná doba

pro vypouštění družic.

Hlavní zdroje energetických částic tedy jsou:

protony a elektrony zachycené v radiačních pásech Země (energie 10–100 MeV)

protony a těžké ionty kosmického záření (energie 10 MeV až 100 GeV)

protony a těžké ionty ze slunečních erupcí (energie do 1 GeV)

Defekty elektroniky

Energetické protony a těžké ionty při průletu skrze elektronický materiál

pozbývají svoji energii procesem ionizace. Dojde-li k ní, vytvoří se uvnitř

polovodičového substrátu dráha páru elektron-elektronová díra. Některé z dvojic

se rekombinují a přebytečné díry se ukládají poblíž p-n přechodu, kde se

hromadí. V případě radiačně neupravené součástky je zde až pětina těchto děr

trvale zachycena. Díry potom mohou způsobit postupnou degradaci součástky nebo

i proudové impulzy intenzitně závisející na jejich celkově uloženém množství.

Typy možných defektů kosmické elektroniky způsobené průnikem cizích částic lze

rozdělit na:

poškození celkovou radiační dávkou

poškození jednotlivým průnikem (sem spadá slabý proudový impulz, řetězový

proudový impulz, silný proudový impulz, destruktivní propálení)

poškození atomární struktury

šum přístroje

Poškození celkovou radiační dávkou

Radiační dávkou se nazývá přijmuté kumulativní množství částic jednotlivě málo

energetických, ale z dlouhodobého hlediska významných vzhledem ke svému objemu.

Hromadění elektronových děr u p-n přechodu nejprve způsobí snížení rychlosti

součástky. Při dalším nahromadění dochází k posunu prahového napětí, a tudíž k

nefunkčnosti prvku.

Později nastane i porušení izolační vrstvy mezi sousedními tranzistory a umožní

se průchod parazitních proudů. Pokud součástka není trvale zničena a dojde k

poklesu radiační dávky, elektronové díry se mohou během hodin až několika let

vytratit díky tunelovému efektu.

Přijatá radiační dávka je závislá na absorpčním materiálu. Základní jednotkou

je „rad“ s udáním příslušného materiálu v závorce např. rad(Si) přičemž 1 rad =

0,00001 J na gram materiálu.

Běžné komerční součástky odolávají dávce asi do 10 krad(Si). Satelity a

meziplanetární sondy jsou však obvykle vystaveny dávce výše od 100 krad(Si).

Slabý proudový impulz

Vniknutí vysoce energetického iontu indukuje krátký proudový impulz (kolem 1

ns) v p-n přechodu polovodiče. Pokud je intenzita tohoto impulzu vyšší nežli

kritická hodnota, dojde ke změně jejího stavu přepnutí. V případě paměťového

média se uložená informace touto operací nenávratně ztratí. Slabý proudový

impulz zasaženou součástku nezničí a po opětovné inicializaci nebo přepsání dat

ji lze uvést do původního stavu.

Při miniaturizaci elektronických součástek se značně zvyšuje jejich radiační

citlivost. Dříve proudový impulz způsobovaly pouze těžké ionty, dnes stačí i

energie zachycených protonů. Díky jejich počtu v radiačních pásech Země se

zvýšila i četnost popisovaného poškození.

Řetězový proudový impulz

Jediná nabitá částice vyvolávající proudový impulz může u některých technologií

jako SRAM nebo DRAM způsobit řetězový efekt. Zasažena je ne pouze jedna, ale

několik buněk najednou. Tento jev je mnohem nebezpečnější než slabý proudový

impulz, jelikož často interferuje s rozšířeným systémem detekce a korekce chyb

(EDAC). Ten je užíván právě proti efektu slabého proudového impulzu.

Silný proudový impulz

Zasažení jedinou nabitou částicí může dokonce trvale poškodit elektronickou

součástku. Přitom záleží na energii částice a radiační citlivosti součástky.

