Китайская радиационно-стойкая ЭКБ на российском рынке

В связи с санкционной политикой западных государств против России оказалось весьма актуальным техническое сотрудничество с КНР, предприятия которой освоили все виды микроэлектронных изделий, в том числе и в радиационно-стойком исполнении. Несмотря на развитие в последние годы микроэлектронной промышленности РФ, выпускающей среди прочих и радиационно-стойкие изделия, их номенклатура недостаточна для решения всех современных инженерных задач, поэтому сотрудничество с китайскими производителями оказывается своевременным выходом из сложившейся ситуации и позволяет реализовывать самые масштабные проекты в космической, военной и других областях, где требуются радиационно-стойкие и высоконадёжные компоненты. 

Проблема радиационной стойкости компонентов

В длинном ряду разнообразных требований к электронным компонентам специального назначения своё место занимает радиационная стойкость – способность аппаратуры (и всех составляющих её компонентов) сохранять работоспособность при воздействии ионизирующего излучения. Радиационное воздействие на микроэлектронные структуры обусловлено вероятностью пролёта высокоэнергетических частиц через эти структуры, что может приводить к разным эффектам в элементах схем. Радиационные эффекты можно классифицировать на четыре группы:

1) эффекты полной поглощённой дозы. Такие эффекты связаны с накоплением заряда в диэлектриках и на границе раздела диэлектрик-полупроводник;

2) эффекты мощности дозы. Высокая мощность дозы характерна для ядерного взрыва. Как следствие, защита от этого фактора наиболее актуальна для военной техники. При быстром наборе поглощённой дозы полупроводниковый материал «ионизируется», т.е. накапливает нестекающий объёмный электрический заряд, который может вызывать тиристорный эффект;

3) эффекты попадания одиночных частиц. Отдельные высокоэнергетические частицы оказывают заметное воздействие на работу микроэлектронных структур, которое может быть неразрушающим и разрушающим. Кроме того, тяжёлые заряженные частицы являются причиной возникновения различных одиночных радиационных эффектов: одиночные сбои (SEU), тиристорный эффект (SEL), переходная характеристика (SET) и др.;

4) эффекты смещения — это радиационные повреждения в кристаллической решетке, то есть её локальное нарушение. В космическом пространстве причиной этого эффекта может стать локальная ядерная реакция в результате попадания протона или нейтрона; частицы с низкой энергией не создают такой эффект. Эффект смещения атомов приводит к росту уровня шума, снижению подвижности носителей заряда. Эффект преобладает в фотоэлектрических батареях, фотоэлементах, силовых транзисторах и в элементах на основе арсенида, нитрида галлия.

Условность этой классификации можно объяснить комбинированием эффектов. Например, длительное облучение потоком тяжёлых ионов, вызывающих одиночные эффекты, увеличивает поглощённую дозу. 

Космическое излучение

В открытом космосе плотность потока частиц велика. Но даже в атмосфере, на высотах, соответствующих эшелонам пассажирских авиамаршрутов, поток частиц (вторичных, от взаимодействия космических лучей с атмосферой) весьма заметен. 

Способы повышения радиационной стойкости

Для повышения радиационной стойкости интегральных схем используется целый ряд мер на всех этапах проектирования и изготовления изделий ЭКБ: выбор схемотехнических решений, моделирование в САПР, выбор радиационно-стойкой технологии изготовления, защитное экранирование. Рассмотрим некоторые из них. 

Кремний на диэлектрике

Технология «кремний на диэлектрике» (англ. Silicon-on-insulator, SOI) заключается во внедрении в поверхность подложки слоя кислорода, который при нагревании формирует сплошную прослойку из двуокиси кремния толщиной около 200 нм. Этот слой изолирует активные области микросхемы от кремниевой подложки. Это позволяет значительно снизить токи утечки, паразитные ёмкости, сводит к нулю вероятность тиристорного эффекта. 

Резервирование с голосованием

Этот метод основан на клонировании элементов с введением устройства голосования, которое сравнивает результаты работы нескольких устройств и выдаёт результат, являющийся мажоритарным значением. Отказ из-за одиночной ошибки, таким образом, минимизирован. Излучение способно нарушить работу такого устройства только при одновременных сбоях в нескольких элементах, что маловероятно.

Такой подход увеличивает количество используемых аппаратных ресурсов, что, в свою очередь, приводит к необходимости увеличивать площадь кристалла и потребляемую мощность.

Сравнение коммерческой (см. рис. 1) и радстойкой (см. рис. 2) версии элемента на примере процессора – площадь кристалла почти вдвое больше у радстойкой версии, относительная площадь областей памяти чипа также заметно увеличена, что косвенно свидетельствует о многотранзисторной структуре ячеек со схемами резервирования. 

