可能性として、あなたの多くは、フォボス・ソイルの状況を考えました-スペース用のマイクロチップの特別な点は何ですか？ なぜ宇宙放射線に対する保護を置くことができないのですか？ 米国からロシアにチップを輸出した人々の逮捕の話は何ですか？ すべてのポリマーはどこにありますか？



この記事ではこれらの質問に答えようとします。



免責事項：オープンソースから取得した情報であり、完全に正確ではない場合があります。 私は個人的に軍事用電子機器を扱っていません。だれでも働いても、それらの記事は書くことができません。 私は記事を補足し修正することを嬉しく思います。

スペースおよび軍用チップの追加要件

まず第一に、信頼性（水晶自体とケースの両方）、振動と過負荷に対する耐性、湿度、温度範囲の要件が大きくなっています。 軍用機器および-40Cで動作し、100Cに加熱されると動作します。



それから-核爆発の損傷要因に対する耐性-EMR 、ガンマ/中性子放射の大きな瞬間線量。 爆発時の通常の操作は不可能な場合がありますが、少なくともデバイスが回復不能に故障することはありません。



そして最後に-マイクロ回路が宇宙用である場合-放射線の総線量としてのパラメータの安定性はゆっくりと設定され、宇宙放射線の重荷電粒子との出会い後の生存（これについては以下で詳しく説明します）。

なぜ軍はセラミックメタルケースを愛するのですか？

彼らは長い間発見しました。以前の（ソビエト時代）プラスチックは熱サイクル試験に合格せず、多孔性（すなわち水分を獲得していた）であり、負の温度にあまり耐えられなかったようです。



そして最後に-これは偽物の割合を減らす簡単な方法です。 市販の金属セラミックケースでマイクロチップを購入することはできません。



しかし、セラミックにも欠点があります-より高価で、耐振動性が低く、一般に、大きな加速により、チップ上の接触パッドが超小型回路の端子に接続されるワイヤが脱落する可能性があります（プラスチックの場合、ワイヤはプラスチックで全長に沿って「支持」されます）。

チップカテゴリについて

西では、超小型回路は、商業、産業、軍事、宇宙のカテゴリに分類されます。



商用-家庭用およびオフィス製品用の通常の最も広く普及しているマイクロ回路で、通常は0..75Cの温度範囲向けに設計されています。



工業用/軍事用-同じ従来の超小型回路ですが、わずかに広い温度範囲（-40..125など）およびオプションでセラミック金属ケース用に設計された追加のテストがあります（追加のテストに合格しなかった超小型回路は商用として販売できます）。



宇宙-宇宙用途向けの放射線耐性のあるマイクロ回路には、ルールではなく金属セラミックのケースがすでにあります。 軍隊、特に宇宙マイクロチップの友人への販売には大きな制限があります。特別な許可を取得する必要があり、それらを私たちに販売する場合は民間車両（条件付き民間GLONASSなど）のみです。



ロシアでは、すべてが多少異なって分割されています。マイクロサーキットは、承認1（いわゆる品質管理部門の承認-工場がマイクロ回路をテストするときの技術管理部門）、承認5（軍事の場合は顧客の承認、軍事担当者がテストを制御する）および承認で販売されます9（最も資格のある担当者のみが作業に関与している場合-宇宙および原子力発電所の場合）。 5/9自体を受け入れても、超小型回路が耐放射線性であることを意味するわけではありません-超小型回路の（非公開）文書には、特殊要因に対する耐性が示されています。



これらの追加テスト、セラミックケースおよび小規模生産（開発コストが100万マイクロチップではなく100で除算される場合）、および軍事/宇宙マイクロチップのコストが民間のマイクロチップの少なくとも10倍、最大-多分100 1個あたり$ 000。



ただし、すべての超小型回路をロシアの軍事機器に供給できるわけではありません。すべてが名前でリストされている機器を作成するために使用できる国内（「国内」には、Integralのベラルーシ超小型回路が含まれます）の電子部品のリストがあります。 工場が新しい超小型回路を作成した場合、このリストに到達するまで使用できません。 一般的な開発と国内産業の生産量の評価については、2010年のリストと2011 年をご覧ください 。



インポートされた超小型回路の使用には、個別の許可が必要です（対応する正式な官僚機構では、国内の類似物はありませんが、表示されるように-間違いなくそれらを使用します）。