Jestliže je dostatečný náboj přenesen například do substrátu p-n-p-n nebo

n-p-n-p CMOS tranzistoru může dojít k narušení jeho normálně vysoké impedance,

a tedy k jeho trvalému sepnutí. Obvyklá hloubka průniku nabité částice a

depozice náboje je kolem 60 m.

Podobně u n-kanálového tranzistoru nahromaděním náboje v substrátu typu p může

nastat lavinový proudový efekt vedoucí také k trvalé změně stavu tranzistoru. U

technologie malých MOS tranzistorů se zase projevuje přerušení vývodu báze od

těžkých iontů kosmického záření. Vznik silného proudového impulzu je na rozdíl

od ostatních efektů velmi závislý na teplotě. Čím vyšší, tím četnější jsou

proudové impulzy.

Destruktivní propálení

Ačkoliv tento druh chyby zatím nebyl u kosmické elektroniky prokazatelně

zjištěn, občas k němu patrně dochází. Alespoň experimentálně byl při

bombardování tranzistorů nabitými částicemi tento úkaz pozorován. Když totiž

těžký iont projde vysokonapěťovým přechodem tranzistoru, je schopen zde

vytvořit trvale vodivé propojení substrátu s vývodem jeho báze. Takový

tranzistor je pochopitelně nefunkční.

Poškození atomární struktury

Vysoce nabité protony a těžké ionty mohou někdy i poškodit strukturu krystalové

mřížky substrátu elektronických prvků. Taková změna ovlivňuje průchod proudu a

snižuje celkové zesílení prvku vytvořením nových rekombinačních center. Typicky

se toto poškození projevuje u slunečních článků, některých bipolárních

tranzistorů a diod typu LED.

Šum přístroje

U některých kosmických přístrojů nedojde při radiačním zatížení k dočasnému ani

trvalému poškození jednotlivých součástek, ale po čase se tato expozice projeví

zvýšeným šumem. Jev je silně závislý na použité technologii a časovému průběhu

intenzity radiačního prostředí. Nejčastěji se projevuje u slunečních nebo

hvězdných senzorů, detektorů infračerveného záření a senzorů CCD.

Metody ochrany kosmické elektroniky

Nejnákladnějším, byť současně nejbezpečnějším způsobem radiační ochrany je

hardwarová ochrana součástky. Příkladem může být výběr speciálních materiálů,

vhodné řízení růstu krystalových substrátů, implementace ochranných obvodů a

podobně. Použitím speciální epitaxní nebo silicon-on-insulator (epitaxní vrstva

křemíku na vrstvě dielektrika) tranzistorové struktury se například zamezuje

hromadění náboje v p-n přechodu. Současně se nikdy nejedná o nízkonapěťové

součástky a prvky s příliš hustou integrací.

Následující metody ochrany nejsou přímo závislé na konkrétní elektronické

součástce.

Datové a paměťové součástky

Nejjednodušším způsobem ochrany je „kontrola parity“, při které vás jediná

výstupní hodnota informuje o sudém či lichém počtu jednotlivých logických stavů

v datové sadě. Tento způsob upozorní na výskyt chyby v sadě pouze v případě

lichého počtu těchto chyb.

Druhou metodou je tzv. „Hammingův kód“, při němž se vytvoří kontrolní součet z

datové sady. V případě jediné chyby v sadě lze zjistit její polohu, a lze ji

tudíž opravit. V případě výskytu více než jedné chyby v sadě získáte pouze

jejich počet. Toto kódování se používá v systémech s nízkou pravděpodobností

výskytu mnohonásobných chyb.

Další způsoby nabízí komfortnější detekci chyb. „Reed-Solomonovo kódování“ je

značně rozšířeno a umožňuje korekci vícenásobných chyb i po sobě jdoucích.

„Konvoluční kódování“ vkládá kontrolní bity postupně přímo do datového řetězce,

čímž nabízí dobrou ochranu proti izolovaným náhodným chybám, a používá se proto

u komunikačních systémů.

