放射線耐性

放射線耐性()とは、電子工学および計算機科学において、高エネルギーの電離放射線（粒子放射線および電磁放射線）に耐え、誤動作や損傷を起こしにくい特性を指す。

特に、宇宙空間（特に低地球軌道外）、原子炉および粒子加速器周辺、または原子力事故や核戦争中の環境において重要になる。

現代のコンピュータシステムは、半導体デバイスとして製造される集積回路であるマイクロプロセッサを主要部品に持つ。これらの部品は放射線による損傷を受けやすく、耐放射線チップは、非耐放射線製品を元に、放射線による影響を受けにくくするための設計および製造上の変更が加えられている。耐放射線チップには需要が少なく、開発とテストに多大な時間を要するため、耐放射線チップの技術は最新の開発に比べて遅れをとる傾向がある。また、一般的に市販品よりも非常に高価である。

耐放射線製品は、通常、吸収線量（）、低線量率増強効果（ELDRS）、中性子および陽子による変位損傷、シングルイベント効果（）など、複数の観点から試験される。

主な放射線源電子機器が電離放射線に曝される典型的な発生源としては、宇宙線、半導体チップパッケージ材料中の放射能からの残留放射線、戦時は核爆発が挙げられる。ほかには原子炉、粒子加速器、衛星の場合はヴァン・アレン帯も発生源である。

二次粒子は、電子機器周辺の構造物と他の種類の放射線との相互作用によって発生する。

ヴァン・アレン帯には、地磁気によって捕捉された電子（最大約10MeV）と陽子（最大100MeV）が含まれている。地表から遠い領域における線量は、太陽と磁気圏の状態（宇宙天気）によって大きく変動する可能性がある。人工衛星にとって問題になる。原子炉はガンマ線と中性子線を発生させ、これらは原子力発電所のセンサーや制御回路に影響を与えるおそれがある。粒子加速器は高エネルギーの陽子と電子を生成し、それらの相互作用によって生成される二次粒子は、感度の高い制御および粒子検出機器に重大な損傷を与える。大型ハドロン衝突型加速器などのシステムでは年間10 MRad[Si]オーダーの大きな線量となる。チップのパッケージ材料自体が、新しいDRAMチップでソフトエラーを引き起こす、厄介な放射線源であることが1970年代に判明した。チップのパッケージに含まれる微量の放射性同位体がアルファ粒子を生成し、それがDRAMのデータビットを記憶するコンデンサの一部を時折放電させていた。現在では、より純度の高いパッケージ材料を使用し、エラー訂正符号を用いてDRAMのエラーを検出し、多くの場合訂正することで、これらの影響は軽減されている。宇宙線はあらゆる方向から飛来する。組成は、約85%の陽子、14%のアルファ粒子、1%の重イオン、そしてX線とガンマ線放射からなる。ほとんどの影響は、0.1～20 GeVのエネルギーを持つ粒子によって引き起こされる。大気はこれらの粒子のほとんどを遮断するため、宇宙線は主に宇宙船や高高度航空機にとって懸念事項ですが、地上の通常のコンピュータにも影響を与える可能性がある。太陽風は太陽の方向から発生し、高エネルギー（数GeV）の陽子と重イオンの大規模な流束からなり、これにもX線放射が伴う。核爆発は、広範囲の電磁放射線、電磁パルス（EMP）、中性子放射線、および一次・二次荷電粒子のフラックスを含む、短時間で極めて強烈なサージを発生させる。核戦争が発生した場合、核爆発はあらゆる民生用および軍事用電子機器にとって潜在的な脅威となります。

放射線の影響放射線の影響は一過性のもの(SEE、一時的な線量効果)と、永続的な劣化(TID)の二つに大別される。

放射線耐性技術サムネイル|金属エッチング前の1886VE10マイクロコントローラの耐放射線ダイサムネイル|金属化エッチング処理後の1886VE10マイクロコントローラの耐放射線ダイ

ハードウェア耐放射線チップは、通常の半導体ウェハではなく、絶縁基板上に製造されることが多い。シリコン・オン・インシュレーター（SOI）とシリコン・オン・サファイア（SOS ）が一般的に使用されている。通常の商用グレードのチップは50～100グレイ（5～10krad ）の線量に耐えることができるが、宇宙グレードのSOIおよびSOSチップは1000～3000グレイ（100～300krad ）の線量に耐えることができる。SOIはラッチアップイベントを排除するが、TIDおよびSEE耐性が向上するとは限らない。

