История со станцией «Фобос-грунт» не повторится

На этой неделе стало известно, что отечественный производитель электронных компонентов, зеленоградская компания «Ангстрем», ведет переговоры о продаже индийской фирме, сотрудничающей с космическим агентством ISRA, партии микросхем класса «Space». Они предназначены для установки на космические аппараты и обладают повышенной устойчивостью к воздействию радиации и других дестабилизирующих факторов. Предполагаемая стоимость контракта — 200 тыс. долларов.

Новость отрадная, опровергающая расхожее мнение о том, что российская микроэлектроника лежит в руинах, и возродить ее невозможно никакими усилиями. То есть в данном случае «Ангстрем» продемонстрировал не только вполне успешное решение программы импортозамещения, но и реальность внедрения, пусть и робкого, на внешний рынок электронных компонентов для космоса. На рынок, где Россию совсем недавно не было видно и в микроскоп.

Индийские конструкторы, самостоятельно реализующие свою космическую программу, тем не менее закупают электронные компоненты за рубежом. Прежде их устраивало такое положение вещей. Однако неритмичность поставок некоторых партнеров, а также опережающий здравый смысл рост цен на компоненты заставили искать новые каналы приобретения космической микроэлектроники. Продукция «Ангстрема» индийцев, судя по всему, вполне устраивает. Хоть, есть одно, но. О чем будет сказано ниже.

Опасности космоса и как с ними бороться

На Западе существуют 4 типа микросхем: commercial, industrial, military и space. К «коммерческим», предназначенным для использования в бытовой и офисной технике, предъявляются наиболее низкие требования по части устойчивости к возмущающим параметрам: температуре, вибрациям, агрессивным средам. На устойчивость к радиации они вообще не проверяются. «Звездные» — самые устойчивые. Именно их намеревается приобрести у «Ангстрема» индийская компания.

В России градация происходит по уровню приемки: ОТК — военная приемка — приемка для космоса и ядерной энергетики. Как правило, военная и космическая приемки совмещены. Особенность «военно-космических» микросхем заключается в том, что они производятся мелкими сериями. В связи с чем стоимость разработки не «размазывается» на миллионы чипов. И это приводит к высокой цене за одну такую микросхему.

Существуют два главных фактора, которые способны не только нарушить работу микросхемы в космосе, но и вывести ее из строя. Прежде всего это гамма- и рентгеновское излучение. Проходя через микросхему, оно способствует накапливанию заряда в диэлектрике, окружающем транзисторы. Изменяется пороговое напряжение и ток утечки транзисторов. В микросхемах постоянной памяти по мере накопления наведенного заряда происходит разрушение информации.

То есть наблюдается постепенная деградация микросхем, которая при достижении пороговой суммарной дозы радиации способна привести к отказу. Эта пороговая доза для обычной микросхемы категории commercial оценивается в 5000 рад. И тут все зависит от орбиты, на которой находится комический аппарат. На низких орбитах от 100 км до 300 км за год накапливается порядка 100 рад. И, следовательно, с точки зрения влияния данного дестабилизирующего фактора особых требований к чипам предъявлять не надо. Но на высоких орбитах, больше 1000 км, годовая доза может достигать 20000 рад. И, следовательно, обычная микросхема здесь откажет через несколько месяцев.

Куда опаснее воздействие тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ), к которым относятся протоны, альфа-частицы, осколки ядер. Они обладают громадной энергией, которая для земной инженерной мысли пока недоступна. Энергия ТЗЧ может достигать 10 в двадцатой степени электрон-вольт. На Большом андронном коллайдере энергия частиц в миллион раз меньше. Такие частицы «пробивают» микросхему насквозь вместе с корпусом спутника. И это может привести к теристорному защелкиванию. В этом случае питание микросхемы закорачивается с корпусом, ток короткого замыкания выжигает микросхему. Разумеется, без возможности восстановления работоспособности.

Согласно официальной версии, межпланетная станция «Фобос-грунт» была потеряна в 2012 году именно из-за атаки ТЗЧ. Поскольку 62% использовавшихся в бортовом компьютере микросхем, закупленных за границей, принадлежали к классу industrial. Законы физики оказались незыблемыми.

Бороться с защелкиванием можно несколькими способами.

1. Можно контролировать силу потребляемого микросхемами тока и быстро передергивать питание в случае резкого увеличения потребления.