V praxi se většinou různé metody kombinují, a tak lze vytvo-řit velmi robustní

systém ochrany dat.

Řídicí součástky

Některé způsoby ochrany datových prvků mohou být využity i pro určité řídicí

systémy. Případné chyby řídicích prvků jsou však mnohem kritičtější, protože

jediný chybný příkaz může zapříčinit přerušení provozu celé sondy. Naneštěstí

je dnešní hustě integrovaná elektronika už z této podstaty čím dál více

náchylnější k chybám. Navíc například u procesorů existují určité části

(typicky interní registry) skryté vnějšímu ovládání.

„Zálohování“ některých hardwarových prvků poskytuje dobrý způsob obrany proti

náhodným chybám. V případě selhání primárního prvku je sepnutí záložního obvodu

většinou ovládáno automaticky přímo na sondě. Podobně pomocí dvou „identických“

obvodů vykonávajících stejné instrukce a porovnáním jejich výstupů lze

kontrolovat správnost prováděných operací. Zmíněné způsoby ovšem neposkytují

ochranu v případě dlouhodobých misí a v případě vystavení stálým radiačním

dávkám. Jednou z metod je potom „volba ze tří“, což znamená tři identické

obvody a porovnávání jejich výstupů. Skutečným výstupem je potom instrukce,

která vychází stejná alespoň u dvou z těchto tří obvodů.

Testování a odolnost elektroniky

Testování radiační odolnosti se provádí pomocí urychlovačů pro vysoké energie

se vzorkem ve vakuové komoře. Výsledkem testů je rozdělení součástek obvykle do

4 kategorií s různým stupněm vhodnosti pro kosmické použití. Následující řádky

shrnují testování různých elektronických součástek. Jedná se o obecné výsledky

pro běžnou komerční a mírně radiačně tolerantní elektroniku.

Paměti DRAM

Různé pracovní režimy nemají obvykle vliv na výsledky jejich odolnosti. Ani

rozdíl mezi 3,3V a 5V technologií není velký. Protony nad 60 MeV způsobují

nejčastěji chyby jednotlivých paměťových buněk a při vhodném úhlu dopadu chyby

v adresování celých řádků nebo sloupců. Silný proudový impulz nebývá

zaznamenán, slabý impulz způsobují těžké ionty.

Paměti SRAM

Zdají se méně odolné na chyby jednotlivých buněk nežli DRAM. Ty se projevují už

od kontaktu s protony o energii nad 25 MeV. Ovšem chyby ve sloupcích a řádcích

se naopak téměř neobjevují. Současně vykazují větší odolnost vůči těžkým

iontům.

Paměti EPROM

Jsou celkem odolné vůči proudovým impulzům, zejména v okamžiku čtení a již méně

během zapisování. Velmi odolné při bombardování protony. Ztráta funkčnosti se

projeví až při několikanásobném zvýšení parazitního řídicího proudu. Pomocí

resetu je lze většinou uvést zpět do normálního stavu.

Převodníky

Obecně velmi odolné vůči radiaci. Při velkých dávkách může poklesnout výstupní

napětí.

Mikroprocesory a periferie

Procesory řady 80386 nejsou příliš odolné a projevují se u nich proudové

propady a slabé proudové impulzy, které mohou způsobit zamrznutí procesoru nebo

jeho samočinný reset. Testy prováděné na běžném procesoru 486DX2/66 ukázaly

odolnost do dávky asi 25 krad. Řídicí napětí se přitom postupně zvyšuje téměř

do dvojnásobné hodnoty z 370 mA na 650 mA. Podobně jsou na tom i koprocesory,

timery a obvody periferního interface.

