Космические лучи представляют собой поток высокоэнергичных частиц, в основном протонов, ядер гелия и более тяжёлых ядер, приходящих из внегалактических и галактических источников. Их энергии могут достигать значений свыше 1020 эВ, что на много порядков превышает энергии, достижимые в современных ускорителях частиц. Космические лучи подразделяются на первичные — те, что приходят из космоса, и вторичные — возникающие при взаимодействии первичных с атмосферой Земли, образуя каскады мюонов, нейтронов, электронов, фотонов и других частиц.
Эти частицы, взаимодействуя с веществом, могут вызывать ионизацию, радиационные повреждения, изменение свойств материалов, логические ошибки в электронике и деградацию систем в целом. Особенно серьёзное влияние они оказывают на технологии, работающие в условиях высокогорья, в авиации, а также в космосе.
Наиболее значимым проявлением влияния космических лучей на электронные системы являются эффекты одиночных событий (Single Event Effects, SEE). Они включают:
С увеличением степени миниатюризации и переходом на наноразмерные технологии (техпроцессы 28 нм и ниже), чувствительность к SEE возрастает:
Космические лучи вызывают накопление заряда в диэлектриках (TID — Total Ionizing Dose), что приводит к смещению порогового напряжения транзисторов, утечкам тока и сбоям в работе логических элементов. Особенно уязвимы комплементарные КМОП-структуры.
Потери энергии на неионизационные процессы вызывают смещение атомов из решетки, образование дефектов, рекомбинационных центров и ловушек заряда. Это приводит к снижению подвижности носителей, ухудшению параметров солнечных батарей, фотодетекторов и других чувствительных элементов.
Спутники и космические платформы подвергаются постоянному воздействию как галактических космических лучей (GCR), так и частиц солнечных вспышек (SEP). Последствия включают:
Особенно опасны периоды повышенной солнечной активности, когда поток заряженных частиц увеличивается на 1–2 порядка.
На высотах 10–12 км (коммерческая авиация) атмосфера ослабляет только часть космического излучения. Оставшиеся частицы, включая нейтроны и мюоны, способны проникать в электронные системы бортового оборудования:
На полярных маршрутах, где геомагнитное поле менее эффективно отклоняет частицы, интенсивность воздействия увеличивается. Эффект особенно важен для военных самолетов, беспилотников и авиации дальнего радиуса.
Хотя земная атмосфера и магнитное поле значительно ослабляют поток космических лучей, их вторичные компоненты, особенно тепловые и высокоэнергичные нейтроны, способны вызывать SEE и SEU даже на уровне земной поверхности. Это проявляется в:
Особенно чувствительны объекты, расположенные на больших высотах (например, в Андах, Тибете, Альпах) и в области Южно-Атлантической аномалии, где радиационный пояс находится ближе к поверхности Земли.
Включает:
Системы, предназначенные для эксплуатации в космическом или авиационном пространстве, проходят:
Космические лучи стали не только угрозой, но и инструментом исследований:
С переходом к квантовым вычислениям, 3D-чипам и гетерогенным архитектурам особое внимание будет уделяться устойчивости к SEE, отказоустойчивым архитектурам, интеллектуальным системам коррекции ошибок и динамической перенастройке логики.
Разработка технологий, работающих в условиях постоянного облучения, становится необходимым условием для устойчивого функционирования современных и будущих технологических систем в авиации, космосе, а также в критически важных наземных сферах.