（原标题：如何打造防辐射的芯片？）

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昨天，NASA成功发射了木卫二快艇，这是该机构为行星探测任务建造的最大航天器。快艇目前已成功开始为期数年的木卫二之旅，船上装载着用于研究木星卫星支持生命潜力的设备——但就在几个月前，这项任务几乎注定要失败。7 月，NASA 的研究人员发现，木卫二快艇上的一组晶体管在木星的极端辐射水平下会失效。他们花了数月时间测试设备、更新飞行轨迹，并最终在任务进展过程中添加了一个警告“金丝雀箱”来监测辐射的影响。

“金丝雀盒是一个非常合乎逻辑的工程解决方案”， IEEE 院士、阿肯色大学电气工程教授Alan Mantooth说道。但理想情况下，它根本不需要。如果 NASA 早点发现这些晶体管的问题，或者在电路设计中内置监控功能，就不会发生这种最后一刻的混乱。“这是一个聪明的补丁，”Mantooth 说道，“但它只是一个补丁。”

自 20 世纪 60 年代以来，科学家一直在对电子设备进行“抗辐射加固”，设计它们使其能够在放射性环境中工作。但随着太空任务变得越来越雄心勃勃，抗辐射加固技术也必须不断发展。“这有点像网络安全，”曼图斯说。“你总是试图做得更好。总有更恶劣的环境。”

英飞凌公司负责航空航天和国防项目的工程师Eric Faraci表示，随着 SpaceX 等公司的快速发展，航天行业正处于“一个巨大的转折点” 。“我们过去认为理所当然的一切，比如做事的方法、可接受的东西、最佳实践，现在都受到了质疑。”

在未来的太空探索中，我们将看到更多采用替代半导体（如碳化硅、专用 CMOS 晶体管、集成光子学和新型抗辐射存储器）制成的系统。以下是下一代抗辐射技术的指南。

碳化硅的超宽带隙

佛罗里达大学的研究员张恩霞 (Enxia Zhang)表示，如今航天器中的大部分功率器件都使用硅作为半导体，但下一代器件将使用碳化硅，张恩霞从事抗辐射微电子技术开发已有 20 多年。碳化硅的抗辐射能力更强，因为它的带隙更宽，带隙是电子从束缚在原子核上转变为参与传导所需的额外能量。硅的带隙为 1.1 电子伏特，而碳化硅的带隙为 3.3 至 3.4 电子伏特。这意味着需要更多的能量来干扰碳化硅的一个电子，因此杂散辐射不太可能做到这一点。

张先生说，碳化硅芯片目前正在生产中，NASA 每周都会召开会议，测试这些芯片是否可用于太空任务。NASA 的碳化硅设备有望在未来用于月球和金星任务。

英飞凌公司的 Faraci 表示，“人们现在正在飞行碳化硅”设备。他们通过在远低于地球上设计参数的参数下使用这些设备来规避标准缺乏的问题，这种技术称为降额。

另一种具有适当宽带隙的半导体是氮化镓（3.2 eV）。它最常见于LED中，也用于笔记本电脑充电器和其他低功耗消费电子产品。Faraci 表示，虽然它是一种用于太空应用的“非常令人兴奋”的材料，但它仍然是一种新材料，这意味着它必须经过大量测试才能被信任。

曼图斯说，氮化镓最适合低温环境，比如火星或月球的背面。但“如果我们在水星上做某事，或者在太阳附近做某事——任何高温物体……碳化硅就是最佳选择。”

用于设计抗辐射 CMOS 的绝缘体上硅设计和 FinFET。

新材料并不是抗辐射领域的唯一前沿；研究人员也在探索设计硅晶体管的新方法。两种 CMOS 生产方法已经具有抗辐射形式：绝缘体上硅(SOI) 和鳍式场效应晶体管(FinFET)。这两种方法都旨在防止一种称为单粒子效应的辐射损伤，即高能粒子撞击电子设备，将其电子震到不该在的地方并翻转位。

在普通体 CMOS 中，电流通过通道从源极流到漏极，栅极充当开关，阻止或允许电流流动。这些位于硅的顶层。辐射可以激发硅中更深层的电荷，绕过栅极的控制，并允许电流在不应该流动时流动。辐射加固方法通过阻止这些激发电子的运动来发挥作用。