DICE

В ячейках памяти часто применяют двойные DICE-защёлки (Dual Inter-locked Storage Cell). В них использована четырёхузловая структура избыточности. Состояния сохраняются как 1010 или 0101. Два контура обратной связи гарантируют защиту от SEU при воздействии только на один узел системы (см. рис. 3). 

Задержки установления состояния

Триггеры иногда оснащают схемами, задерживающими их переключение на время рекомбинации сгенерированных электронно-дырочных пар. Недостаток этого метода следует из природы метода – пониженное быстродействие всей системы. 

Помехоустойчивое кодирование

Применение избыточных битов позволяет обеспечить помехозащищённость, в том числе и в условиях радиационных факторов. Метод оказывается неэффективным при большой интенсивности ошибок, в этом случае избыточность кода не спасает. Корректирующие коды широко применяются в случаях, когда невозможна безошибочная передача или хранение информации. Для этого объём записываемой информации записывается избыточно большим, а дополнительные биты используются при восстановлении информации в случае сбоя. 

Фильтрация по времени

Другой подход — сохранение нескольких состояний линии данных с некоторым интервалом и последующее голосование на основе сохранённых состояний. Если интервал сохранения больше, чем время воздействия заряженной частицы на интегральную схему, то такая организация хорошо защищает от одиночных воздействий. Однако этот метод подвержен сбоям на линии синхронизации, а также увеличивает площадь схемы узла примерно втрое (см. рис. 4). 

Электроника в КНР

Начало истории электроники в КНР было положено сразу после образования государства в 1949 году. Правительством была основана Академия наук КНР, включавшая в себя сеть НИИ, а также сформулированы долгосрочные программы научно-технического развития, в которых электронике была отведена значимая роль. Разрабатывать компьютеры в Китае начали в начале 1950-х гг. с построения ламповой ЭВМ 1-го поколения уже в 1958 г. Полупроводниковая ЭВМ 2-го поколения производилась в Шанхае, Пекине, Тяньцзине в 1965 г. В 1973 г. Китай построил первые ЭВМ с применением малых интегральных схем, а в 1989 г. уже реализовывалась программа перехода ЭВМ 4-го поколения на БИС к 5-му поколению.

На 2001 г. общий доход 44 китайских компаний, разрабатывающих и производящих электронную продукцию, составил около 2 млрд долларов, а это 82% дохода электронной промышленности КНР. Развитие микроэлектроники в Китае привлекло мировых гигантов на недорогие производственные площадки с дешёвой рабочей силой.

Санкции против китайской микроэлектронной промышленности

В 1989 году правительством КНР принято решение о развитии специальных экономических зон в провинциях Чжухай и Шеньчжень. В то же время санкционная политика США накладывала новые и новые ограничения на доступ к финансам, технологиям и оборудованию для промышленных предприятий Китая. Как показывает история, санкции во многом стимулируют промышленность стран, против которых они были введены.

В апреле 2021 стало известно о санкциях США против китайских суперкомпьютеров. Министерство торговли США внесло в санкционный список семь китайских компаний, которые теперь не смогут приобретать оборудование для суперкомпьютеров.

Однако эти санкции не повлияют на один из самых мощных суперкомпьютеров планеты — Sunway TaihuLight, поскольку он собран на китайской элементной базе. Этот факт очень наглядно свидетельствует о суверенности и защищённости микроэлектронной промышленности Китая сегодняшнего дня.

В том числе благодаря введению санкционной политики КНР сейчас является одним из передовых производителей электроники с развитой микроэлектронной промышленностью.

В настоящее время промышленность Китая самостоятельно производит и готова поставлять партнёрам в РФ широкий ряд электронных компонентов высоконадёжного и радиационно-стойкого исполнения: ПЛИС, ЦАП и АЦП, микросхемы памяти различных типов, модули и микросхемы питания, интерфейсные микросхемы, процессоры, ВЧ/СВЧ-компоненты и изделия, пассивные компоненты и соединители.

Рассмотрим некоторые изделия из приведённого ряда. 

Элементная база

ПЛИС

В настоящее время китайские производители предлагают одну из самых высокопроизводительных высоко-надёжных ПЛИС в мире, имеющую характеристики:

Производство ПЛИС глубоко освоено китайской промышленностью. Широкий ряд ПЛИС, с характеристиками, близкими и даже превосходящими западные аналоги, предлагается к поставкам и применению уже сегодня, перспективные ИС находятся в разработке. Ряд освоенных в производстве ПЛИС уже имеют опыт поставки в РФ.

