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Resistencia a radiación

La resistencia a la radiación es el acto de fabricar componentes electrónicos y sistemas resistentes a daños o funcionamientos erróneos causados por la radiación ionizante (radiación de partículas y electromagnética de alta energía), como las que se dan en el espacio exterior, vuelos de altitud elevada, alrededor de reactores nucleares y aceleradores de partículas o en accidentes nucleares.

La mayoría de componentes electrónicos semiconductores son susceptibles de resultar dañados por la radiación. Los componentes resistentes a la radiación se basan en sus equivalentes no resistentes, a los que se realizan variaciones en diseño y fabricación para reducir esta susceptibilidad a ser dañados. Debido al desarrollo extensivo y el testeo requerido para lograr el diseño de un chip microelectrónico tolerante a la radiación, estos suelen quedar desfasados con respecto a los desarrollos más recientes.

Los productos resistentes a la radiación son típicamente testados en ensayos de uno o más efectos resultantes, incluyendo dosis total de ionización (TID), efectos de baja dosis mejorados (ELDRS), daños por desplazamiento de neutrones y protones y efectos de evento simple (SEE, SEE, SEL y SEB).

Problemas causados por radiación

Ver también: Daño por radiación

Los entornos con alto nivel de radiación ionizante crean retos de diseño especiales. Una sola partícula cargada puede emitir miles de electrones, provocando ruido eléctrico e impulsos de señal. En el caso de circuitos digitales, esto puede causar resultados inexactos o ininteligibles. Este es un problema particularmente serio en el diseño de satélites, naves espaciales, aviones militares, plantas de energía o armas nucleares. Con objeto de asegurar el correcto funcionamiento de estos sistemas, los fabricantes de circuitos integrados y sensores destinados al mercado militar o aeroespacial emplean diversos métodos de endurecimiento contra radiación. Los sistemas resultantes son llamados endurecidos o resistentes a la radiación.

Fuentes principales de daños por radiación

Fuentes típicas de exposición de componentes electrónicos a radiación ionizante son los cinturones de radiación Van Allen, reactores nucleares en plantas para sensores y circuitos de control, aceleradores de partículas para electrónica de control (particularmente dispositivos detectores de partículas), la radiación residual de isótopos en materiales de encapsulado de chips, la radiación cósmica para naves espaciales o aviones de gran altitud y explosiones nucleares para todo tipo de electrónica tanto militar como civil.

  • Los rayos cósmicos proceden de todas direcciones y constan aproximadamente de un 85% de protones, 14 % de partículas alfa y un 1 % de iones pesados, junto con rayos X y radiación gamma. La mayoría de los efectos son causados por partículas con energía de entre 0.1 y 20 GeV. La atmósfera filtra la mayoría de estos, por lo que principalmente suponen un problema para naves espaciales y aviones de gran altitud.
  • Las partículas de radiación solar proceden de la dirección del Sol y constan de un gran flujo de protones de alta energía (muchos GeV) e iones pesados, de nuevo acompañados por rayos X.
  • Los cinturones de radiación Van Allen contienen electrones (hasta 10Mev aproximadamente) y protones (hasta cientos de MeV) atrapados en un campo geomagnético. El flujo de partículas en las regiones más lejanas a la Tierra puede variar dependiendo de las condiciones del Sol y la magnetosfera en cada momento. Debido a su localización, suponen un problema para los satélites.
  • Partículas secundarias son resultado de la interacción de otros tipos de radiación con las estructuras alrededor de dispositivos electrónicos.
  • Los reactores nucleares producen radiación gamma y de neutrones que pueden afectar a los sensores y circuitos de control en plantas de energía nuclear.
  • Los aceleradores de partículas producen protones y electrones de alta energía y las partículas secundarias producidas por sus interacciones generan daños por radiación en componentes de control sensibles y detectores de partículas, del orden de magnitud de 10 MRad[Si]/año para sistemas como el Gran Colisionador de Hadrones.
  • Las explosiones nucleares producen un aumento corto pero extremadamente intenso de radiación a lo largo del espectro electromagnético, un pulso electromagnético (EMP), radiación de neutrones y un flujo de partículas cargadas tanto primarias como secundarias. En caso de guerra nuclear, estas suponen un peligro potencial para todo tipo de electrónica militar y civil.
  • Los materiales de encapsulado de chips fueron una fuente de radiación que causó errores en las DRAM desarrolladas a lo largo de los años 70. Restos de elementos radiactivos en el encapsulado de los chips produjeron partículas alfa, que ocasionalmente descargaban algunos de los condensadores empleados para almacenar los bits de datos en las DRAM. Hoy en día, estos efectos han sido reducidos empleando materiales de encapsulado más puros y códigos de corrección de errores para detectar y corregir errores en las DRAM.

Efectos de la radiación en electrónica

Mecanismos fundamentales

Se producen dos mecanismos de daño fundamentales:

  • Desplazamiento de red, causado por neutrones, protones, partículas alfa, iones pesados y fotones con muy alta energía gamma. Estos modifican la disposición de los átomos en la estructura del cristal, creando daños permanentes e incrementando el número de centros de recombinación, así como disminuyendo los portadores minoritarios y empeorando las propiedades analógicas en las uniones de los semiconductores afectados. Contrariamente, dosis más altas en periodos cortos de tiempo provocan un recocido (“curación”) de la red dañada, causando menor daño que con dosis de baja intensidad a lo largo de un tiempo mayor. Este tipo de problema es particularmente significativo en transistores bipolares, los cuales dependen de los portadores minoritarios en sus regiones de base; elevadas pérdidas provocadas por recombinación causan una degeneración de la ganancia del transistor.
  • Efectos de ionización, son causados por partículas cargadas, incluyendo aquellas con energía demasiado baja para provocar daños en la red. Generalmente, los efectos de la ionización son transitorios, creando mal funcionamiento y errores leves, aunque pueden conducir a la destrucción del dispositivo si estos desembocan otros mecanismos de daño (ej. un latchup). La fotocorriente causada por radiación X y ultravioleta pueden pertenecer a esta categoría también. La acumulación gradual de huecos en la capa de óxido de los transistores MOSFET llevan a un empeoramiento de su rendimiento, llegando al fallo del dispositivo si la dosis es lo suficientemente elevada (ver Efectos de dosis de ionización total).