放射線が超小型回路に与える影響

「粒子の断片」では、宇宙放射線は陽子（すなわち、水素イオン）の90％、ヘリウム核（アルファ粒子）の7％、より重い原子、および1％の電子で構成されています。 さて、星（太陽を含む）、銀河核、天の川-すべてを可視光だけでなく、X線とガンマ線でも豊富に照らします。 太陽のフレア中-太陽からの放射は1000-1'000000000倍に増加し、これは深刻な問題になる可能性があります（地球の磁気圏外の未来の人々と現在の宇宙船の両方にとって）。



明らかな理由により、宇宙放射線には中性子はありません。遊離中性子の半減期は611秒であり、陽子に変わります。 非常に相対論的な速度を除いて、太陽でさえ中性子に到達することはできません。 地球から少量の中性子が飛びますが、これらは些細なことです。



地球の周りには、荷電粒子の2つのベルトがあります-いわゆるファンアレン放射線ベルト：陽子から〜4000 kmの高度と、電子から〜17000 kmの高度です。 そこにある粒子は、地球の磁場によって捕捉された閉じた軌道を動きます。 ブラジルの磁気異常もあります-内部放射線帯は、200kmの高さまで地面に近づきます。







電子、ガンマお​​よびX線

ガンマ線およびX線（電子が装置本体と衝突することにより得られる二次放射線を含む）がマイクロ回路を通過すると、トランジスタのゲートゲート誘電体に電荷が徐々に蓄積され、それに応じてトランジスタのパラメータがゆっくりと変化し始めます-トランジスタのしきい値電圧とリーク電流。 通常の民間デジタルマイクロ回路は、5000 ラジアン後に既に正常に動作を停止する場合があります（ただし、人は500〜1000ラジアン後に動作を停止する場合があります）。



さらに、ガンマ線とX線の放射により、マイクロサーキット内のすべてのpn接合が小さな「ソーラーパネル」のように機能します。通常、宇宙での放射がマイクロサーキットの動作に大きく影響するほど不十分な場合、ガンマ線とX線束はすでに核爆発時に十分な場合があります光電効果によりチップを破壊します。



次に、フラッシュ/ EEPROMメモリ。 誰かはまだ古いUV消去されたメモリチップを覚えているかもしれません：







コストを削減するために、クォーツウィンドウのないバージョンもリリースされました。 しかし、職人たちはまだX線を使ってそれを洗うことができました。 宇宙でもまったく同じ効果があります-放射線はeeprom /フラッシュメモリのデータをゆっくり消去するため、誰もが宇宙アプリケーション用にFRAM / MRAMメモリを積極的に探索します（IntegralとAngstromがこれを行います）。 発射され短絡されたジャンパーのメモリ-ヒューズとアンチヒューズも放射線から消去されません、マイクロンはこれを理解しています。 しかし、西洋では、彼らは安価な都市近辺のeepromで飛行し、一般に問題はありません。



300〜500 kmの低軌道（人が飛ぶ場所）では、年間線量はそれぞれ100ラジアン以下であり、10年でも、ダイヤル線量は民間のマイクロサーキットで許容されます。 しかし、1000km以上の高軌道では、年間線量は1万〜20万ラドであり、従来の超小型回路は数ヶ月で致死量になります。



重荷電粒子（TZP）-陽子、アルファ粒子、高エネルギーイオン

これは宇宙電子機器の最大の問題です。TZCHは非常に高いエネルギーを持っているため、（衛星本体と一緒に）超小型回路を「貫通」し、「ループ」電荷を残します。 最良の場合、これはソフトウェアエラー（0が1になる、またはその逆-シングルイベントアップセット、SEU）につながる可能性があり、最悪の場合、 サイリスタラッチ （シングルイベントラッチアップ、SEL）につながる可能性があります。 ラッチされたチップでは、電力がグランドに短絡され、電流が非常に大きくなり、チップが焼損する可能性があります。 燃焼前に電源を切って接続すると、すべてが正常に機能します。



おそらくこれはフォボス・グラントで起こったこととまったく同じだった-公式バージョンによると、非放射線耐性のインポートされたメモリチップは2ターン目に失敗し、これはTZZhのためにのみ可能です（低軌道での放射線の総量によると、市民チップは仕事）。



