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。

据了解,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。

(原文发表于:spectrum.ieee.雷锋网编译)

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