抗辐射|Arm公司：发展抗辐射加固处理器芯片，满足空间和地面更多应用
观点来源：Arm公司研究员和技术总监Rob Aitken
辐射环境带来损伤
地球上的电子设备在太空中的表现并不好，它们经常暴露在一连串的破坏力之下：太阳风、极端温度波动、宇宙辐射和范艾伦辐射带。这些辐射影响的结果可能是暂时的，导致计算机芯片的内部比特位被翻转，出现一些错误的计算。然而，总电离剂量和单次事件闩锁会给未受保护的硬件带来彻底的破坏。
虽然非破坏性影响在常规任务（如播放视频或维持基本的通信渠道）中可能会出现可恢复的小故障，但当计算机负责收集数据时，风险会显著增大。在这些情况下，部分或全部数据可能会被破坏，从而难以确定是否可以使用。
在极端环境下可靠性最重要
OneWeb公司太空系统总监布莱恩-霍尔茨（Brian Holz）曾说过，需要屏蔽质子辐射，并将一些电子产品埋在飞船内部，无论设备是绕过平流层还是前往土星，这种思维都至关重要。OneWeb公司专注于向生活在偏远地区的数百万人部署基于卫星的互联网。
在最乐观的情况下，我们可以使用已拥有的部件。2017年，美国航空航天局将一台HP超级计算机送入太空，以测试标准硬件和软件在火星任务中的表现。11个月后，这台计算机仍然可以工作，至少没有出现重大故障。
但当以后面对其他复杂的工作负载时，故障就会显现出来，并且可能是灾难性的，特别是当系统状态被“无声无息”地破坏时--也就是没有触发任何故障检测机制。
ARM公司抗辐射芯片获验证
一些实验方案使用抗辐射加固或抗辐射芯片等明确的设计技术探索了Arm芯片在空间的可行性。VORAGO技术公司基于Arm Cortex-M的抗辐射加固微控制器已用于控制SpaceX公司的CRS-10国际空间站（ISS）货物再补给任务。该微控制器采用了VORAGO HARDSIL工艺，该工艺已获得专利，并被证明可使器件在辐射和极端温度环境中得到加固。
VORAGO技术公司基于Arm处理器的微控制器
ARM公司抗辐射芯片的研发
国家航空航天局和美国空军曾出资启动“高性能空间飞行计算（HPSC）”项目，旨在极大推进空间飞行计算的技术水平，开发高能效和容错系统。作为该项目的一部分，下一代空间处理器（NGSP）分析项目让工业界参与进来，以确定未来的多核处理器架构并进行基准测试。
密歇根大学和ARM公司参与到该项目中，设计出一个“小芯片”（chiplet），包含8个基于ArmCortex-A53 64位处理器的抗辐射芯片，组成星际计算机。HPSC chiplet的更多内容欢迎移步今天的第二篇。
更多选择：使用韧性技术
但抗辐射加固也有其缺点。与标准技术相比，开发成本高，且对功率、性能和面积都有负面影响。现在有了第二种选择：使用韧性技术，如Arm的三核锁步技术，使空间应用的ARM芯片能够检测故障并从中恢复，这将导致系统可用性略微降低，但不需要专门的工艺库。通过将这两种技术结合起来，可为多年的星际服务创造出可靠的电子元器件。
未来需求
目前大多数创新都是在低地轨道空间应用中进行，辐射程度低于火星，但仍远比地球上的辐射程度严重。由于人们希望卫星和运输设施的寿命长于一次空间任务，研究人员正致力于长期芯片的可靠性。这意味着现代研究人员正专注于通过抗辐射加固来满足总电离剂量辐射需求。通常，一个好的基准是抗总剂量辐射为100krad（Si），大约是一个人每年接受的辐射量典型值的30万倍。
探索新材料器件
随着越来越多的芯片制造转向FinFET和SOI工艺，对总电离剂量辐射的耐受度也随之提高。但与此同时，物理尺寸更小的晶体管和栅极更容易受到单粒子翻转。
在系统层级上解决这一新问题的关键可能取决于竞争激烈的半导体行业的新突破，研究人员已经在尝试使用氮化镓、碳化硅、金刚石和石墨烯等新材料，以显著提高恶劣环境下工作的可靠性。这些新兴材料本身就具有抗辐射特性，但成本却很高，需求量也远不如硅。
抗辐射加固技术在地面上发掘新应用
可能有一天，地球上不断变化的条件会使防辐射芯片适用于我们的日常生活。由于太阳辐射加剧等因素，今天地球上的辐射比我们祖先面对的还要多。事实上，地球上已经有一些恶劣的环境可以从防辐射芯片中获益。如可以帮助轻松监测福岛辐射区和其他灾区，或者应用于医疗行业的辐射成像，使X射线设备寿命更长，需要的维护和保养更少。
探索抗辐射硬芯片在地球上的应用，其实可让我们在太空中发挥其最大潜力。利用无限用途可增加需求，使创新和大规模生产的成本更低，反过来又会使研究工作获益，提高其低地轨道的可靠性，使太空应用更加可靠，这些微型芯片可以改变宇宙和我们的家庭。