バンドギャップの広い基板を選ぶと、深準位欠陥に対する耐性が高くなる。例えば、炭化ケイ素や窒化ガリウムなどが挙げられる。

特殊なプロセスノードを使用することで、耐放射線性が向上する。新しい耐放射線プロセスの開発コストが高いため、2016 年時点で最小の「真の」耐放射線プロセス (RHBP、プロセスによる耐放射線) は 150nmだが、「真の」耐放射線プロセス (RHBD、設計による耐放射線 )で使用される技術の一部を使用した耐放射線65 nm FPGAが利用可能である。2019 年現在、110nm耐放射線プロセスが利用可能である。

バイポーラ集積回路は一般的にCMOS回路よりも放射線耐性が高い。低電力ショットキー（LS）5400シリーズは1000kradに耐えることができ、多くのECLデバイスは10,000kradに耐えることができる。従来とは異なる物理構造を持つエッジレスCMOSトランジスタと従来とは異なる物理レイアウトを組み合わせることも効果的である。

磁気抵抗RAM、またはMRAMは、耐放射線性、書き換え可能、不揮発性導体メモリを提供する有力な候補と考えられている。物理原理と初期のテストでは、MRAMは電離によるデータ損失の影響を受けにくいことが示唆されている。

コンデンサベースのDRAMは、より堅牢な（ただし、より大きく、より高価な）SRAMに置き換えられることが多い。SRAMセルは、通常のセル（4Tまたは6T）よりも多くのトランジスタを備えているため、消費電力とサイズが大きくなる代わりに、SEUに対する耐性が高くなる。

遮蔽

ヴァン・アレン帯は低エネルギーの陽子と電子であり、アルミ板で大きく線量を減らせる。ただしガンマ線などの二次放射線が生じる。太陽風も95%は陽子である。,太陽風と太陽風擾乱の生成,亘慎一,通信総合研究所季報Vol.48 No.3 ,P21-35,2002年

一方、銀河宇宙線は非常にエネルギーが高く、遮蔽は困難である。

中性子放射線や材料の中性子活性化から保護するために、チップを保護するホウリンケイ酸ガラスのパッシベーション層にホウ素11を使用するとよい。ホウ素10は容易に中性子を捕獲し、アルファ崩壊を起こすため、取り除かれている必要がある。

ソフトウェアエラー訂正コードメモリ（ECCメモリ）は、冗長ビットを使用して破損したデータをチェックし、必要に応じて修正する。放射線の影響は、システムがRAMにアクセスしていないときでもメモリの内容に損傷を与えるため、「スクラバー」回路がRAMを継続的にスキャンする必要がある。スクラバー回路は、データを読み出し、冗長ビットのデータエラーをチェックし、修正内容をRAMに書き戻す。

システムレベルで冗長要素を使用することができる。3つの独立したマイクロプロセッサボードがそれぞれ独立して計算を行い、その結果を比較する。少数派の結果を出したシステムは再計算を行う。（ロックステップ実行）同じシステムで繰り返しエラーが発生した場合に、そのボードをシャットダウンするようなロジックを追加することも可能である。

冗長性は回路レベルで使用できる。1ビットを3ビットに置き換え、各ビットに個別の「投票ロジック」を使用して結果を継続的に決定できる（三重モジュラー冗長）。これによりチップ設計の面積が5倍になるため、より小さな設計に限定する必要がある。しかし、リアルタイムで「フェイルセーフ」であるという二次的な利点もある。1ビットの障害（放射線とは無関係である可能性があります）が発生した場合、投票ロジックはウォッチドッグタイマーに頼ることなく正しい結果を生成し続ける。3つの独立したプロセッサシステム間のシステムレベルの投票では、一般的に、3つのプロセッサシステム間で投票を実行するために、何らかの回路レベルの投票ロジックを使用する必要がある。

強化されたラッチもときに用いられる。

ウォッチドッグタイマーは、オンボードプロセッサからの書き込み操作など、システムが稼働していることを示す何らかのシーケンスが実行されない限り、システムを強制的にリセットする。通常動作時、ソフトウェアはタイマーがタイムアウトしないように、一定間隔でウォッチドッグタイマーへの書き込みをスケジュールする。放射線によってプロセッサが正しく動作しなくなった場合、ソフトウェアがウォッチドッグタイマーをクリアするのに十分な精度で動作する可能性は低くなる。最終的にウォッチドッグタイマーがタイムアウトし、システムを強制的にリセットされる。これは、他の放射線耐性対策に対する最終手段と考えられている。

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