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芯片级航天器的未来:具备自我修复的GAA晶体管

本文作者:萨洛 2017-02-06 14:57
导语:哪怕遇到再强烈的辐射,芯片级航天器通过自我修复的功能来实现长时间太空旅行都能存活下来。

芯片级航天器的未来:具备自我修复的GAA晶体管

免疫宇宙射线:使用自我复原的全包围栅极(GAA)晶体管打造的测试芯片,包含DRAM和逻辑电路。

在和韩国科学技术研究所(KAIST)的通力合作下,美国航空航天局(NASA)成功的在微型航天器上有了突破性的进展,每个航天器都包含独立的硅制芯片,极大程度的节省星际探索的时间。

雷锋网了解到,去年12月在旧金山举行的IEEE国际电子设备会议上,来自NASA的博士后科研专家Dong-Il Moon详细披露了这项技术,皆在确保这些航天器在执行太空探索任务时候,哪怕遇到再强烈的辐射都能生存下来。

这种微型航天器由轻量的小型太阳帆提供动力,并通过千兆级激光系统进行加速。而根据NASA的计算表明,假如使用这种全新硅制芯片能够让航天器加速到光速的五分之一。如果人类想要造访离地球最近的恒星,传统航天器往往需要几万年的时间,而在如此快的速度下,只需要20年就能到达。

Moon和他的同事都认为,普通硅制芯片仍然无法在太空中存活20年这么长的时间,因为在太空旅程中会遭遇比地球更多的高能辐射。来自查尔斯·斯塔克德雷珀实验室(位于马萨诸塞州剑桥市),负责芯片级航天器项目的专家Brett Streetman说道:“地球磁场抵挡了大量的辐射,此外大气层也能很好的起到防止辐射的作用。”

辐射会积累正电荷并影响芯片的二氧化硅层,降低芯片性能。KAIST的团队负责人Yang-Kyu Choi表示,最严重的损害会增大电流,在原本应该关闭的时候可能会通过晶体管泄露。

解决芯片损坏的两个解决方案是,就是在太空旅行中要么将辐射最小化,要么增加屏蔽效果。不过前者导致更长的任务周期并限制太空探索的能力,而后者则会增加重量并消除了小型化工艺的优点。对此Moon认为更好的方案,允许设备出现损坏,但是通过设计能够使用热量自我复原。

NASA团队成员Jin-Woo Han说道:“芯片复原技术已经问世很多年了。”Han表示,现在最为关键的融合,就是迄今为止对辐射损害最全面的分析。

这份研究使用了KAIST实验性质的“栅极全包围”(gate-all-around,GAA)纳米晶体管。和目前主流使用的鳍形通道,这些设备使用纳米级别的线缆作为晶体管通道。GAA设备可能并不被普通用户所熟知,但是预计2020年-2029年期间量产并有望发射升空。

栅极(gate)会完全围绕着纳米线,利用通道的关闭/开启来让电荷流动产生电流。在栅极添加额外的触点从而允许电流通过。这个电流会加热栅极和通道的周围,修复因为辐射导致的影响。

KAIST认为,纳米线晶体管是非常理想的材质,因为它们通常对宇宙射线有非常高的免疫力,而且它们非常小,尺寸只有几十纳米。Choi说道:“专用于航天器的芯片传统尺寸大约为500纳米,如果能用20纳米的进行替代,那么芯片的尺寸和重量都会大幅缩小。”而且成本也会大幅下降。

KAIST的设计方案可运用于单芯片航天器的三大关键构件:微处理器、DRAM内存、以及能充当硬盘的闪存。

辐射损害能够被修复多次,实验结果表明闪存能够恢复10000次,而DRAM能够1012次恢复到原始状态。在逻辑设备中,可能会达到更高的恢复次数。这些研究结果表明它们能够承担更长时间的星际探索任务,芯片每隔几年就会出现功率下降的情况,而通过内部加热能够恢复其性能,从而继续回到原始状态执行任务。

加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的教授Philip Lubin认为,这种模拟退火方式极富“创造性”并非常聪明,而且能够深入了解宇宙射线会对这些芯片产生多大的损害。通过对现有技术的革新,他希望芯片级航天器能够有全新的评估,并指出已经在开发军用的耐辐射电子设备。

现在,在NASA和KAIST正努力消除第二个栅极触点加热问题。因为改变了芯片涉及和创造新型晶体管库的需求,这个触点并不合理,并增加了生产成本。KAIST的研究人员正在研究一种名为无结型纳米线晶体管的全新涉及,可以在晶体管正常工作的时候加热栅极。另外NASA还在研究可以嵌入到芯片上的微型加热器。

伴随着自修复技术成本的不断降低,这项技术在未来芯片级航天器中将会扮演核心重要角色,不过现在离正式商用还有很长的路要走。(雷锋网雷锋网)

via spectrum.ieee

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