فيزيائيون روس يبتكرون وسائل جديدة لحماية إلكترونيات الأقمار الصناعية من الجزيئات الفضائية

قدم فريق من الباحثين في كلية الميكرو والنانو إلكترونيات في الجامعة القومية للبحوث النووية "معهد موسكو للهندسة والفيزياء"، أسلوبا جديدا يمكن من التنبؤ بالأعطاب المتوقعة في الدوائر المدمجة في الفضاء.

ونشرت نتائج الأبحاث في المجلة العلمية "IEEE Transactions on Nuclear Science".

توفير العمل الآمن للدوائر الكهربائية في الفضاء — مهمة علمية واقتصادية على درجة عالية من الأهمية.

من أجل أن تكون أقمار الطقس وأقمار الاتصالات ومراقبة الأرض أكثر فعالية اقتصادية يجب أن تعمل في المدار لمدة 10 — 15 سنة على الأقل.

والسبب الرئيسي الذي يؤدي إلى تعطل الأقمار الصناعية قبل نهاية فترة خدمتها — هو تعطل الأجهزة الإلكترونية المركبة على متنها. لا يعتمد على الإلكترونيات الأرضية الاعتيادية في الظروف الفضائية. لذلك يجهزون إلكترونيات خاصة للفضاء، إما بتكنولوجيا خاصة أو يختارون ويجربونها بطرق خاصة. كل هذا يتطلب تفهما عميقا للعمليات الفيزيائية التي تجري داخل الدوائر الإلكترونية، وتشحع العلماء على تصميم أساليب رياضية تمكن من التنبؤ الدقيق من سلوك هذه الدوائر في الظروف المختلفة.

تمتلك الأهمية العليا هنا ما يسمى بـ "التأثيرات الأحادية"، وأخطاء الدوائر الإلكترونية الناتجة عن تأثير بعض الجزئيات الفضائية ذات الطاقة العالية من الأحزمة الإشعاعية الأرضية أو من أعماق المجرات.  ظهرت مشكلة الأعطال الأحادية في بداية الثمانينات 1980، عندما كان حجم مكونات الميكروإلكترونيات يشكل حوالي ميكرون (واحد بالمليون من المتر).

الأمر الذي يزيد المشكلة صعوبة حادة هو عدم وجود إمكانية توفير حماية جسدية في الفضاء من الجزيئات العالية الطاقة بسبب قدراتها الخارقة. لهذه الأعطال الخاصة بحيوية تم تصميم أساليب التنبؤ بتردداتها في الظروف المعينة وأيضا أساليب البرمجة والأجهزة لمكافحتهم.

لكن خلال الثلاثين عاما الأخيرة، فإن الوضع تغير جذريا. أدى تصغير حجم عناصر الدوائر المدمجة حتى اتساع النانومتر إلى انتشار الأعطال المختلفة: الحالات التي من خلالها قد يؤدي جسم فضائي واحد (مثال، يون أو بروتون) إلى أخطاء فورية في عدة عناصر للأنظمة المنطقية أو في خلايا الذاكرة، الأمر الذي يؤدي إلى العمل غير الصحيح أو إلى التضرر الفعلي للدوائر الإلكترونية. من الصعب تصليح مثل هذه الأعطال بسبب عدم تحديد تعددها: بما ما معناه عدد الأعطال من جسم فضائي واحد.

خلال حل هذه المشكلة قام الخبراء من الجامعة القومية للبحوث النووية "معهد موسكو للهندسة والفيزياء" (ميفي) بسلسة بحوث خلال الأعوام 2015 — 2017، بتصميم أسلوب جديد يمكن معالجة نتائج التجارب الأرضية  وبرمجة حسابات ترددات الأخطاء. هذا يوفر إمكانية التنبؤ مع الأخذ بالحسبان العوامل الجسدية الجديدة والتكنولوجية والبرمجية التي تتلائم مع أحجام النانو (مع المعيار التكنولوجي  الأقل من 100 نانومتر) للدوائر المدمجة لأحدث نموذج عصري.

" المغزى من الأمر مرتبط في عدم تحديد مكان التأثير: حيث أنه باستطاعة جسم فضائي "تعطيل" في آن واحد عدة عناصر من مكونات الدوائر الإلكترونية المدمجة" — كما قال البروفيسور غينادي زيبريف، أحد المشاركين في البحث — خاصة عدم تحديد مكان الأحداث الكثيرة وعدم تحديد تعدادها، لا يمكن من التبؤ بترددات الأخطاء وتصحيح الأخطاء بالأساليب القديمة. على الرغم من تصغير حجم عناصر وتعقيد بنية الدوائر الإلكترونية المدمجة فإنه قد يؤدي إلى انتشار هذه المشكلة في المستقبل. لذلك نحن اقترحنا هذا الأسلوب لمعالجة نتائج الاختبارات التجريبية وحساب ترددات الأخطاء، الذي (الأسلوب) يمكن من فصل الأخطاء حسب تعدادها وأيضا بشكل سريع ومعتمد تقييم تردداتها في المدارات الفضائية المعينة".

إمكانية حساب ترددات الأخطاء مختلفة التعداد — شرط ضروري لإنشاء جوارزميات برمجية جديدة،  قد تستطيع بشكل فعال أن ترد على الأخطاء الكثيرة في الفضاء. يعمل في هذا الاتجاه طاقم الجامعة القومية للبحوث النووية "معهد موسكو للهندسة والفيزياء" (ميفي) بالاشتراك مع المعهد العلمي للأنظمة البحوثية التابع لأكاديمية العلوم الروسية.