Los efectos pueden variar ampliamente dependiendo de muchos parámetros: tipo de radiación, dosis total y flujo de radiación, combinación de distintos tipos de radiación e incluso el tipo de carga del dispositivo (frecuencia o voltaje de operación, estado actual del transistor en el instante en que es impactado por la partícula), lo cual hace de un testeo concienzudo, una labor difícil, extendida en el tiempo y la cual requiere de muchas muestras.

Efectos resultantes

Los efectos que el usuario puede observar pueden ser organizados en varios grupos:

  • Efectos de neutrón: Un neutrón interactuando con la red semiconductora podrá desplazar sus átomos. Esto conduce a un aumento del número de centros de recombinación y a defectos a bajo nivel, reduciendo el tiempo de vida de los portadores minoritarios, lo que afecta a los dispositivos bipolares en mayor medida que a los CMOS. Los dispositivos bipolares sobre silicio tienden a mostrar cambios en sus parámetros eléctricos a niveles de 1010 hasta 1011 neutrones/cm2, mientras que los CMOS no son afectados hasta los 1015 neutrones/cm2. La sensibilidad de los dispositivos puede verse incrementada con el mayor grado de integración y la disminución del tamaño de las estructuras individuales. Existe también un riesgo de radiactiviad inducida, provocada por la activación de neutrones, lo que es una fuente principal de ruido en instrumentos astrofísicos de alta energía. La radiación inducida, junto con la residual procedente de impurezas en los materiales empleados, pueden provocar todo tipo de problemas durante el tiempo de vida de los dispositivos. Los LEDs de GaAs, comunes en optoacopladores, son muy sensibles a los neutrones. El daño en la red influye en la frecuencia de los cristales oscilatorios. Los efectos de energía cinética (llamados desplazamientos en la red) pertenecen a este grupo también.
  • Efectos de dosis de ionización total: el daño acumulado en la estructura de la red, provocado por la radiación ionizante a lo largo de un tiempo de exposición. Se mide en rads y causa una lenta degradación gradual en el rendimiento del dispositivo. Una dosis total superior a 5000 rads sobre dispositivos basados en silicio en un tiempo entre segundos y minutos provocará una degradación a largo plazo. En los dispositivos CMOS, la radiación crea pares electrón-hueco en la puerta de las capas de aislamiento, lo que cause fotocorrientes durante su recombinación. Además, los huecos atrapados en los defectos de la red en el aislante crean una polarización persistente en la puerta e influyen en el voltaje umbral de los transistores, haciendo que los MOSFET tipo N se activen más fácilmente y los tipo P de forma más difícil. La carga acumulada puede ser lo suficientemente alta como para mantener los transistores permanentemente abiertos (o cerrados), lo que provocaría un fallo del dispositivo. Algunos efectos de autocuración tienen lugar a lo largo del tiempo, pero no son muy significativos. Este efecto es similar a la degradación de portadores calientes en electrónica de alta velocidad y grado de integración. Los cristales osciladores son de alguna forma, sensibles a la radiación, que altera su frecuencia. Esta sensibilidad puede ser drásticamente disminuida mediante el uso de cuarzo purificado (swept quartz). Los cristales de cuarzo natural son especialmente sensibles. Las curvas de comportamiento de la radiación para ensayos TID pueden ser generadas por todos los procesos de test y son incluidas en el informe de ensayos de radiación.
  • Efectos transitivos: Los pulsos de radiación de corta duración y alta intensidad se dan típicamente en explosiones nucleares. El flujo de alta radiación crea fotocorrientes en el cuerpo del semiconductor al completo, haciendo que los transistores se activen de forma aleatoria, modificando los estados de flip-flops y células de memoria. El daño permanente puede provocarse si la duración del pulso es demasiado prolongada, si se causa daño en la unión o se produce un latchup. Estos últimos son causados normalmente por radiación X o gamma procedentes de una explosión nuclear. Los cristales oscilatorios pueden detener su funcionamiento durante este flash de radiación debido a la fotoconductividad que se induce en el cuarzo.
  • Efectos EMP generados por sistema: son provocados por un flash de radiación que viaja a lo largo de los equipos y genera ionización local y corrientes eléctricas en el material de los chips, placas de circuito, cables y cajas.
  • Efectos de evento simple (SEE): son fenómenos que afectan a la mayoría de dispositivos digitales (véase la siguiente sección para una introducción a los distintos tipos de SEE).

Daño digital: SEE

Los efectos de evento simple (SEE), que afectan mayoritariamente a los dispositivos digitales, no han sido profundamente estudiados hasta hace relativamente poco tiempo. Cuando una partícula de alta energía viaja a través de un semiconductor, deja un rastro ionizado a su paso. Esta ionización puede causar un efecto altamente localizado similar a los transitivos -un fallo benigno a la salida, el cambio de un bit en memoria o en un registro o, especialmente en transistores de alta potencia, un latchup destructivo que incendia el dispositivo. Los efectos de evento simple tienen importancia para la electrónica en satélites, aviones u otro tipo de aplicaciones civiles o aeroespaciales militares. A veces, en los circuitos que no incluyen latches, es útil introducir circuitos RC con tiempo constante para ralentizar la reacción del circuito a lo largo de la duración de un SEE.