Výhledy

do budoucna

Snižování nákladů na jednotlivé kosmické mise a miniaturizace elektroniky jsou

zřejmě trvalé trendy. To ovšem ve své podstatě značně omezu-je odolnost běžných

elektronických součástek při použití ve volném vesmíru. Proto zároveň se

zmíněnými trendy porostou i požadavky na lepší popis radiačního prostředí a

jeho vlivu na moderní elektroniku.

Budování dokonalejších modelů pro různé zdroje radiace umožní přesnější určení

dávek v průběhu jednotlivých misí. Dokonalejší testování přímo v kosmickém

prostředí zase dovolí implementovat již přesně odzkoušenou elektroniku na

rozdíl od drahého vývoje nadbytečně odolných součástek. Takové vesmírné

laboratoře jsou již v provozu jednou z nich je například LDEF (Long Duration

Exposure Facility). Zde se testují nejenom elektronické prvky, ale i různé

konstrukční materiály, plastické hmoty, keramika, lepidla, mazadla, ale i celé

palubní systémy.

Přestože kosmická radiace bude asi navždy obtěžovat člověka při jeho pokusech o

poznání okolního vesmíru, lze ji stejným poznáním snížit na bezpečnou úroveň.

9 2085 / pahn

Co způsobí jednotlivým součástkám

celková radiační dávka

MOS tranzistoryposun prahového napětí, snížení přepínací rychlosti

Bipolární tranzistorysnížení zesílení, zvýšení svodového proudu

Analogové mikroobvodyposun napětí a proudu

Digitální mikroobvodysnížení zisku, snížení přepínací rychlosti

Rezonanční krystalyposun frekvence

Optické materiályzvýšení absorpce



Důsledek poškození atomární struktury

jednotlivých elektronických součástek

PN diodyzvýšení svodového proudu, změna propustného napětí

Bipolární tranzistorysnížení zesílení, snížení saturačního napětí

LEDsnížení účinnosti

Fotodetektorysnížení citlivosti



Odolnost elektroniky

Rozlišujeme tři kategorie elektronických komponent podle jejich radiační

odolnosti:

Komerční

Při jejich návrhu se nepočítá s žádnou radiační zátěží, a výrobce proto ani

neudává radiační limity. Zákazník si případné expoziční testy provádí sám a

přebírá plnou zodpovědnost za použití v kosmickém prostředí.

Radiačně tolerantní

Taková součástka má jistou radiační ochranu, výrobce garantuje její odolnost do

určité hodnoty. Testováním se obvykle ověřuje jen obecná funkčnost prvku.

Radiačně odolné

Navržené do specifických radiačních podmínek s několika úrovněmi ochrany.

Komplexní testování chování v radiačním prostředí.



Malý výkladový slovník

eV elektronvolt, jednotka energie, užívaná zejména při popisu dějů

probíhajících na částicové úrovni; 1 eV má 1,6021892 × 10–19 Joulu

LET Linear Energy Transfer (lineárně přenesená energie) hodnota udávající

energii, kterou nabitá částice uvolní na jednotkové dráze v zasaženém

materiálu, její jednotky jsou MeV/cm2/mg; ve spojení s danou součástkou

popisuje její funkční prahový limit k pohlcení energie nabité částice

rad(), krad() jednotka radiační dávky, v závorce se udává příslušný materiál, 1

rad = 0,00001 J na gram materiálu; běžné komerční součástky odolávají dávce asi

do 10 krad(Si), satelity a meziplanetární sondy jsou však obvykle vystaveny

dávce výše od 100 krad(Si)



Zdroje informací na Internetu

http://crsp3.nrl.navy.mil/creme96

on-line výpočet radiačních dávek

http://www.stk.com

výpočty drah družic, kolizí apod., je možné stažení plně funkčního programu

zdarma. Aplikace se jmenují Satellite Tool Kit 4.0

http://envnet.gsfc.nasa.gov

enviroNET: popisy a modely kosmického prostředí

http://www.spacerad.com

space Radiation Associates: komerční program pro výpočty radiace