NASA聯手韓國KAIST突破晶片級太空飛行器未來

2020-11-24 EDN電子設計技術

在和韓國科學技術研究所（KAIST）的通力合作下，美國航空航天局（NASA）成功的在微型太空飛行器上有了突破性的進展，每個太空飛行器都包含獨立的矽制晶片，極大程度的節省星際探索的時間。1foednc

據了解，去年12月在舊金山舉行的IEEE國際電子設備會議上，來自NASA的博士後科研專家Dong-Il Moon詳細披露了這項技術，皆在確保這些太空飛行器在執行太空探索任務時候，哪怕遇到再強烈的輻射都能生存下來。1foednc

這種微型太空飛行器由輕量的小型太陽帆提供動力，並通過千兆級雷射系統進行加速。而根據NASA的計算表明，假如使用這種全新矽制晶片能夠讓太空飛行器加速到光速的五分之一。如果人類想要造訪離地球最近的恆星，傳統太空飛行器往往需要幾萬年的時間，而在如此快的速度下，只需要20年就能到達。1foednc

Moon和他的同事都認為，普通矽制晶片仍然無法在太空中存活20年這麼長的時間，因為在太空旅程中會遭遇比地球更多的高能輻射。來自查爾斯·斯塔克德雷珀實驗室（位於麻薩諸塞州劍橋市），負責晶片級太空飛行器項目的專家Brett Streetman說道：「地球磁場抵擋了大量的輻射，此外大氣層也能很好的起到防止輻射的作用。」1foednc

輻射會積累正電荷並影響晶片的二氧化矽層，降低晶片性能。KAIST的團隊負責人Yang-Kyu Choi表示，最嚴重的損害會增大電流，在原本應該關閉的時候可能會通過電晶體洩露。1foednc

解決晶片損壞的兩個解決方案是，就是在太空旅行中要麼將輻射最小化，要麼增加屏蔽效果。不過前者導致更長的任務周期並限制太空探索的能力，而後者則會增加重量並消除了小型化工藝的優點。對此Moon認為更好的方案，允許設備出現損壞，但是通過設計能夠使用熱量自我復原。1foednc

NASA團隊成員Jin-Woo Han說道：「晶片復原技術已經問世很多年了。」Han表示，現在最為關鍵的融合，就是迄今為止對輻射損害最全面的分析。1foednc

這份研究使用了KAIST實驗性質的「柵極全包圍」（gate-all-around，GAA）納米電晶體。和目前主流使用的鰭形通道，這些設備使用納米級別的線纜作為電晶體通道。GAA設備可能並不被普通用戶所熟知，但是預計2020年-2029年期間量產並有望發射升空。1foednc

柵極（gate）會完全圍繞著納米線，利用通道的關閉/開啟來讓電荷流動產生電流。在柵極添加額外的觸點從而允許電流通過。這個電流會加熱柵極和通道的周圍，修復因為輻射導致的影響。1foednc

KAIST認為，納米線電晶體是非常理想的材質，因為它們通常對宇宙射線有非常高的免疫力，而且它們非常小，尺寸只有幾十納米。Choi說道：「專用於太空飛行器的晶片傳統尺寸大約為500納米，如果能用20納米的進行替代，那麼晶片的尺寸和重量都會大幅縮小。」而且成本也會大幅下降。1foednc

KAIST的設計方案可運用於單晶片太空飛行器的三大關鍵構件：微處理器、DRAM內存、以及能充當硬碟的快閃記憶體。1foednc

輻射損害能夠被修復多次，實驗結果表明快閃記憶體能夠恢復10000次，而DRAM能夠1012次恢復到原始狀態。在邏輯設備中，可能會達到更高的恢復次數。這些研究結果表明它們能夠承擔更長時間的星際探索任務，晶片每隔幾年就會出現功率下降的情況，而通過內部加熱能夠恢復其性能，從而繼續回到原始狀態執行任務。1foednc

加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的教授Philip Lubin認為，這種模擬退火方式極富「創造性」並非常聰明，而且能夠深入了解宇宙射線會對這些晶片產生多大的損害。通過對現有技術的革新，他希望晶片級太空飛行器能夠有全新的評估，並指出已經在開發軍用的耐輻射電子設備。1foednc

現在，在NASA和KAIST正努力消除第二個柵極觸點加熱問題。因為改變了晶片涉及和創造新型電晶體庫的需求，這個觸點並不合理，並增加了生產成本。KAIST的研究人員正在研究一種名為無結型納米線電晶體的全新涉及，可以在電晶體正常工作的時候加熱柵極。另外NASA還在研究可以嵌入到晶片上的微型加熱器。1foednc

伴隨著自修復技術成本的不斷降低，這項技術在未來晶片級太空飛行器中將會扮演核心重要角色，不過現在離正式商用還有很長的路要走。1foednc

（原文發表於：spectrum.ieee.雷鋒網編譯）1foednc

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