  • Trastornos de evento simple (SEU) o efectos transitivos de radiación en electrónica son cambios de estado en bits de memoria o registros causados por un simple ion interactuando con el chip. Estos no causan daños permanentes al dispositivo, pero pueden causar problemas permanentes a un sistema que no pueda recuperarse de este tipo de error. En dispositivos muy sensibles, un simple ion puede provocar un trastorno de múltiples bits (MBU) en diversas células de memoria adyacentes. Los SEUs puede convertirse en interrupciones funcionales de evento simple (SEFI) si provocan un trastorno en los circuitos de control, tales como máquinas de estado, llevando a este a un estado indefinido, un modo de pruebas o un paro, lo cual precisaría de un reinicio o un ciclo de potencia para recuperarse.
  • Latchup de evento simple (SEL). Pueden darse en cualquier chip con una estructura PNPN parásita. Un ion pesado o un protón de alta energía pasando a través de las uniones más internas de estos pueden activar la estructura (similar a un tiristor) que permanece «cortocircuitada» (un efecto conocido como latchup) hasta que el dispositivo es restablecido. Dado que este efecto puede producirse entre la fuente de alimentación y el sustrato, pueden verse involucradas corrientes altamente destructivas, por lo que el componente fallará. Los CMOS de gran tamaño son más susceptibles a estos efectos.
  • Transitivos de evento simple (SET). Ocurren cuando la carga almacenada por un evento de radiación se descarga en forma de señal espuria a lo largo del circuito. Este es el efecto de una descarga electrostática.
  • Recuperación de evento simple. Similar a los SEL pero no requieren de una estructura PNPN, sino que son inducidos en transistores MOS de canal N que intercambien corrientes elevadas cuando un ion impacta cerca de una unión de drenador y provoca una multiplicación en avalancha de los portadores de carga. Entonces el transistor se activa y permanece en ese estado.
  • Calentamiento inducido de evento simple (SEB). Puede darse en MOSFETs de potencia cuando el sustrato que se encuentra justo bajo la región de la fuente se polariza directamente y el voltaje entre el drenador y la fuente es más alta que la tensión de ruptura de las estructuras parásitas. Como resultado se obtiene una corriente elevada y un sobrecalentamiento local que pueden destruir el circuito.
  • Ruptura de puerta de evento simple (SEGR). Esta fue observada en MOSFETs de potencia cuando un ion pesado impacta la región de la puerta mientras una tensión alta se aplica a esta. Se produce entonces una ruptura local en la capa de aislamiento de dióxido de silicio, provocando sobrecalentamiento local y la destrucción (similar a una explosión microscópica) de la región de puerta. Esto puede darse incluso en células EEPROM durante su escritura o borrado, cuando las células están sujetas a voltajes comparativamente altos.

Ensayos SEE

Mientras que los rayos de protones son ampliamente usados para ensayos SEE dada su disponibilidad, para energías más bajas la irradiación de protones puede subestimar a menudo la susceptibilidad SEE. Además, los rayos de protones exponen a los dispositivos al riesgo de un fallo por ionización total (TID) que puede enturbiar los resultados del ensayo o provocar un fallo prematuro del dispositivo. Los rayos de neutrones blancos (presumiblemente el método de ensayo SEE más representativo) son derivados normalmente de fuentes sólidas basadas en objetivos, aportando un flujo no uniforme y pequeñas áreas de radiación. Los rayos de neutrones blancos tienen también algunas medidas de incertidumbre en su espectro energético, a menudo con alto contenido de neutrones térmicos.

Las desventajas de las fuentes de protones y de neutrones por espalación pueden ser evitadas empleando neutrones monoenergéticos de 14MeV (pueden ser utilizados para entender secciones cruzadas de SEE en microelectrónica moderna).

Un estudio de particular interés, realizado en por Normand and Dominik [2] en 2010, demuestra la efectividad de neutrones de 14MeV.

El primer laboratorio dedicado a ensayos SEE en Canadá está siendo establecido en el Sur de Ontario bajo el nombre de RE-Labs Inc.

Técnicas de resistencia a radiación

  • Físicas:
    • Los chips endurecidos son fabricados a menudo sobre sustratos aislados en lugar de sobre las obleas semiconductoras convencionales. El silicio sobre aislante (SOI) o sobre zafiro (SOS) son usados frecuentemente. Mientras que los chips comerciales pueden resistir entre 50 y 100 Gray (5-10 KRad), los chips de aplicación espacial SOI y SOS pueden soportar dosis de varios órdenes de magnitud más. Una vez, muchos chips de la serie 4000 estuvieron disponibles en versiones resistentes a radiación (RadHard).
    • Los circuitos integrados bipolares tienen generalmente mayor tolerancia a la radiación que los circuitos CMOS. La serie 5400 LS de Schottky de baja potencia puede resistir 1000 kRad y muchos dispositivos ECL pueden soportar 10000 kRad.
    • La RAM magnetoresistiva, o MRAM, es considerada una candidata fiable para proporcionar memoria conductora resistente a la radiación, con reescritura y no volátil. Los principios físicos y los tests tempranos sugieren que las MRAM no son susceptibles de pérdida de datos por ionización.
    • El apantallamiento de los encapsulados contra radiactividad para reducir la exposición del dispositivo al descubierto.
    • Las DRAM basadas en condensadores son reemplazadas a menudo por SRAM más robustas, aunque más grandes y caras.
    • La elección de un sustrato con una amplia banda energética, lo cual le da mayor tolerancia a defectos de bajo nivel; por ejemplo, carburo de silicio o nitruro de galio.
    • El apantallamiento de los chips mediante el uso de boro empobrecido (que consta únicamente del ion boro-11) en la capa de pasivación de cristal de borofosfosilicato que protege los chips, como el boro-10 que captura neutrones fácilmente y sufre deterioro alfa (ver error leve).
  • Lógicas:
    • Las memorias con corrección de errores emplean bits de paridad adicionales para la comprobación de posibles datos corruptos. Dado que los efectos de la radiación dañan el contenido de la memoria incluso si el sistema no se encuentra accediendo a la RAM, un circuito «depurador» se encarga de escanear continuamente la RAM; se leen los datos, se comprueba la paridad en busca de error y después se escribe cualquier corrección realizada.
    • Elementos redundantes pueden ser empleados a nivel de sistema. Tres placas de microprocesamiento separadas pueden trabajar de forma independiente y responder a un cálculo para comparar sus respuestas. Cualquier sistema que produzca un resultado minoritario deberá recalcular. Es posible añadir lógica de forma que si se producen repetidos errores por parte del mismo sistema, este sea desconectado.
    • Pueden emplearse también elementos redundantes a nivel de circuito. Un solo bit puede ser reemplazado por 3 y una «lógica de voto» para que cada uno de estos determine continuamente su valor. Esto incrementa el área de diseño de un chip por un factor de 5, por lo que debe estar reservado para diseños pequeños. Este método tiene una ventaja secundaria, ya que es seguro ante fallos en tiempo real. En caso de fallo en un bit (lo cual puede no estar relacionado con la radiación), la lógica de voto continuará produciendo el resultado correcto sin recurrir al temporizador watchdog. El voto a nivel de sistema entre 3 sistemas de procesamiento distintos generalmente necesitará emplear lógica de voto a nivel de circuito para realizar la votación entre los 3 sistemas de procesador.
    • Los latch resistentes a radiación pueden ser usados.
    • Un temporizador watchdog realizará el reinicio de un sistema si este no lleva a cabo una secuencia concreta, que generalmente indica que el sistema está vivo, tal como una operación de escritura desde un procesador. Durante la operación normal, el software planifica una escritura al watchdog a intervalos regulares para prevenir que este temporizador termine. Si la radiación hace que el procesador opere de forma incorrecta, es poco probable que el software trabaje lo suficientemente bien como para limpiar el temporizador watchdog. Finalmente, este temporizador llegara a su fin y forzará un reinicio del sistema. Este es considerado el último recurso para otros métodos de resistencia a la radiación.