信頼性を高めるためのあらゆる種類のソフトウェアトリックにより、宇宙での従来の地上ベースの超小型回路の使用を制限するのは簡単です。



スナップを処理する方法はいくつかあります。



1）消費電流を監視し、すぐに電力を歪ませる

2）サファイア基板（Silicon-on-Sapphire、SOS、より一般的な形式のSilicon-on-insulator、SOI）でチップを使用します-これにより、バイポーラ浮遊トランジスタの形成、したがってスナップがなくなります。 それでも、ソフトウェアエラーが残っている可能性があります。 シリコンオンサファイアウェーハは高価であり、加工が難しく、民間部門での使用は限られているため、生産は高価です。

3）いわゆるトリプルウェルプロセスを使用します-また、pn接合によるトランジスタの追加の分離によりマイクロ回路がスナップする可能性を大幅に削減しますが、特別なプレートまたは機器を必要とせず、したがって、生産自体はサファイア上のシリコンよりもはるかに安価です。



歴史的に、ソ連とロシアではサファイア上のシリコンをより多く使用し、西部では可能な限りトリプルウェルで通常のシリコンを使用しようとします（市販製品と組み合わせてコストを削減するため）が、必要に応じてSOS / SOIも使用します。



中性子+ ¹⁰ B

ホウ素はシリコンの合金化に使用され、ホウケイ酸ガラスの形で金属層を分離します。 問題は、天然のホウ素が20％のホウ素-10であり、チップの中心部で直接アルファ粒子が放出されると、中性子と非常によく反応することです。 これにより、マイクロ回路、特にメモリの動作にエラーが発生しました。



中性子は二次放射線として得られるか、地球から飛ぶのですが、宇宙放射線ではそうではありません。



¹⁰ B + n→[ ¹¹ B]→α+ ⁷ Li + 2.31 MeV。



これは、私たちが解決できた問題の1つであり、 ¹¹ B同位体のみを使用して超小型回路を作成することで、中性子はエラーを引き起こすことなくほとんど妨げられずに超小型回路を通過します。 ところで、このホウ素の性質は原子炉の緊急停止に使用されます^-10 B同位体が豊富なホウ酸が注入されます-アルファ粒子は問題ありません。



いくつかの興味深い神話に移りましょう。

そして、衛星を放射線防護に変えましょう、そして私たちは民間のマイクロサーキットを置きます

自然は獣の素粒子のおもちゃの加速器に笑みを浮かべて見えます-大型ハドロン衝突型加速器では、陽子に対して7 TeV、鉛イオンに対して574 TeVの悲惨なエネルギーを達成します。 また、銀河宇宙線では、エネルギーが3 * 10 ²⁰ eVの粒子が私たちに飛ぶことがあります。 300000000 TeV。 そのような粒子がどこから来るかは別の質問です。なぜなら これは、Graisen-Zatsepin-Kuzminの宇宙粒子のエネルギーの理論的限界を超えています。 人間が読める単位では、これは約50Jです。 1つの素粒子では、エネルギーは小口径のスポーツピストルの弾丸のようなものです。



そのような粒子が、例えば放射線防護の鉛原子と衝突するとき、それは単にそれを引き裂いて細断する。 また、破片は巨大なエネルギーを持ち、その道のすべてを引き裂きます。 最終的には、重元素の保護が厚くなると、断片と二次放射線が多くなります。 鉛は、地上の原子炉の比較的柔らかい放射を大幅に弱めることができるだけです。



高エネルギーのガンマ線にも同様の効果があります-また、 光核反応により重い原子を細断することができます。



最後に、X線管の設計を見てみましょう。





陰極からの電子は、重金属の陽極に向かって飛行し、衝突すると、 制動放射によりX線が生成されます。 宇宙放射線の電子が私たちの船に飛んだとき、私たちの放射線防護は、繊細なマイクロ回路の隣にあるそのような自然なX線管に変わります。



これらすべての問題のために、地球のような重元素からの放射線防護は宇宙では使用されていません。 彼らは、主にアルミニウム、水素（様々なポリエチレンなどから）で構成される保護を使用します。 それは亜原子粒子のみに分解できます-これははるかに複雑であり、そのような保護はより少ない二次放射線を生成します。



しかし、いずれにせよ、TZChに対する保護はありません。さらに、保護が高いほど、高エネルギー粒子からの2次放射が多くなり、最適な厚さは約2〜3 mmアルミニウムになります。 最も難しいのは、水素保護とわずかに重い元素（いわゆるGraded-Z ）の組み合わせですが、これは純粋な「水素」保護よりもはるかに優れています。 一般に、宇宙放射線は約10倍減衰することができます。それだけです。

