Новые проблемы в наномире
Жизненно важные системы управления воздушными судами, не говоря уже об офисных компьютерах, могут скоро выйти из строя по необъяснимым причинам, если производители микрочипов будущих поколений не осознают возрастающую опасность: фоновое излучение. Инженеры-электронщики предупреждают, что транзисторы в микросхемах вскоре могут стать настолько маленькими, что хранящиеся на них данные могут быть повреждены фоновым радиоактивным излучением. Это может привести к потере данных и сбою программы с возможными фатальными последствиями.
На Международной конференции по тестированию в Вашингтоне, округ Колумбия, в прошлом месяце инженеры из Texas Instruments и Intel в США и STMicroelectronics во Франции забили тревогу. Они предупредили, что вероятность естественных выбросов альфа-частиц и нейтронов, разрушающих базы данных в будущих поколениях микросхем памяти и микропроцессоров, возрастает.
Большинство продаваемых сегодня ПК оснащены микрочипами, длина которых составляет от 330 до 250 нанометров. Ошибки, вызванные излучением, очень редки, а если и случаются, то, скорее всего, связаны с ошибками в программном обеспечении. Однако следующее поколение микропроцессоров с размерами менее 180 нанометров будет более уязвимо для радиации. Новые чипы, вероятно, будут повсюду в начале следующего десятилетия. По словам инженеров, проблема будет становиться все более острой, поскольку производители продолжают выпускать более компактные и быстрые микропроцессоры.
«То, что сегодня является лишь случайной проблемой, может легко стать гораздо более серьезной проблемой», - отмечает Гехан Амаратунга, инженер-электрик из Кембриджского университета. Чем меньше размер каждого отдельного транзистора, тем меньший электрический заряд ему требуется для записи одного бита информации. Это, по словам Амаратунги, делает каждый бит более восприимчивым к помехам от падающего излучения.
Многие материалы, связанные с электроникой, естественным образом испускают альфа-частицы, при этом основной проблемой является свинцовый припой, говорит Алан Хейлз, инженер Texas Instruments в Далласе. «Большая часть свинца, используемого сегодня, слегка радиоактивна», - объясняет он. «Есть еще несколько мест, где можно добывать нерадиоактивный свинец, но их немного». Некоторые компании в настоящее время экспериментируют с бессвинцовыми припоями, но ряд других материалов, используемых в производстве чипов (например, диоксид кремния и фосфорная кислота, используемая для травления), также являются природными альфа-излучателями.
Электронные системы самолетов сталкиваются с самыми серьезными проблемами из-за все меньшего размера чипов. Хейлз отмечает, что при обычной высоте полета в девять километров и более космические лучи в 1000 раз выше, чем на уровне моря. Быстрый нейтрон может легко выбить электроны из их оболочек. Затем электроны могут накапливаться в сетках чипов и накапливать там заряд, который может уничтожить важные данные.
Производители микросхем не могут решить эту проблему, просто создавая экраны вокруг своих микросхем. «Поскольку большая часть альфа-излучения исходит от самих упаковочных материалов, а чтобы остановить нейтрон, вам нужно 3 метра бетона, экранирование было бы практически невозможно», - говорит Хейлз..
Одним из изучаемых в настоящее время решений было бы удвоение количества транзисторов, используемых для хранения каждого бита данных. Ян Бойд, работающий с электронными материалами в Университетском колледже Лондона, считает, что это будет шагом вперед. Размещение копий каждого элемента в заготовках на чипе обеспечит резервную копию на случай радиационного повреждения. Но это привело бы к созданию дорогого чипа, в котором только половина транзисторов выполняла бы всю работу.
Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft является оператором этого портала. Его электронные и печатные журналы, в том числе «Spektrum der Wissenschaft», «Gehirn&Geist» и «Spektrum - Die Woche», сообщают о текущих результатах исследований.