Aplicaciones militares y espaciales

Los componentes resistentes o tolerantes a radiación a menudo son empleados para aplicaciones militares y aeroespaciales. Estas aplicaciones deben incluir:

  • Aplicaciones POL.
  • Fuente de alimentación de sistemas satélite.
  • Regulador Step-down.
  • Fuente de alimentación de microprocesador y/o FPGA.
  • Subsistema de fuente de alimentación de bajo voltaje y alta eficiencia.

Resistencia nuclear para telecomunicaciones

En Telecomunicaciones, el término dureza nuclear tiene los siguientes significados:

  • Una expresión del grado al cual el rendimiento de un sistema, instalación o dispositivo, se degrada en un ambiente nuclear dado.
  • Los atributos físicos de un sistema o componente electrónico que permiten su supervivencia en un entorno que incluye radiación nuclear y pulsos electromagnéticos (EMP).

Notas

  1. La dureza nuclear puede ser expresada en términos de susceptibilidad o vulnerabilidad.
  2. La medida de la degradación en rendimiento esperada (por ejemplo, tiempo de interrupción, pérdida de datos y daño en equipos) debe ser definida o especificada. El entorno (por ejemplo, niveles de radiación, sobrepresión, picos de velocidad, energía absorbida o estrés eléctrico) debe ser definido o especificado.
  3. Los atributos físicos de un sistema o componentes que permiten un determinado grado de supervivencia en un entorno dado, creado por un arma nuclear.
  4. La dureza nuclear está determinada por condiciones medioambientales especificadas o realmente cuantificadas y los parámetros físicos, tales como picos en niveles de radiación, sobrepresión, velocidades, energía absorbida y estrés eléctrico. Se consigue por medio de especificaciones de diseño y se verifica por técnicas de test y análisis.

Ejemplos de ordenadores resistentes a radiación

  • El SP0 producido por Aitech Defense Systems es un 3U cPCI SBC que emplea el SOI PowerQUICC-III MPC8548E capaz de procesar rangos de velocidad desde 833 MHz a 1.18 GHz.
  • BRE440 PowerPC por Broad Reach Engineering. Un núcleo IBM PPC440 basado en sistema en chip, 266 MIPS, PCI, 2x Ethernet, 2x UARTS, controlador DMA, caché L1/L2
  • El Proton 200k SBC de Space Micro Inc, introducido en 2004, mitiga los efectos de los SEU con su patentada tecnología de redundancia modular de tiempo triple (TTMR) e interrupciones de función de evento simple (SEFI) con H-Core technology. El procesador es de la serie de alta velocidad 320C6xxx de Texas Instruments. El Proton 200k opera a 4000 MIPS a la vez que mitiga las SEU.
  • El Proton 100k SBC de Space Micro Inc., introducido en 2003, emplea un esquema actualizado de voto llamado TTMR que mitiga las SEU en un procesador simple.
  • La CPU RCA1802 de 8 bits, introducida en 1976, fue el primer procesador resistente a la radiación producido en serie.
  • El System/4 Pi, creado por IBM y empleado en la placa del Space Shuttle (AP-101 variant), está basado en la arquitectura System/360.
  • El ordenador de tarjeta simple (SBC) RAD6000, producido por BAE Systems, incluye una CPU resistente a la radiación POWER1 CPU.
  • El RAD750 SBC, producido también por BAE Systems y basado en el procesador PowerPC 750, es el sucesor del RAD6000.
  • El RH32 es producido por Honeywell Aerospace.
  • El RHPPC es producido por Honeywell Aerospace. Basado en el resistente PowerPC 603e.
  • El SCS750 diseñado por Maxwell Technologies, que realiza la votación entre tres núcleos PowerPC 750 para mitigar los efectos de la radiación.
  • La compañía Boeing, a través de su Centro de Desarrollo de Satélites, produce un computador muy potente y con resistencia a la radiación basado en el PowerPC 750.
  • El ERC32 y el LEON son procesadores resistentes a la radiación diseñados por Gaisler y la Agencia Europea del Espacio. Son descritos en VHDL sintetizable, disponible bajo Licencias Públicas GNU.
  • El ordenador de placa simple, Gen 6, producido por Cobham Semiconductor Solutions (anteriormente Aeroflex Microelectronics Solutions), basados en microprocesador LEON.
  • El procesador RH1750 es fabricado por GEC-Plessey.
  • El Coldfire M5208 usado por General Dynamics es una alternativa de baja potencia (1.5 W) resistente a la radiación.
  • El Mongoose-V usado por la NASA es un microprocesador de 32 bits para aplicaciones en placas de naves espaciales (ej: New Horizons).
  • El KOMDIV-32 es un microprocesador de 32 bits, compatible con MIPS R3000, desarrollado por NIISI, fabricado por el Instituto Kurchatov en Rusia.

Ver también: Comparativa de sistemas embebidos en los Mars Rovers

Véase también

Referencias

  1. "Radiation Hardening (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última)." McGraws AccessScience
  2. E. Normand and L. Dominik. "Cross Comparison Guide for Results of Neutron SEE Testing of Microelectronics Applicable to Avionics", 2010
  3. Leppälä, Kari; Verkasalo, Raimo (1989). "Protection of Instrument Control Computers against Soft and Hard Errors and Cosmic Ray Effects". CiteSeerX: 10.1.1.48.1291.
  4. Platteter, D.G. (Octubre de 1980). Protection of LSI Microprocessors using Triple Modular Redundancy. International IEEE Symposium on Fault Tolerant Computing.
  5. Krishnamohan, Srivathsan; Mahapatra, Nihar R. (2005). "Analysis and design of soft-error hardened latches". Proceedings of the 15th ACM Great Lakes symposium on VLSI. GLSVLSI '05.