もう一つの神話は、現代の技術プロセスは耐放射線性が低いということです。

特定のトランジスタでエラーが発生する可能性は、そのボリュームに比例し、技術の減少とともに急速に減少します（トランジスタが面積が小さくなるだけでなく、薄くなるため）。 さらに、最新の厚さのゲート絶縁体（3 nm以下）による放射抵抗の異常な増加が認められました。



一般に、最新の安定した技術プロセス（65 nm以下）では、100万radの放射線量に耐えるルーチンが得られます。これは、抵抗に関するすべての合理的な要件を超えています。 スナップおよびソフトウェアエラーに対する耐性-トリプルウェルおよび特別なアーキテクチャソリューションによって達成されます。

ソフトエラーについて（シングルイベントアップセット）

つまり TZZが原因で、メモリの内容が歪んだり、ロジックが正しく動作しなかった場合。



これと戦うことは、アーキテクチャ上の方法でのみ- 多数決ロジック （各ブロックの3つのコピーを相互に一定の距離で接続する場合-2つの正解は、エラー耐性の高いメモリセル（10個のトランジスタのうち、通常の6）の代わりに、メモリ、キャッシュ、レジスタ、その他多くのエラー訂正コードを使用します。



しかし、エラーを完全に取り除くことは不可能です。結局のところ、幸運なことに、TZCh（または二次粒子のファン全体）がチップに正確に沿って進み、チップのほぼ5％が故障する可能性があります。プログラミング

宇宙用および軍事用チップの開発方法

前の記事から、マイクロサーキットは木では成長しないことをすでに知っています;それらの開発は長くて高価です。 これは軍用および宇宙用のマイクロサーキットに完全に適用されます。 しかし、ここでの状況は小規模な生産によって悪化します-そして、独自のイニシアチブでは、工場が何かを開発することは非常に難しくなります：100万ドルの条件付き投資であり、顧客は10個のマイクロチップしか必要としません。 それらをどれくらい売る必要がありますか？ 100'000 $？ 200'000 $？



したがって、州は業界が必要とする超小型回路の開発のためにOCDに資金を提供しており、これらのOCDは暗い。 たとえば、1つのIntegralのOCDのリストを見ることができます（ところで、既に小さなFPGAがあります）。 これが国内のARMの登場です-OCDを実現するミランダーは、Cortex-M3のライセンスを購入し、軍用のマイクロコントローラーを作成し、適切な量で製造し、それを民間バージョン （およびプラスチックケース）で競争力のある価格でリリースしました 。



もちろん、すべてを妥当なコストで開発できるわけではありません。 痛い点の1つは、大規模なFPGAです。 FPGAチップ自体の開発は難しくありませんが、合成用のソフトウェアは非常に複雑になる可能性があります。 そのような場合、大きなマージンを持つプレートの形で輸入された超小型回路を購入し、それらのテストとパッケージングを行うことが有利かもしれません。 おそらくこれが、国内のFPGA 5576XC4Tおよび5576XC3Tの登場です。これらはアルテラとソフトウェア互換ですが、ピン配置が異なります。



一般に、現在、ロシアの電子産業は軍事および宇宙マイクロエレクトロニクスを開発および生産できます（特に2007年および2011年に新しいマイクロン機器を買収した後）が、このためには、いくつかの開発および製造時間を考慮して、この開発を注文し、資金を調達する必要があります歳。 または直接、またはOKRを介して。 あるリーダーのインタビューで「まあ、貧しい国内産業は私たちに必要なマイクロサーキットを作っていない」という言葉を聞いた場合、あなたはこれを「私は必要なすべてのマイクロサーキットを作るために資金を調達したり資金をノックアウトするのが面倒です」と理解する必要があります。



しかし、もちろん、5〜15年前に作られた多くの技術は輸入されたキーコンポーネントに基づいています-これはマイクロエレクトロニクスですべてが非常に悲しかった90年代の損失の結果です（ただし、当時の他のどこでも）。 90年代から2000年代初期にインポートされたコンポーネントを強制的に使用することは確かに悪いことであり、危険ですが、選択は簡単でした。インポート時に行うか、まったく行わないかのどちらかです。 近年、彼らは国内の軍事用電子機器で状況を修正するために適切な措置を講じたようであり、輸入部品を使用する言い訳を見つけることはますます困難になるでしょう。



