抗辐射芯片rad-hard chips

风清扬斈 2个月前 (02-11) 信息科技 209 0

2016年以来,中国航天事业屡屡传出好消息,先是在今年4月将我国首颗微重力科学实验卫星实践十号送上预定轨道,又在今年8月发射了全球首颗量子卫星墨子号。不久前,神舟11号与天宫二号完成了对接和分离。在11月1日,中国航天科技集团在珠海航展现场召开新闻发布会上宣布我国首个北斗全球“厘米级”定位系统——“夔龙系统”建设工作全面启动,夔龙系统通过计算从全球多达300个以上的多系统卫星导航参考站所获取的观测数据,将卫星导航终端定位精度提高到“厘米级”。

在这些人造卫星和神舟飞船中,有一样电子元件发挥这至关重要的作用,那就是宇航级CPU,这些装载在人造卫星和神舟飞船上的CPU的作用相当于人类的大脑。那么,宇航级CPU相对于日常商用的CPU有何不同?宇航级CPU是怎么做到在太空中正常工作的?中国在宇航级CPU上和美国还有多大差距呢?


CPU在太空中要面临恶劣的工作环境

宇航级CPU构成了人造卫星的大脑,为了能在星际空间这样的恶劣条件下工作,不仅要应对极端苛刻的高温和低温,还要能应对无处不在的宇宙辐射。

在太空环境中,物体的温度取决于太阳的光照,由于不存在空气散热,受光面和被光面温差非常大。以轨道高度为300至400km的轨道的温度为例,受光面温度约为150℃,背光面温度约为-127℃,温差约为300℃。因此,美国的航天飞机舱外航天服的耐温阈值为:高温149摄氏度,低温-184.4摄氏度。

在太空环境中,宇宙辐射是不可避免的,而宇宙辐射恰恰会对CPU造成损坏。微电子器件中的数字和模拟集成电路的辐射效应一般分为总剂量效应(TID)、单粒子效应(SEE)和剂量率(Dose Rate)效应。

总剂量效应源于由γ光子、质子和中子照射所引发的氧化层电荷陷阱或位移破坏,包括漏电流增加、MOSFET阈值漂移,以及双极晶体管的增益衰减。

SEE是由辐射环境中的高能粒子(质子、中子、α粒子和其他重离子)轰击微电子电路的敏感区引发的。在p-n结两端产生电荷的单粒子效应,可引发软误差、电路闭锁或元件烧毁。SEE中的单粒子翻转会导致电路节点的逻辑状态发生翻转。

剂量率效应是由甚高速率的γ或X射线,在极短时间内作用于电路,并在整个电路内产生光电流引发的,可导致闭锁、烧毁和轨电压坍塌等破坏。上述情况都会导致芯片损毁。

正是因此,商业级、工业级、军品级、宇航级CPU有着不同标准。由于各种测试非常多,数据指标也非常细,这里仅就工作温度做罗列:

商业级CPU的工作温度为0℃~70℃。

工业级CPU的工作温度为-40℃~85℃。

军品级CPU的工作温度为-55℃~125℃。

宇航级CPU不仅在工作温度上有着不亚于军品级CPU的水准,而且还有抗辐射等方面的要求。

如何做到抗辐射

对于应对高温和低温,主要是将电路的时序冗余加大,并降低功耗。本文重点说说如何实现抗辐射。有人说,抗辐射技术不就是给芯片加一个抗辐射封装么?这有什么难的。

其实封装对芯片的保护是有限的,高能粒子流可以打穿芯片的封装材料,进入芯片内部对芯片造成破坏。

抗辐射加固主要有设计和工艺两种加固技术,或者根据需要组合使用这两种技术。

从广义上讲,抗辐射加固设计包括材料设计、系统设计、结构设计、电路设计、器件设计、封装设计、软件设计等。从狭义上讲,一般是指采用电路设计和版图设计减轻电离辐射破坏的方法。

工艺加固是用特殊的工艺进行抗辐射加固的技术。工艺步骤可以是制造商或军方专有的,也可以是以加固为目的将特殊的工艺步骤加入到标准制造商的晶圆制造工艺中去。抗辐射加固工艺技术具有高度的专业化属性和很高的复杂性。

从系统、结构、电路、器件级的设计技术方面进行抗辐射加固设计可以采用以下方式进行抗辐射加固设计:

一是采用多级别冗余的方法减轻辐射破坏,这些级别分为元件级、板级、系统级和飞行器级。

二是采用冗余或加倍结构元件(如三模块冗余)的逻辑电路设计方法,即投票电路根据最少两位的投票确定输出逻辑。

三是采用电路设计和版图设计以减轻电离辐射破坏的方法。即采用隔离、补偿或校正、去耦等电路技术,以及掺杂阱和隔离槽芯片布局设计;

四是加入误差检测和校正电路,或者自修复和自重构功能;

五是采用电路设计和版图设计以减轻电离辐射破坏的方法。即采用隔离、补偿或校正、去耦等电路技术,以及掺杂阱和隔离槽芯片布局设计。

此外,使用加固模拟/混合信号IP技术和SIGE加固设计技术也是提升芯片抗辐射能力的有效途径。

抗辐射芯片加固专用工艺越来越多地与加固设计结合使用。因为抗辐射加固工艺技术具有非常高的专业化属性和高复杂性,因此只有少数几个厂家能够掌握该项技术。例如,单粒子加固的SOI工艺和SOS工艺,总剂量加固的小几何尺寸CMOS工艺,IBM的45nm SOI工艺,Honeywell的50nm工艺,以及BAE外延CMOS工艺等。

据电气和电子工程师协会杂志IEEE Spectrum报道,美国政府正在投资MESA(微系统,工程,科学和应用)制造设备,该设备生产用于生产核武器等的抗辐射类芯片

MESA位于新墨西哥州美国能源部的桑迪亚国家实验室。美国政府还将再投资1亿7千万美元,以改善明尼苏达州布卢明顿市SkyWater Technology Foundry的防辐射芯片生产线,以满足美国国防部的其他需求。
 


升级MESA工厂

MESA 工厂一直在为美国生产抗辐射芯片“核武库维持了几十年。然而,尽管这些芯片已经足够先进,可以可靠地工作而不会受到辐射的破坏,但它们仍在使用一种非常过时的350nm制程技术,这种技术早在1994年就首次用于消费芯片。 
 

该工厂还生产150mm的晶圆,其尺寸与工艺节点差不多,也是高度过时了。目前,最先进的晶圆厂可生产300mm晶圆,并且200mm晶圆的供应量也非常旺盛。
 

但是美联储对升级MESA晶圆厂并不感兴趣,因为该技术已经使用了二十多年。相反,升级是为了更好的获取为制造150mm晶圆所用到工具的零部件和原材料。
 

MESA已经完成了四步过程的第一步,这将使该工厂生产200mm晶圆。转换涉及重建化学配方,调整数百个工艺参数和进行广泛的测试。升级应在2021年7月之前完成。
 

该设施还将并行升级至180nm工艺,这将使核武器芯片的晶体管密度增加一倍。 
 

MESA的微细加工高级经理Michael Holmes表示,尽管他们的主要目标是制造抗辐射芯片,但对技术进行扩展以提供更密集和更复杂的逻辑功能也很重要。
 

资助SkyWater 代工厂 90nm工艺
 

美国防部还为SkyWater Technology代工厂提供了1.7亿美元的资金,以开发用于抗辐射芯片和铜互连的90nm工艺。SkyWater应该能够使用这个“较新的”工艺节点来构建芯片,因为抗辐射要求不像Sandia的MESA设施那么严格。SkyWater的芯片将用于国防部的军事装备和太空。
 

SkyWater的抗辐射工艺依赖于绝缘体上硅(SOI)技术,该技术使用硅晶片,并在晶体管层下方埋有一层氧化物。SOI芯片在本质上比常规硅芯片更耐辐射,因为普通硅芯片会产生电荷,当它们受到辐射撞击时会干扰芯片的运行。可替代地,在SOI芯片中,氧化物层防止了由辐射引起的电荷到达晶体管层。 
 

SkyWater还将用铜代替互连线中铝的使用,这是消费芯片行业在15年前做出的这一举动。在不久的将来,铜互连的使用以及对65nm和45nm工艺技术的支持意味着SkyWater将能够制造类似于现代消费类芯片芯片。这样,该公司将能够制造用于物联网,小芯片和硅中介层的高端混合信号芯片
 

