Robuuste elektronica: Fraunhofer ontwikkelt open-source tool tegen stralingsfouten

Elektronische systemen die worden blootgesteld aan straling – zoals satellieten in baan om de aarde of medische beeldvormingsapparatuur – lopen het risico op tijdelijke storingen, geheugenfouten en versnelde veroudering van componenten. Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Dresden werken aan een innovatieve oplossing om deze stralingsgerelateerde uitval te voorkomen en betrouwbaarheid te vergroten.

In ruimtevaarttoepassingen worden chips langdurig blootgesteld aan kosmische straling, wat defecten kan veroorzaken variërend van zachte foutjes tot blijvende functieverlies. Ook in medische apparaten zoals CT-scanners kunnen hoge-energie-röntgenstralen schade aan halfgeleiders veroorzaken.

Open-source tool en open PDK voor betere ontwerpinzicht

Kleine bedrijven en onderzoeksinstellingen hebben vaak geen toegang tot gedetailleerde informatie over de stralingsgrenzen en verouderingsgedrag van componenten in geïntegreerde circuits. Om deze kloof te dichten, ontwikkelt het team rond Roland Jancke van de afdeling Engineering of Adaptive Systems een open-source ontwerptool gekoppeld aan een open process design kit (PDK). Hiermee krijgen ontwerpers inzicht in hoe componenten in chips reageren op langdurige stralingsblootstelling en kunnen ze dit al tijdens de ontwerpfase meenemen.

De open PDK fungeert als een brug tussen technologieleveranciers en chipontwerpers, waardoor vrij toegankelijke karakteristieken van componenten beschikbaar komen. Dit maakt het mogelijk om de effecten van straling en componentveroudering te simuleren en te kwantificeren.

Simulatie van langetermijngedrag

In het kader van het FlowSpace-project voeren onderzoekers laboratoriumexperimenten uit waarin ze het langdurige effect van straling op componenten nabootsen op basis van wiskundige modellen en meetdata. Zo kunnen zij realistisch voorspellen hoe een element zich over een periode van tien jaar onder stralingsblootstelling gedraagt en of het zijn functie behoudt.

Redundantie en efficiëntie in ontwerpen

Een klassieke aanpak om fouten door straling te reduceren is redundantie: het meerdere keren opnemen van kritieke schakelingen zodat bij uitval van één element een ander kan overnemen. De nieuwe tool maakt het mogelijk om die redundantie efficiënter in te zetten. Door betere simulatiemodellen kan de benodigde chipoppervlakte voor redundante structuren worden verkleind zonder in te leveren op betrouwbaarheid. Dit is vooral belangrijk nu chips steeds kleiner en gevoeliger worden bij hogere integratieniveaus.

Kleinere technologieën winnen aan populariteit omdat ze energie-, ruimte- en gewichtsefficiënter zijn – cruciale factoren voor ruimtevaarttoepassingen en draagbare medische systemen.

Wat betekent dit voor de sector?

• Toegankelijkheid van ontwerpdata: Door open PDK’s kunnen ook kleinere spelers ontwerpen die voorheen alleen voor grotere chipbedrijven haalbaar waren.
• Betere levensduurvoorspelling: Simulatie van de langetermijnimpact van straling stelt ontwerpers in staat betrouwbaardere systemen te realiseren.
• Efficiënter redundantieontwerp: Minder overhead bij fouttolerant ontwerp kan leiden tot compacter en energiezuiniger hardwareontwerp.