2. Использование микросхем на сапфировой подложке — технология «кремний на сапфире» (КНС). Благодаря этому удается блокировать формирование биполярных паразитных транзисторов, которые вызывают защелкивание. Пластины КНС стоят дорого, соответственно возрастает и стоимость микросхем. Эта технология популярна в России.

3. Усложнение электрической схемы микросхемы за счет использования triple-well процесса — изоляции транзисторов p-n переходами.

Может возникнуть, на первый взгляд, естественный вопрос: а почему бы не заэкранировать электронные модули толстым слоем свинца? В этом случае получится еще хуже. Обладающие громадной энергией ТЗЧ станут дробить тяжелые ядра свинца, и разлетающиеся осколки будут усугублять ситуацию. И чем толще будет слой свинца, тем больший выход осколков получится.

Кто это у нас делает

Практически до конца нулевого десятилетия Россия закупала все радиационно-устойчивые микросхемы за границей. Но, несмотря на вполне теплые отношения с США того периода, американцы не продавали нам по-настоящему современные и эффективные компоненты. Так, запросы на бортовой компьютер RAD750, стоящий на марсоходе Curiosity, неизменно натыкались на вежливый отказ.

В 2007-м году была принята федеральная целевая программа «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008−2011 годы». В ней говорилось в частности о создании собственного производства электронных компонентов для космоса. Затем появились дополнения, которые ориентировали электронную отрасль до 2015 года. Есть подозрение, что ускорение хода программы началось только в 2014 году с введения антироссийских санкций. И определенные результаты уже достигнуты.

В России наблюдается парадоксальная ситуация. На 12 компаний, разрабатывающих радиационно-устойчивые микросхемы, приходится 3 предприятия, на которых они изготавливаются. Поэтому чуть ли ни половина разработчиков полностью или частично размещают заказы на зарубежных предприятиях.

Ассортимент продукции довольно широкий — от микросхем низкой степени интеграции (скажем, 4-битный счетчик или 8-битный регистр в корпусе) до 4-ядерного процессора, который создает екатеринбургская компания «Мультиклет».

Три производящие компании такие.

«Ангстрем». Самая мощная микросхема, разработанная совместно с ООО «Цифровые решения» в рамках ОКР «Обработка-15», — 32-разрядный микропроцессор «Спутник». В ассортименте также мультиплексор и три аналого-цифровых преобразователя. Все это сделано, как и положено, по технологии КНС. Единственное, что не позволяет испытать чувство острой радости, — степень миниатюризации явно не современная. «Ангстрем» имеет две технологические линии: 1,6 мкм и 0,6 мкм или микрона. Эти цифры, указывают на размер отдельного транзистора на чипе. 0,6 мкм или 600 нм (нанометров) — такой технологический уровень был достигнут компанией Intel в середине 90-х годов. Ангстремовцы утверждают, что вскоре откроется линия с топологической нормой 250−350 нм. Что на сайте «Ангстрема» сопровождается каким-то совершенно фантастическим комментарием: меньше нельзя, потому что тогда ТЗЧ будут «пробивать» чипы. Но это неведомо наивным американцам, которые делают микросхемы space по технологии 45 нм.

Да и в России тоже уже перейден «страшный рубеж» в 250−350 нм. И перешла его также зеленоградская группа компаний «Микрон». Мощное производство в громадных количествах штампует чипы для банковских карт, биометрических паспортов, проездных билетов, добившись за счет гигантской серийности крайне низкой себестоимости. При этом самая «крупнотранзисторная» технология — 180 нм. Самая миниатюрная — 90 нм. Для космоса «Микрон» выпускает микропроцессоры большей производительности, чем ангстремовский «Спутник», а также микроконтроллеры.

В позапрошлом году «Микрон» в тестовом режиме освоил производство микросхем по технологии 65 нм. Однако серийное производство будет запущено либо в этом, либо в следующем году. Intel сейчас работает с технологией 22 нм. Как видим, отставание от Запада по-прежнему есть, но оно имеет уже не катастрофический характер.

И, наконец, НИИ Системных исследований РАН, который обладает технологиями КНС 500, 350 и 250 нанометров. Институт имеет небольшое производство, названное «мини-фабрикой», где изготавливает радиационно-стойкие микропроцессоры, микроконтроллеры и микросхемы памяти собственной разработки мелкими сериями. Но берется и за выполнение внешних заказов. В частности, НИИСИ изготавливает радиационно-стойкий процессор воронежского НИИ электронной техники.