美国政府将为SkyWater设施升级的第一阶段提供8000万美元的资金,其余资金将用于下一阶段。

集微网消息,美国达拉斯市郊一名男子,因走私集成电路离开美国,供中国及俄罗斯用于太空计划,周三被法院判处监禁近4年。 

62岁的祖卡雷利,于去年8月承认串谋从美国走私及非法出口罪名,于周三判监46个月。 

检察官表示,祖卡雷利从2015年开始,利用自己的公司向美国供应商订购抗辐射加固集成电路,并把它们重新包装为“触屏部件”,再运出美国。 

有关电路可应用于太空及军事,因而出口受联邦法例严格限制。当局说,他制造假文件,并向监管机构作出假陈述,以图掩饰走私。 

据报道,美国司法部的声明说,现年62岁,名叫彼得.祖卡雷利(Peter Zuccarelli)的这名德州男子,从一位未透露姓名的同伙处收取约150万美元,用于为中国和俄罗斯客户购买抗辐射加固集成电路。联邦检察官去年6月起诉他违反联邦出口管制的《国际紧急状况经济权力法》,合谋从美国走私物品。 


文章来源:http://laoyaoba.com/ss6/html/44/n-661344.html

2019年1月14日,曹剑锋(音译:Jian Fun Tso)从英国的利物浦飞往美国费城,他或许怎么也没有想到,这一去就回不来了。一年后的他将面临20年监禁和百万美元的罚款。

  美国《石英》(Quartz)杂志于1月31日刊登了一篇由地缘政治记者贾斯汀·罗利希(Justin Rohrlich)撰写的文章——一个华人草率编造的故事揭开了对美国敏感芯片的走私案,该文根据获得的美国法庭文件,讲述了曹剑锋走私美国高端芯片案件的始末。

  此案所涉及的芯片属于定制微芯片,由总部位于英国的跨国国防承包商科汉姆(Cobham)公司在美国制造并销售。该芯片每枚售价2,500美元,该公司每年只生产大约1,000枚。这种芯片可以承受极端温度、剧烈振动和辐射,被称为“抗辐射芯片”(rad-hard chips),需要获得美国商务部的许可才能出口,并且完全禁止将芯片运往中国,以及包括俄罗斯在内的少数其它国家。具有相同存储容量但无法在恶劣外太空环境中生存的相同芯片的商业版本售价仅约60美元。


  中情局专家:芯片用途借口“荒谬”

  《石英》报导,2018年1月,曹剑锋用英文名字史蒂文(Steven)向科汉姆公司发送了一份电子邮件,表示希望采购该公司的芯片,但他无法说清其位于中国的最终用户身份,并说,买家打算将这些芯片用于汽车的雷达辅助停车装置中,还称其销售潜力“巨大”。

  科汉姆公司一名业务代表告诉曹,尽管他的经理肯定会喜欢“巨大”的销售数字,但他所询价的芯片,除了被禁止运往中国外,所花费的成本远远超过制造此类产品的任何个人所需要的花费。

  尼古拉斯·埃蒂米亚德斯(Nicholas Eftimiades)是一位有34年职业生涯的资深情报官,曾在美国中情局、外交安全局和国防情报局任职。他说辐射硬化微芯片技术受到“非常非常严格的保护”。他认为,曹剑锋有关他的客户将如何使用这些芯片的解释简直是“荒谬”。

  埃蒂米亚德斯告诉《石英》杂志:“该芯片只可能由中国(中共)的某些国家机构使用,所有这些机构都指向中共军方。他们试图以秘密方式窃取它,这很可能是军事太空计划或导弹计划。”美国法院文件援引一名科汉姆公司人员的话说,“绝对没有任何合理的理由”让任何人在汽车装置中使用该芯片。

  美国国土安全部也曾于2011年挫败了另一起该芯片的盗窃案,该案中,有中国人尝试获得同一芯片的早期版本。但是在那起案件中,犯罪嫌疑人购买的312枚芯片中有100枚仍未寻回。

  再度找到分销商 最终用户受疑被美特工盯上

  根据法院文件,科汉姆公司将曹剑锋的来电报告了美国反情报局。仅在2018年,科汉姆就8次收到了来自中国实体对该宝贵微芯片的求购要求。

  由于无法从科汉姆直接获得芯片,曹剑锋尝试联系了一家美国电子分销商,该分销商转销科汉姆的芯片。这次,曹没有提及有关中国客户是最终目的地的实情。

  该分销商通过电子邮件向曹剑锋发送了一份空白的最终用户协议表格让其填写。曹返回的表格上将最终用户填写成一位来自位于英格兰利物浦的汽车电子公司Metech ICT的电气工程师“ 约翰·安德森(John Anderson)”。像科汉姆一样,分销商发现他的采购要求可疑,并把他转交给了国防犯罪调查局(DCIS)的秘密特工。

  曹剑锋很快与驻亚利桑那州凤凰城的卧底特工取得了联系。该特工称自己为该分销商工作。曹因此向他发送了一份芯片采购订单。国防犯罪调查局根据曹所填写的信息在英国公司注册数据库调查了Metech ICT公司的信息。该公司没有叫约翰·安德森的人在那里工作,曹提供的地址是他在利物浦经营的一家餐馆的地址。