Bibliografía

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  • E.Leon Florian, H.Schonbacher and M.Tavlet (1993). Data compilation of dosimetry methods and radiation sources for material testing. Report No.CERN/TIS-CFM/IR/93-03. (CERN, Geneva, CH 1993).
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  • T.R. Oldham (Ed.) (2000). Ionizing radiation effects in MOS oxides.(World Scientific Publishing Co., USA, 2000). ISBN 981-02-3326-4.
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Enlaces externos

  • Federal Standard 1037C (link)
  • – Por Chad Thibodeau, Maxwell Technologies; COTS Journal, Dic 2003
  • Sandia Labs to develop (...) radiation-hardened Pentium (...) for space and defense needs – Recorte de prensa de Sandia, 8 de diciembre de 1998 (incluye también una sección de antecedentes en procesos de endurecimiento a radiación en microelectrónica por Sandia)
  • Vanderbilt University Institute for Space and Defense Electronics
  •   Datos: Q3026015

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La resistencia a la radiacion es el acto de fabricar componentes electronicos y sistemas resistentes a danos o funcionamientos erroneos causados por la radiacion ionizante radiacion de particulas y electromagnetica de alta energia como las que se dan en el espacio exterior vuelos de altitud elevada alrededor de reactores nucleares y aceleradores de particulas o en accidentes nucleares La mayoria de componentes electronicos semiconductores son susceptibles de resultar danados por la radiacion Los componentes resistentes a la radiacion se basan en sus equivalentes no resistentes a los que se realizan variaciones en diseno y fabricacion para reducir esta susceptibilidad a ser danados Debido al desarrollo extensivo y el testeo requerido para lograr el diseno de un chip microelectronico tolerante a la radiacion estos suelen quedar desfasados con respecto a los desarrollos mas recientes Los productos resistentes a la radiacion son tipicamente testados en ensayos de uno o mas efectos resultantes incluyendo dosis total de ionizacion TID efectos de baja dosis mejorados ELDRS danos por desplazamiento de neutrones y protones y efectos de evento simple SEE SEE SEL y SEB Indice 1 Problemas causados por radiacion 2 Fuentes principales de danos por radiacion 3 Efectos de la radiacion en electronica 3 1 Mecanismos fundamentales 3 2 Efectos resultantes 3 3 Dano digital SEE 3 4 Ensayos SEE 4 Tecnicas de resistencia a radiacion 5 Aplicaciones militares y espaciales 6 Resistencia nuclear para telecomunicaciones 6 1 Notas 7 Ejemplos de ordenadores resistentes a radiacion 8 Vease tambien 9 Referencias 10 Bibliografia 11 Enlaces externosProblemas causados por radiacion EditarVer tambien Dano por radiacionLos entornos con alto nivel de radiacion ionizante crean retos de diseno especiales Una sola particula cargada puede emitir miles de electrones provocando ruido electrico e impulsos de senal En el caso de circuitos digitales esto puede causar resultados inexactos o ininteligibles Este es un problema particularmente serio en el diseno de satelites naves espaciales aviones militares plantas de energia o armas nucleares Con objeto de asegurar el correcto funcionamiento de estos sistemas los fabricantes de circuitos integrados y sensores destinados al mercado militar o aeroespacial emplean diversos metodos de endurecimiento contra radiacion Los sistemas resultantes son llamados endurecidos o resistentes a la radiacion Fuentes principales de danos por radiacion EditarFuentes tipicas de exposicion de componentes electronicos a radiacion ionizante son los cinturones de radiacion Van Allen reactores nucleares en plantas para sensores y circuitos de control aceleradores de particulas para electronica de control particularmente dispositivos detectores de particulas la radiacion residual de isotopos en materiales de encapsulado de chips la radiacion cosmica para naves espaciales o aviones de gran altitud y explosiones nucleares para todo tipo de electronica tanto militar como civil Los rayos cosmicos proceden de todas direcciones y constan aproximadamente de un 85 de protones 14 de particulas alfa y un 1 de iones pesados junto con rayos X y radiacion gamma La mayoria de los efectos son causados por particulas con energia de entre 0 1 y 20 GeV La atmosfera filtra la mayoria de estos por lo que principalmente suponen un problema para naves espaciales y aviones de gran altitud Las particulas de radiacion solar proceden de la direccion del Sol y constan de un gran flujo de protones de alta energia muchos GeV e iones pesados de nuevo acompanados por rayos X Los cinturones de radiacion Van Allen contienen electrones hasta 10Mev aproximadamente y protones hasta cientos de MeV atrapados en un campo geomagnetico El flujo de particulas en las regiones mas lejanas a la Tierra puede variar dependiendo de las condiciones del Sol y la magnetosfera en cada momento Debido a su localizacion suponen un problema para los satelites Particulas secundarias son resultado de la interaccion de otros tipos de radiacion con las estructuras alrededor de dispositivos electronicos Los reactores nucleares producen radiacion gamma y de neutrones que pueden afectar a los sensores y circuitos de control en plantas de energia nuclear Los aceleradores de particulas producen protones y electrones de alta energia y las particulas secundarias producidas por sus interacciones generan danos por radiacion en componentes de control sensibles y detectores de particulas del orden de magnitud de 10 MRad Si ano para sistemas como el Gran Colisionador de Hadrones Las explosiones nucleares producen un aumento corto pero extremadamente intenso de radiacion a lo largo del espectro electromagnetico un pulso electromagnetico EMP radiacion de neutrones y un flujo de particulas cargadas tanto primarias como secundarias En caso de guerra nuclear estas suponen un peligro potencial para todo tipo de electronica militar y civil Los materiales de encapsulado de chips fueron una fuente de radiacion que causo errores en las DRAM desarrolladas a lo largo de los anos 70 Restos de elementos radiactivos en el encapsulado de los chips produjeron particulas alfa que ocasionalmente descargaban algunos de los condensadores empleados para almacenar los bits de datos en las DRAM Hoy en dia estos efectos han sido reducidos empleando materiales de encapsulado mas puros y codigos de correccion de errores para detectar y corregir errores en las DRAM Efectos de la radiacion en electronica EditarMecanismos fundamentales Editar Se producen dos mecanismos de dano fundamentales Desplazamiento de red causado por neutrones protones particulas alfa iones pesados y fotones con muy alta energia gamma Estos modifican la