SOI 设计在源极和漏极下方添加了一层绝缘体（如氧化硅），这样电荷就无法轻易流过通道下方。FinFET 设计将漏极、源极和它们之间的通道提升为一个或多个 3D“鳍片”。激发电荷现在必须向下、绕过并向上流动才能绕过栅极。FinFET 还天然地抵抗另一种形式的辐射损伤：总电离剂量，当带电粒子缓慢累积改变器件通道和栅极之间绝缘层的性质时，就会发生这种情况。

生产 SOI 器件和 FinFET 的技术已经存在了几十年。亚利桑那州立大学电气工程教授 Hugh Barnaby 表示，在 21 世纪，它们在抗辐射加固方面的应用并不多，因为电路设计师仍然可以使用普通的块状 CMOS 器件，从而降低电路设计和布局中的辐射风险。但最近，随着 CMOS 器件变得越来越小，因此更容易受到辐射，人们对生产这些天然抗辐射的 CMOS 器件重新产生了兴趣，即使它们更加专业和昂贵。

Barnaby 正在与一个团队合作，致力于提高 FinFET 的抗辐射能力。他们发现，增加更多鳍片可以提高器件控制电流的能力，但会降低其抗辐射能力。现在，他们正在努力重新排列鳍片的位置，以最大限度地提高抗辐射电路的有效性。“我们还没有做到这一点，”Barnaby 说，“但我相信它会起作用。”

用于高带宽、更快数据传输的光子系统

光子系统使用光而不是电子来传输信息，而且耗能很少。例如，互联网使用光纤来快速传输大量数据。佐治亚理工学院电子学教授约翰·克雷斯勒表示，在过去十年中，研究人员已经开发出硅光子集成电路，目前用于数据中心的高带宽信息传输，但也使我们能够在航天器中传输大量数据。

克雷斯勒说：“如果你想想太空中的某些系统，它们可能是遥感或通信系统，它们会收集或移动大量数据，而这在光子学中更容易做到。”

最好的部分是什么？光子集成电路天生具有抗辐射能力，因为它们的数据传输是使用光子而不是电子进行的。高能量剂量的辐射不会像电子那样破坏光子，因为光子不带电。

克雷斯勒预计集成光子学将在未来两年内应用于航天器。“美国宇航局和[美国国防部]，甚至商业太空[公司]都对光子学非常感兴趣，”他说。

太空中的非挥发性存储器

太空抗辐射的另一个有前景的研究领域是新型非易失性存储器。计算机通常使用静态随机存取存储器 (SRAM) 或动态随机存取存储器 (DRAM)。这些都是易失性存储器，这意味着一旦断电，它们就无法存储其状态。但非易失性存储器能够记住它们的状态。它们不需要持续供电，因此可以降低功耗需求。

目前，太空用非易失性存储器领域有两大领跑者：磁阻 RAM (MRAM) 和电阻 RAM (ReRAM)。MRAM 使用磁态来存储数据，而 ReRAM 使用一种称为忆阻的特性。这两种技术的设计都具有抗辐射能力；辐射不会影响 MRAM 的磁场或 ReRAM 的电阻。

范德堡大学空间与国防电子研究所所长Michael Alles表示：“电阻式 RAM 是有望实现神经形态、低能耗计算的技术之一。”这是一种受大脑工作方式启发的计算形式。卫星通常不具备处理大量自身数据的能力，必须将其发回地球。但由于基于忆阻器的电路功耗较低，卫星可以在卫星上进行计算，从而节省通信带宽和时间。

尽管仍处于研究阶段，张教授预测，在未来 10 到 15 年内，我们将在太空中看到非挥发性存储器。去年，美国太空部队与西部数据签订了价值 3500 万美元的合同，用于开发非挥发性抗辐射存储器。

警告与希望

然而，阿勒斯警告说，这些新技术的真正考验不是它们本身的表现如何，而是如何将它们整合成一个系统。你总是要问：“薄弱环节是什么？”如果一个功能强大且抗辐射的存储设备依赖于一个在辐射下失效的硅晶体管，那么它就毫无用处了。

随着太空探索和卫星发射不断增加，抗辐射对于我们的设计只会变得更加重要。“令人兴奋的是，随着我们能力的提高，我们能够去往以前无法去的地方，并在那里停留更长时间，”曼图斯说。“我们现在还不能将电子设备送入太阳。但有一天，也许我们可以。”

https://spectrum.ieee.org/europa-clipper

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