  卧底特工同意将200枚芯片卖给曹。曹表示他计划到美国提货,并亲自带回英国,并表示他将先电汇预付50%的款项,其余的将在交货时电汇,他将先把自己的钱从香港转到英国,然后再转到美国,并声称不存在的约翰·安德森会在之后付钱给他。

  在埃蒂米亚德斯所说的“全社会方法”中,中共的安全部门部署了海外代理,从受过训练的情报人员到从事可笑间谍活动的业余人员。像曹这样非专业的“自由职业者”往往为了赚钱而做,并且经常通过个人网络参与进来。

  在曼谷叙说实情 美国机场出境被捕

  2018年11月,在曹剑锋给科汉姆最初的电子邮件大约10个月后,卧底特工在曼谷洲际酒店与他会面以完成交易。

  曹剑锋将妻子也带到了集合地点,他要求卧底特工向他提供一套虚假发票,将实际价值55万美元的芯片总价写成1万美元,他表示这样当他在海关被拦下时可以帮助他避开麻烦。就此,曹承认,这些芯片最终将运往中国。曹还向卧底特工透露,他从英国寄出的钱实际上来自香港和中国大陆,而Metech ICT是他成立的一家皮包公司。

  卧底特工不露声色,并称只要他们“都受到保护”就好。曹剑锋随后打电话给一位女性联络人,他称其为 “大姐”,她告诉卧底特工,她打算在英国与曹见面,然后将芯片从那里亲自运送到香港。“大姐”说,“其他人”会将芯片从香港运到中国。

  接下来的一个月,曹将275,000美元汇入了卧底特工的银行账户,比应支付的实际余额多了10,000美元。曹故意为客户提供了虚高价格,并计划为自己留出多余的钱,并要求卧底特工在他到达凤凰城取芯片时予以返回。

  2019年1月14日,曹从利物浦飞往费城,在那里登上了去凤凰城的班机。一天后,他与卧底特工会面,卧底特工给了曹10,000美元现金和一个盒子,他说其中装有他们讨论过的200枚防辐射芯片,并提醒曹,将芯片从英国带到中国是非法的。曹对此回应说,他“希望”芯片能留在英国,但“他对最终用户了解得越少越好”。

  第二天,卧底特工开车送曹到凤凰城的天港机场。他在试图登机时被美国海关和边境保护局拦截。

  华人被中共利用 美专家:冰山一角

  一年后,即2020年1月27日,就在他的审判即将开始之前,曹剑锋对其共谋罪认罪,美国法院将于4月13日对其宣判,曹将面临最高20年监禁和100万美元的罚款。

  约翰·西弗(John Sipher)在中情局的国家秘密局工作了28年,后于2014年退休。他告诉《石英》杂志,曹的案子“影射出许多其它案件,很可能是冰山一角”。

  埃蒂米亚德斯说,此案中,曹关于如何使用芯片的虚假故事从一开始就揭示了他的意图。“当某人投入200,000美元而不要求融资,并且他们不知道芯片的真正用途时,很快就会被发现这是个谎言。”

  中共拥有世界上最庞大的情报机器,近年来已扩大了其工作规模和范围。北京试图获取敏感美国技术的尝试不仅针对美国政府和国防工业,也针对主要大学和研究科学家。

  中情局前官员约瑟夫·维普尔(Joseph Wippl)告诉《石英》杂志,这是中共全球计划的一部分,目的是窃取信息,以在经济和政治上增强其实力。他说:“尽管我们是首要目标,但它并不限于美国。”

  中共黑客已经入侵了数十种关键的美国武器系统。2018年,中国黑客偷走了美国海军正在研发的超音速反舰导弹绝密计划。去年秋天,居住在美国的两名中国外交官在试图进入弗吉尼亚安全军事基地后被驱逐出境,美国当局认为,其中一名实际上是秘密情报人员。美国政府最近指控一名在中国出生的旧金山导游向中共国安传递美国情报机密。上个月,两个中国国民分别因在两周内两次监视同一个佛罗里达军事基地而被抓。

  “自80年代以来,中国人(中共)一直在吃我们的午餐,”中情局前官员罗伯特·贝尔(Robert Baer)告诉《石英》杂志:“它们所做的几乎每一项科学技术突破都归功于它们成功从我们这里窃取,而且情况越来越糟。中国(中共)盗窃我们的技术正在成为我们国家最严重的安全威胁。”


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