disposicion de los atomos en la estructura del cristal creando danos permanentes e incrementando el numero de centros de recombinacion asi como disminuyendo los portadores minoritarios y empeorando las propiedades analogicas en las uniones de los semiconductores afectados Contrariamente dosis mas altas en periodos cortos de tiempo provocan un recocido curacion de la red danada causando menor dano que con dosis de baja intensidad a lo largo de un tiempo mayor Este tipo de problema es particularmente significativo en transistores bipolares los cuales dependen de los portadores minoritarios en sus regiones de base elevadas perdidas provocadas por recombinacion causan una degeneracion de la ganancia del transistor Efectos de ionizacion son causados por particulas cargadas incluyendo aquellas con energia demasiado baja para provocar danos en la red Generalmente los efectos de la ionizacion son transitorios creando mal funcionamiento y errores leves aunque pueden conducir a la destruccion del dispositivo si estos desembocan otros mecanismos de dano ej un latchup La fotocorriente causada por radiacion X y ultravioleta pueden pertenecer a esta categoria tambien La acumulacion gradual de huecos en la capa de oxido de los transistores MOSFET llevan a un empeoramiento de su rendimiento llegando al fallo del dispositivo si la dosis es lo suficientemente elevada ver Efectos de dosis de ionizacion total Los efectos pueden variar ampliamente dependiendo de muchos parametros tipo de radiacion dosis total y flujo de radiacion combinacion de distintos tipos de radiacion e incluso el tipo de carga del dispositivo frecuencia o voltaje de operacion estado actual del transistor en el instante en que es impactado por la particula lo cual hace de un testeo concienzudo una labor dificil extendida en el tiempo y la cual requiere de muchas muestras Efectos resultantes Editar Los efectos que el usuario puede observar pueden ser organizados en varios grupos Efectos de neutron Un neutron interactuando con la red semiconductora podra desplazar sus atomos Esto conduce a un aumento del numero de centros de recombinacion y a defectos a bajo nivel reduciendo el tiempo de vida de los portadores minoritarios lo que afecta a los dispositivos bipolares en mayor medida que a los CMOS Los dispositivos bipolares sobre silicio tienden a mostrar cambios en sus parametros electricos a niveles de 1010 hasta 1011 neutrones cm2 mientras que los CMOS no son afectados hasta los 1015 neutrones cm2 La sensibilidad de los dispositivos puede verse incrementada con el mayor grado de integracion y la disminucion del tamano de las estructuras individuales Existe tambien un riesgo de radiactiviad inducida provocada por la activacion de neutrones lo que es una fuente principal de ruido en instrumentos astrofisicos de alta energia La radiacion inducida junto con la residual procedente de impurezas en los materiales empleados pueden provocar todo tipo de problemas durante el tiempo de vida de los dispositivos Los LEDs de GaAs comunes en optoacopladores son muy sensibles a los neutrones El dano en la red influye en la frecuencia de los cristales oscilatorios Los efectos de energia cinetica llamados desplazamientos en la red pertenecen a este grupo tambien Efectos de dosis de ionizacion total el dano acumulado en la estructura de la red provocado por la radiacion ionizante a lo largo de un tiempo de exposicion Se mide en rads y causa una lenta degradacion gradual en el rendimiento del dispositivo Una dosis total superior a 5000 rads sobre dispositivos basados en silicio en un tiempo entre segundos y minutos provocara una degradacion a largo plazo En los dispositivos CMOS la radiacion crea pares electron hueco en la puerta de las capas de aislamiento lo que cause fotocorrientes durante su recombinacion Ademas los huecos atrapados en los defectos de la red en el aislante crean una polarizacion persistente en la puerta e influyen en el voltaje umbral de los transistores haciendo que los MOSFET tipo N se activen mas facilmente y los tipo P de forma mas dificil La carga acumulada puede ser lo suficientemente alta como para mantener los transistores permanentemente abiertos o cerrados lo que provocaria un fallo del dispositivo Algunos efectos de autocuracion tienen lugar a lo largo del tiempo pero no son muy significativos Este efecto es similar a la degradacion de portadores calientes en electronica de alta velocidad y grado de integracion Los cristales osciladores son de alguna forma sensibles a la radiacion que altera su frecuencia Esta sensibilidad puede ser drasticamente disminuida mediante el uso de cuarzo purificado swept quartz Los cristales de cuarzo natural son especialmente sensibles Las curvas de comportamiento de la radiacion para ensayos TID pueden ser generadas por todos los procesos de test y son incluidas en el informe de ensayos de radiacion Efectos transitivos Los pulsos de radiacion de corta duracion y alta intensidad se dan tipicamente en explosiones nucleares El flujo de alta radiacion crea fotocorrientes en el cuerpo del semiconductor al completo haciendo que los transistores se activen de forma aleatoria modificando los estados de flip flops y celulas de memoria El dano permanente puede provocarse si la duracion del pulso es demasiado prolongada si se causa dano en la union o se produce un latchup Estos ultimos son causados normalmente por radiacion X o gamma procedentes de una explosion nuclear Los cristales oscilatorios pueden detener su funcionamiento durante este flash de radiacion debido a la fotoconductividad que se induce en el cuarzo Efectos EMP generados por sistema son provocados por un flash de radiacion que viaja a lo largo de los equipos y genera ionizacion local y corrientes electricas en el material de los chips placas de circuito cables y cajas Efectos de evento simple SEE son fenomenos que afectan a la mayoria de dispositivos digitales vease la siguiente seccion para una introduccion a los distintos tipos de SEE Dano digital SEE Editar Los efectos de evento simple SEE que afectan mayoritariamente a los dispositivos digitales no han sido profundamente estudiados hasta hace relativamente poco tiempo Cuando una particula de alta energia viaja a traves de un semiconductor deja un rastro ionizado a su paso Esta ionizacion puede causar un efecto altamente localizado similar a los transitivos un fallo benigno a la salida el cambio de un bit en memoria o en un registro o especialmente en transistores de alta potencia un latchup destructivo que incendia el dispositivo Los efectos de evento simple tienen importancia para la electronica en satelites aviones u otro tipo de aplicaciones civiles o aeroespaciales militares A veces en los circuitos que no incluyen