晶元級航天器的未來：具備自我修復的GAA晶體管

免疫宇宙射線：使用自我復原的全包圍柵極（GAA）晶體管打造的測試晶元，包含DRAM和邏輯電路。

在和韓國科學技術研究所（KAIST）的通力合作下，美國航空航天局（NASA）成功的在微型航天器上有了突破性的進展，每個航天器都包含獨立的硅制晶元，極大程度的節省星際探索的時間。

雷鋒網(公眾號：雷鋒網)了解到，去年12月在舊金山舉行的IEEE國際電子設備會議上，來自NASA的博士後科研專家Dong-Il Moon詳細披露了這項技術，皆在確保這些航天器在執行太空探索任務時候，哪怕遇到再強烈的輻射都能生存下來。

這種微型航天器由輕量的小型太陽帆提供動力，並通過千兆級激光系統進行加速。而根據NASA的計算表明，假如使用這種全新硅制晶元能夠讓航天器加速到光速的五分之一。如果人類想要造訪離地球最近的恆星，傳統航天器往往需要幾萬年的時間，而在如此快的速度下，只需要20年就能到達。

Moon和他的同事都認為，普通硅制晶元仍然無法在太空中存活20年這麼長的時間，因為在太空旅程中會遭遇比地球更多的高能輻射。來自查爾斯·斯塔克德雷珀實驗室（位於馬薩諸塞州劍橋市），負責晶元級航天器項目的專家Brett Streetman說道：「地球磁場抵擋了大量的輻射，此外大氣層也能很好的起到防止輻射的作用。」

輻射會積累正電荷並影響晶元的二氧化硅層，降低晶元性能。KAIST的團隊負責人Yang-Kyu Choi表示，最嚴重的損害會增大電流，在原本應該關閉的時候可能會通過晶體管泄露。

解決晶元損壞的兩個解決方案是，就是在太空旅行中要麼將輻射最小化，要麼增加屏蔽效果。不過前者導致更長的任務周期並限制太空探索的能力，而後者則會增加重量並消除了小型化工藝的優點。對此Moon認為更好的方案，允許設備出現損壞，但是通過設計能夠使用熱量自我復原。

NASA團隊成員Jin-Woo Han說道：「晶元復原技術已經問世很多年了。」Han表示，現在最為關鍵的融合，就是迄今為止對輻射損害最全面的分析。

這份研究使用了KAIST實驗性質的「柵極全包圍」（gate-all-around，GAA）納米晶體管。和目前主流使用的鰭形通道，這些設備使用納米級別的線纜作為晶體管通道。GAA設備可能並不被普通用戶所熟知，但是預計2020年-2029年期間量產並有望發射升空。

柵極（gate）會完全圍繞著納米線，利用通道的關閉/開啟來讓電荷流動產生電流。在柵極添加額外的觸點從而允許電流通過。這個電流會加熱柵極和通道的周圍，修復因為輻射導致的影響。

KAIST認為，納米線晶體管是非常理想的材質，因為它們通常對宇宙射線有非常高的免疫力，而且它們非常小，尺寸只有幾十納米。Choi說道：「專用於航天器的晶元傳統尺寸大約為500納米，如果能用20納米的進行替代，那麼晶元的尺寸和重量都會大幅縮小。」而且成本也會大幅下降。

KAIST的設計方案可運用於單晶元航天器的三大關鍵構件：微處理器、DRAM內存、以及能充當硬碟的快閃記憶體。

輻射損害能夠被修復多次，實驗結果表明快閃記憶體能夠恢復10000次，而DRAM能夠1012次恢復到原始狀態。在邏輯設備中，可能會達到更高的恢複次數。這些研究結果表明它們能夠承擔更長時間的星際探索任務，晶元每隔幾年就會出現功率下降的情況，而通過內部加熱能夠恢復其性能，從而繼續回到原始狀態執行任務。

加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的教授Philip Lubin認為，這種模擬退火方式極富「創造性」並非常聰明，而且能夠深入了解宇宙射線會對這些晶元產生多大的損害。通過對現有技術的革新，他希望晶元級航天器能夠有全新的評估，並指出已經在開發軍用的耐輻射電子設備。

現在，在NASA和KAIST正努力消除第二個柵極觸點加熱問題。因為改變了晶元涉及和創造新型晶體管庫的需求，這個觸點並不合理，並增加了生產成本。KAIST的研究人員正在研究一種名為無結型納米線晶體管的全新涉及，可以在晶體管正常工作的時候加熱柵極。另外NASA還在研究可以嵌入到晶元上的微型加熱器。

伴隨著自修復技術成本的不斷降低，這項技術在未來晶元級航天器中將會扮演核心重要角色，不過現在離正式商用還有很長的路要走。（雷鋒網雷鋒網）

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