Микросхема JFM7K325T-C производства китайской компании Fudan успешно конкурирует с аналогами ведущих мировых производителей высоконадёжных ПЛИС (см. рис. 5).

Что касается характеристик, то модель аналогична по логическим ресурсам, назначению и шагу выводов. В то же время модель превосходит аналоги по статическому энергопотреблению.

Характеристики ПЛИС JFM7K325T-C:

Существуют различные исполнения данной ИС – высоконадёжное, радиационно-стойкое, индустриальное.

Ключевые характеристики серии:

Микросхема доступна к поставке. Основные характеристики ПЛИС JFM7VX690T-RT / JFM7VX690T80-RT:

Образцы микросхем в исполнениях Space, Industrial, High-reliable доступны к поставке. 

Память PROM

Характеристики современных радстойких PROM, выпускаемых предприятиями КНР, достигают следующих значений:

Память SRAM

На данный момент производители предлагают микросхемы памяти ёмкостью до 144 Мбит, разрядностью до 40 бит, быстродействием менее 15 с и напряжением питания 1,8, 3,3, 5 В, радиационной стойкостью TID 100 крад (Si), SEL: ≥ 75 МэВ·см²/мг, SEU: ≤ 1E^–10 ошибок/бит·день. 

Память FPGA PROM

Для работы некоторых ПЛИС необходима внешняя память. В качестве примера рассмотрим два чипа конфигурационной памяти ПЛИС B17V16RH и B18V04RH (см. рис. 7). 

3D-память

Технологическим достижением современности можно назвать 3D-память. Долгие годы ёмкость запоминающих устройств увеличивалась за счёт увеличения плотности размещения ячеек памяти на кристалле и за счёт роста площади кристалла. Технологические ограничения не позволяли упаковывать ячейки памяти многослойно, поскольку нижние и верхние слои находились в разных условиях при прохождении серии технологических этапов.

Современные технологические процессы позволили использовать третье измерение для увеличения плотности размещения ячеек памяти.

Как результат, характеристики модулей 3D-памяти достигают следующих значений:

Основные производители 3D-памяти (см. рис. 8) – институт-разработчик из провинции Чжухай ORBITA Co. и Сианьский институт микроэлектронных технологий XMTI. 

Микропроцессоры

Радиационно-стойкие процессоры и системы производятся китайской промышленностью как для космических аппаратов, так и для прочих ответственных применений.

На сегодняшний день освоена в производстве широкая линейка устройств. Например, SoC 2012 (см. рис. 9):

Данные модели успешно применяются в собственных космических программах Китая, а также имеется опыт поставок для российских проектов. 

Заключение

ООО «Феникс Электроникс» – основной партнёр по поставке высоконадёжной и радиационно-стойкой ЭКБ из КНР.

Компания «Феникс Электроникс» специализируется на прямых поставках высоконадёжной и радиационно-стойкой ЭКБ от крупнейших производителей и поставщиков из Китая и Юго-Восточной Азии, является официальным участником Межправительственной программы российско-китайского сотрудничества в области космоса, 7 лет поставляет высокона-дёжные электронные компоненты российским предприятиям.

ООО «Феникс Электроникс» является эксклюзивным представителем и дистрибьютором CAST CACEC (Китайский Инженерный Центр Аэрокосмических Компонентов Китайской Академии Космических Технологий). Эта организация отвечает за качество ЭКБ в национальном масштабе, контролируя качество производства, проведение испытаний и квалификации китайской ЭКБ.

ООО «Феникс Электроникс» комплексно подходит к вопросам поставки ЭКБ и предлагает: технические консультации по подбору ЭКБ, ведение внешнеторговых контрактов, таможенное оформление, поставку ЭКБ с пакетом сопроводительной документации (отчеты изготовителя, сертификат соответствия), хранение ЭКБ в сертифицированных складских помещениях, ведение рекламационной работы. Для заказчиков, сделавших выбор в пользу китайской ЭКБ, возможна поставка бесплатных образцов, в том числе отладочных плат для ПЛИС, микропроцессоров, SiP.

Благодаря компетенциям и опыту на довольно сложном рынке компании удаётся следовать правильным рыночным курсом. Обороты «Феникс Электроникс» уверенно растут в последние шесть лет, однако ещё важнее и показательнее динамичный рост числа её партнёров: головных заказчиков и входящих в их кооперацию предприятий. Главная цель компании – стать ключевым поставщиком высоконадёжной ЭКБ производства КНР для ответственных применений.