latches es util introducir circuitos RC con tiempo constante para ralentizar la reaccion del circuito a lo largo de la duracion de un SEE Trastornos de evento simple SEU o efectos transitivos de radiacion en electronica son cambios de estado en bits de memoria o registros causados por un simple ion interactuando con el chip Estos no causan danos permanentes al dispositivo pero pueden causar problemas permanentes a un sistema que no pueda recuperarse de este tipo de error En dispositivos muy sensibles un simple ion puede provocar un trastorno de multiples bits MBU en diversas celulas de memoria adyacentes Los SEUs puede convertirse en interrupciones funcionales de evento simple SEFI si provocan un trastorno en los circuitos de control tales como maquinas de estado llevando a este a un estado indefinido un modo de pruebas o un paro lo cual precisaria de un reinicio o un ciclo de potencia para recuperarse Latchup de evento simple SEL Pueden darse en cualquier chip con una estructura PNPN parasita Un ion pesado o un proton de alta energia pasando a traves de las uniones mas internas de estos pueden activar la estructura similar a un tiristor que permanece cortocircuitada un efecto conocido como latchup hasta que el dispositivo es restablecido Dado que este efecto puede producirse entre la fuente de alimentacion y el sustrato pueden verse involucradas corrientes altamente destructivas por lo que el componente fallara Los CMOS de gran tamano son mas susceptibles a estos efectos Transitivos de evento simple SET Ocurren cuando la carga almacenada por un evento de radiacion se descarga en forma de senal espuria a lo largo del circuito Este es el efecto de una descarga electrostatica Recuperacion de evento simple Similar a los SEL pero no requieren de una estructura PNPN sino que son inducidos en transistores MOS de canal N que intercambien corrientes elevadas cuando un ion impacta cerca de una union de drenador y provoca una multiplicacion en avalancha de los portadores de carga Entonces el transistor se activa y permanece en ese estado Calentamiento inducido de evento simple SEB Puede darse en MOSFETs de potencia cuando el sustrato que se encuentra justo bajo la region de la fuente se polariza directamente y el voltaje entre el drenador y la fuente es mas alta que la tension de ruptura de las estructuras parasitas Como resultado se obtiene una corriente elevada y un sobrecalentamiento local que pueden destruir el circuito Ruptura de puerta de evento simple SEGR Esta fue observada en MOSFETs de potencia cuando un ion pesado impacta la region de la puerta mientras una tension alta se aplica a esta Se produce entonces una ruptura local en la capa de aislamiento de dioxido de silicio provocando sobrecalentamiento local y la destruccion similar a una explosion microscopica de la region de puerta Esto puede darse incluso en celulas EEPROM durante su escritura o borrado cuando las celulas estan sujetas a voltajes comparativamente altos Ensayos SEE Editar Mientras que los rayos de protones son ampliamente usados para ensayos SEE dada su disponibilidad para energias mas bajas la irradiacion de protones puede subestimar a menudo la susceptibilidad SEE Ademas los rayos de protones exponen a los dispositivos al riesgo de un fallo por ionizacion total TID que puede enturbiar los resultados del ensayo o provocar un fallo prematuro del dispositivo Los rayos de neutrones blancos presumiblemente el metodo de ensayo SEE mas representativo son derivados normalmente de fuentes solidas basadas en objetivos aportando un flujo no uniforme y pequenas areas de radiacion Los rayos de neutrones blancos tienen tambien algunas medidas de incertidumbre en su espectro energetico a menudo con alto contenido de neutrones termicos Las desventajas de las fuentes de protones y de neutrones por espalacion pueden ser evitadas empleando neutrones monoenergeticos de 14MeV pueden ser utilizados para entender secciones cruzadas de SEE en microelectronica moderna Un estudio de particular interes realizado en por Normand and Dominik 2 en 2010 demuestra la efectividad de neutrones de 14MeV El primer laboratorio dedicado a ensayos SEE en Canada esta siendo establecido en el Sur de Ontario bajo el nombre de RE Labs Inc Tecnicas de resistencia a radiacion EditarFisicas Los chips endurecidos son fabricados a menudo sobre sustratos aislados en lugar de sobre las obleas semiconductoras convencionales El silicio sobre aislante SOI o sobre zafiro SOS son usados frecuentemente Mientras que los chips comerciales pueden resistir entre 50 y 100 Gray 5 10 KRad los chips de aplicacion espacial SOI y SOS pueden soportar dosis de varios ordenes de magnitud mas Una vez muchos chips de la serie 4000 estuvieron disponibles en versiones resistentes a radiacion RadHard Los circuitos integrados bipolares tienen generalmente mayor tolerancia a la radiacion que los circuitos CMOS La serie 5400 LS de Schottky de baja potencia puede resistir 1000 kRad y muchos dispositivos ECL pueden soportar 10000 kRad La RAM magnetoresistiva o MRAM es considerada una candidata fiable para proporcionar memoria conductora resistente a la radiacion con reescritura y no volatil Los principios fisicos y los tests tempranos sugieren que las MRAM no son susceptibles de perdida de datos por ionizacion El apantallamiento de los encapsulados contra radiactividad para reducir la exposicion del dispositivo al descubierto Las DRAM basadas en condensadores son reemplazadas a menudo por SRAM mas robustas aunque mas grandes y caras La eleccion de un sustrato con una amplia banda energetica lo cual le da mayor tolerancia a defectos de bajo nivel por ejemplo carburo de silicio o nitruro de galio El apantallamiento de los chips mediante el uso de boro empobrecido que consta unicamente del ion boro 11 en la capa de pasivacion de cristal de borofosfosilicato que protege los chips como el boro 10 que captura neutrones facilmente y sufre deterioro alfa ver error leve Logicas Las memorias con correccion de errores emplean bits de paridad adicionales para la comprobacion de posibles datos corruptos Dado que los efectos de la radiacion danan el contenido de la memoria incluso si el sistema no se encuentra accediendo a la RAM un circuito depurador se encarga de escanear continuamente la RAM se leen los datos se comprueba la paridad en busca de error y despues se escribe cualquier correccion realizada Elementos redundantes pueden ser empleados a nivel de sistema Tres placas de microprocesamiento separadas pueden trabajar de forma independiente y responder a un calculo para comparar sus respuestas Cualquier sistema que produzca un resultado minoritario debera recalcular Es posible anadir logica de forma que si se producen repetidos errores por