Skrytý svět radiačně odolných počítačů | Kapitola 4

Věc se má tak, že radiace je normální. Lze ji omezit něčím vhodným, vyvíjí se například tak zvané Z-štíty, což jsou struktury složené z vrstev s postupně se snižujícím atomovým číslem. Ty fungují tak, že první vrstva brzdí ionizované částice, ty způsobují sekundární emise, které zachytává další vrstva, jejich terciální emise pak další vrstva... a celé se to brzdí postupně. Takové štíty jsou až o 60 % efektivnější než monolitické – a jsou také o dost lehčí. 

Jenže i když eliminujeme většinu záření, stále se ho nezbavíme. A nějak se to řešit musí, protože běžné počítače nemají žádnou radiační odolnost, dokonce nemají ani ECC paměti – a tak když raketoplány prolétaly Jihoatlatickou anomálií, kde se okraj vnitřního van Allenova pásu dostává až na 200 km k povrchu Země, tak jim na palubě vypadávaly normální laptopy. Jenomže řídící systémy lodi vypadnout nesmí!

Existuje celá řada technik, které pomáhají. Jedna z nich je změna substrátu Silicon on Insulator (SOI), kde se místo křemíku použije nějaký izolant, na který se nanáší křemík. Radiace poškozuje izolant taky, ale poškozený izolant je stále izolant, takže klesá pravděpodobnost událostí typu SEL. IBM v roce 1998 vyvinula proces Silicon on Sapphire (SOS), který je podobný a má tu výhodu, že většina fabů, které dovolí vyrábět běžné čipy, může snadno použít i SOS technologii. Výroba monokrystalů safíru je podobná, na safírový wafer se nanese křemík – a pak se s tím pracuje normálně. Samozřejmě, výroba je nákladnější a čipy jsou o něco těžší.

Jiné technologie zahrnují změnu tvaru hradel anebo oddělování tranzistorů hlubokými zářezy, které se zaplňují izolanty (deep trenching). Většina radiačně zodolněných čipů používá větší litografii, protože snese vyšší míru poškození – v roce 2019 se například používalo 110 nm. Jiné strategie naopak zvažují hustší litografii, protože menší čip je menší radiační cíl – a doplnění mohutnějším štítem přímo kolem čipu, například z BPSG, bórofosfosilikátového skla z bóru-11. 

Problém je v tom, že jde o náročné technologie, po kterých je malá poptávka. Čipy se nabízejí ve více verzích, které se liší podle toho, jak velkou celkovou dávku záření snesou (total dose) a jak velkou okamžitou intenzitu radiace snesou. To jsou odlišné dimenze problému a komponenty se vybírají podle „aplikace“ – pokud pustíte sondu přímo do radiačního pásu Jupitera a víte, že tam bude jen pár hodin, než shoří v atmosféře, zajímá vás řešení s relativně nízkou celkovou dávkou, ale s vysokou odolností proti intenzivním tokům. 

Pokud navrhujete počítače pro ISS, není vysoká odolnost až tak důležitá (ISS je stále chráněná magnetosférou), ale chcete čip s vysokou celkovou odolností. Navíc na ISS máte lidi, takže musíte řešit i problém s jinou příčinou výpadků a zničení počítačů, takže zvolíte redundaci a další technické a softwarové prostředky pro obecné zvýšení spolehlivosti (těm se ale dnes věnovat nebudu).

Běžné čipy mají typickou odolnost 50–100 gray (joule na kilogram ozářené hmoty), zatímco ty zodolněné snesou 1000–3000 gray. NASA zveřejnila studii, kde kalkuluje odhady zvýšených nákladů na radiation hardening komponent – a jsou to docela šlupky, protože za prvé, nikdo nebude upravovat jeden čip anebo odpor, ale dělá se to pro celé várky a za druhé, musíte počítat s náklady na extra testování a spoustu dalších věcí.