そして、私たちはまず第一に経済面で戦争に勝つことを覚えておく必要があります。 リソースをより効率的に使う人が勝ちます。 したがって、西側世界全体が一緒に開発しているものすべてを「自分たちのために」絶対に開発していないことを防衛産業のせいにすることは困難です。妥協はどこでも必要です。



西部の軍事用電子機器にも同様の問題があります-小規模な生産（たとえば、 RAD750-20万ドル）のために軍事用マイクロ回路も高価であり、軍事機器用の偽造マイクロ回路の大量供給に関する最近のスキャンダルは良い生活ではありませんでした。

ブックマークについて

頻繁に「ブックマーク」について耳にします-インポートされたチップをオフにすることができる魔法のボタン。 もちろん、すべてがそれほど単純ではありません-エレクトロニカはまだ外部の無線信号から保護されており、あなたはまだ信号を与えるために管理する必要があります。



しかし、私たちが提供するチップの信頼性を下げることは可能です。 ご存知のように、速度と熱放散の妥協の結果として、信頼性はすでに10年前のものです。 また、信頼性を向上および低下させる方法は非常によく研究されています。たとえば、アルミニウム化合物に1％の銅を追加しないか、重水素ではなく水素でチップをアニールするだけで十分です-そして、寿命は10倍短縮されます。 これがテストを検出するかどうかは別の質問です。



さらに、重要なシステムでインポートされたコンポーネントを使用することは依存関係であり、高価になる可能性があります（そして、そのようなコンポーネントを余裕を持って購入する必要があるため、すでに高価です）。 まあ、海外で超小型回路を購入することで-外国企業が小規模生産の問題を解決するのを手伝います。



国内工場での超小型回路の製造には、危険性があります。マスクを海外で製造する場合-理論的にコピーして研究できるだけでなく、マスクを修正できる-Chipworksのような企業はこれをかなり実現できます（たとえば、作業を中断して信頼性を低下させることができます）多数決ロジックまたはエラー修正構造の動作に損傷を与える）。 このような変更を検出することは非常に困難です。完成したマスクが電子オリジナルで完全に検証されているかどうかはわかりません。

米国からロシアにチップを販売している人々の逮捕の物語は何ですか？

それ自体は、軍事/宇宙クラスのマイクロサーキットでさえ米国から輸出することは問題ではありません-これは適切な官僚制度を通過する際に非常に合法的に行うことができます。 問題は、必要な許可を取得する際の不必要な困難を回避するための、誤った最終使用文書の提供です。



超小型回路のリスト （20ページ、おそらく不完全で、リストの先頭に少なくとも2、3の項目）があり、誰もが戸惑いました-最もクールな-EV10AQ190CTPY-クアッド10ビット1.25 Gsps ADC。



しかし、この物語で最も重要なことは、これらすべての同志と企業が最初から監視されていたことです-すべての通信、会話など。 したがって、「ブックマーク」と信頼性の低下の可能性に関する記事の前のセクションを読みました。



ここではトピックについて説明します （登録ユーザーのみ）。

まとめ

宇宙空間での民間のマイクロサーキットの使用は、スナップ効果によって制限されており、低軌道ではせいぜい制限されています。 高軌道および深宇宙-放射線耐性のある特別な超小型回路が必要です。 そこでは地球の磁場の保護が奪われており、1メートルの鉛でも宇宙放射線の高エネルギー粒子から私たちを救うことはできません。



インポートされた超小型回路では、リモートシャットダウンのブックマークは現実的ではありませんが、信頼性と耐用年数を減らすことは可能です。



90年代の暗い10年後、近年、マイクロコントローラー、FPGA（小さなもの、大きなもの、独自のパッケージングとテストを備えた輸入プレートから）、プロセッサー（Comdivs、Elbrus、MTsST R500、ミラノドロフスキー） ARMs）。 条件付きの「ブレークスルー」軍事技術（rad。FRAM）の作業が進行中です。



したがって、今年世界に終わりがなければ、「台湾製」のマイクロサーキットを備えた軍事および宇宙機器がますます少なくなり、自動惑星間ステーションが海の広がりを耕す頻度は少なくなります。



エラーや追加について聞いてうれしいです-ここで間違いなく必要になります。