parte del mismo sistema este sea desconectado Pueden emplearse tambien elementos redundantes a nivel de circuito Un solo bit puede ser reemplazado por 3 y una logica de voto para que cada uno de estos determine continuamente su valor Esto incrementa el area de diseno de un chip por un factor de 5 por lo que debe estar reservado para disenos pequenos Este metodo tiene una ventaja secundaria ya que es seguro ante fallos en tiempo real En caso de fallo en un bit lo cual puede no estar relacionado con la radiacion la logica de voto continuara produciendo el resultado correcto sin recurrir al temporizador watchdog El voto a nivel de sistema entre 3 sistemas de procesamiento distintos generalmente necesitara emplear logica de voto a nivel de circuito para realizar la votacion entre los 3 sistemas de procesador Los latch resistentes a radiacion pueden ser usados Un temporizador watchdog realizara el reinicio de un sistema si este no lleva a cabo una secuencia concreta que generalmente indica que el sistema esta vivo tal como una operacion de escritura desde un procesador Durante la operacion normal el software planifica una escritura al watchdog a intervalos regulares para prevenir que este temporizador termine Si la radiacion hace que el procesador opere de forma incorrecta es poco probable que el software trabaje lo suficientemente bien como para limpiar el temporizador watchdog Finalmente este temporizador llegara a su fin y forzara un reinicio del sistema Este es considerado el ultimo recurso para otros metodos de resistencia a la radiacion Aplicaciones militares y espaciales EditarLos componentes resistentes o tolerantes a radiacion a menudo son empleados para aplicaciones militares y aeroespaciales Estas aplicaciones deben incluir Aplicaciones POL Fuente de alimentacion de sistemas satelite Regulador Step down Fuente de alimentacion de microprocesador y o FPGA Subsistema de fuente de alimentacion de bajo voltaje y alta eficiencia Resistencia nuclear para telecomunicaciones EditarEn Telecomunicaciones el termino dureza nuclear tiene los siguientes significados Una expresion del grado al cual el rendimiento de un sistema instalacion o dispositivo se degrada en un ambiente nuclear dado Los atributos fisicos de un sistema o componente electronico que permiten su supervivencia en un entorno que incluye radiacion nuclear y pulsos electromagneticos EMP Notas Editar La dureza nuclear puede ser expresada en terminos de susceptibilidad o vulnerabilidad La medida de la degradacion en rendimiento esperada por ejemplo tiempo de interrupcion perdida de datos y dano en equipos debe ser definida o especificada El entorno por ejemplo niveles de radiacion sobrepresion picos de velocidad energia absorbida o estres electrico debe ser definido o especificado Los atributos fisicos de un sistema o componentes que permiten un determinado grado de supervivencia en un entorno dado creado por un arma nuclear La dureza nuclear esta determinada por condiciones medioambientales especificadas o realmente cuantificadas y los parametros fisicos tales como picos en niveles de radiacion sobrepresion velocidades energia absorbida y estres electrico Se consigue por medio de especificaciones de diseno y se verifica por tecnicas de test y analisis Ejemplos de ordenadores resistentes a radiacion EditarEl SP0 producido por Aitech Defense Systems es un 3U cPCI SBC que emplea el SOI PowerQUICC III MPC8548E capaz de procesar rangos de velocidad desde 833 MHz a 1 18 GHz BRE440 PowerPC por Broad Reach Engineering Un nucleo IBM PPC440 basado en sistema en chip 266 MIPS PCI 2x Ethernet 2x UARTS controlador DMA cache L1 L2 El Proton 200k SBC de Space Micro Inc introducido en 2004 mitiga los efectos de los SEU con su patentada tecnologia de redundancia modular de tiempo triple TTMR e interrupciones de funcion de evento simple SEFI con H Core technology El procesador es de la serie de alta velocidad 320C6xxx de Texas Instruments El Proton 200k opera a 4000 MIPS a la vez que mitiga las SEU El Proton 100k SBC de Space Micro Inc introducido en 2003 emplea un esquema actualizado de voto llamado TTMR que mitiga las SEU en un procesador simple La CPU RCA1802 de 8 bits introducida en 1976 fue el primer procesador resistente a la radiacion producido en serie El System 4 Pi creado por IBM y empleado en la placa del Space Shuttle AP 101 variant esta basado en la arquitectura System 360 El ordenador de tarjeta simple SBC RAD6000 producido por BAE Systems incluye una CPU resistente a la radiacion POWER1 CPU El RAD750 SBC producido tambien por BAE Systems y basado en el procesador PowerPC 750 es el sucesor del RAD6000 El RH32 es producido por Honeywell Aerospace El RHPPC es producido por Honeywell Aerospace Basado en el resistente PowerPC 603e El SCS750 disenado por Maxwell Technologies que realiza la votacion entre tres nucleos PowerPC 750 para mitigar los efectos de la radiacion La compania Boeing a traves de su Centro de Desarrollo de Satelites produce un computador muy potente y con resistencia a la radiacion basado en el PowerPC 750 El ERC32 y el LEON son procesadores resistentes a la radiacion disenados por Gaisler y la Agencia Europea del Espacio Son descritos en VHDL sintetizable disponible bajo Licencias Publicas GNU El ordenador de placa simple Gen 6 producido por Cobham Semiconductor Solutions anteriormente Aeroflex Microelectronics Solutions basados en microprocesador LEON El procesador RH1750 es fabricado por GEC Plessey El Coldfire M5208 usado por General Dynamics es una alternativa de baja potencia 1 5 W resistente a la radiacion El Mongoose V usado por la NASA es un microprocesador de 32 bits para aplicaciones en placas de naves espaciales ej New Horizons El KOMDIV 32 es un microprocesador de 32 bits compatible con MIPS R3000 desarrollado por NIISI fabricado por el Instituto Kurchatov en Rusia Ver tambien Comparativa de sistemas embebidos en los Mars RoversVease tambien EditarRAD750 Power PC IBM RAD6000 Communications survivability Instituto de Electronica para Espacio y Defensa Universidad Vanderbilt Mars Reconnaissance Orbiter MESSENGER Mercury Probe Mars Rovers TEMPESTReferencias Editar Radiation Hardening enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima McGraws AccessScience E Normand and L Dominik Cross Comparison Guide for Results of Neutron SEE Testing of Microelectronics Applicable to Avionics 2010 Leppala Kari Verkasalo Raimo 1989 Protection of Instrument Control Computers against Soft and Hard Errors and Cosmic Ray Effects CiteSeerX 10 1 1 48 1291 Platteter D G Octubre de 1980 Protection of LSI Microprocessors using Triple Modular Redundancy International IEEE Symposium on Fault Tolerant Computing 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