前往半人馬座阿爾法星系

需要20年航程，一種新設計

能夠承受這期間的輻射。 

━━━━━

NASA正在與韓國科學技術院（KAIST）合作，率先開發微型航空器。微型航空器由單塊硅晶片組成，可大幅減少星際探索所需的時間。

在2016年12月于舊金山召開的IEEE國際電子元件會議上，來自NASA的穆東一（Dong-IlMoon，音）詳細介紹了這一新技術，它旨在確保航空器能夠承受在太空中可能遇到的具有潛在破壞力的輻射。

計算顯示，如果以重量極輕的小巧太陽帆板來提供動力、由兆瓦級別的激光系統提供加速，則采用硅晶片來構成其核心可使航空器加速至光速的1/5。在這樣的高速下，只需20年就可以到達最近的恒星，而傳統航空器需要花上數萬年。

穆東一和他的同事認為，對于普通的硅晶片來說，在太空中花上20年還是太久，因為一路上它將會遭到遠甚于地球的高能輻射的攻擊。“航空器將位于可屏蔽大量輻射的磁場上方和亦有助于屏蔽輻射的大部分大氣層上方。”布雷特?司垂曼（BrettStreetman）說；他負責馬薩諸塞州劍橋市的查爾斯?斯塔克?德雷珀實驗室（CharlesStark Draper Laboratory）的芯片級航空器的工作。

據正在進行研究的KAIST團隊的負責人蔡陽桂（Yang-KyuChoi，音）介紹，輻射會導致芯片二氧化硅涂層出現正電荷缺陷，造成設備性能降低。最嚴重的危害是，晶體管處于關閉狀態時漏電會增加。

要解決芯片損壞問題只有兩個辦法：選擇一條輻射暴露最少的路徑或者增強防護。但前者會導致任務時間的延長并對探索造成限制，而后者增加了航空器重量，使采用小型化航空器的優勢消失殆盡。穆東一認為，更好的方法是通過設計使得遭受損傷的設備在高溫下能夠自我修復。

“片上修復已經存在了許多年。”NASA團隊的韓金五（Jin-WooHan，音）說。他說，現在要做的重要補充是對目前的輻射損傷進行最全面的分析。

━━━━━

這項研究采用的是KAIST實驗性的“全環柵”納米線晶體管。這些裝置使用納米級導線作為晶體管通路，而不是目前采用的鰭形通路。全環柵設備也許目前還沒那么廣為人知，但預計從21世紀20年代初開始，其產量將迅速增加。（見本刊2016年第9期文章《到2021年，晶體管體積將停止縮小》。）

這道柵極（控制通過通路的電荷流動的開閉電極）將納米線完全包裹住，在柵極上增加額外觸極就可以使電流通過。該電流為柵極和包裹在其間的通路加熱，從而修復所有由輻射帶來的損傷。

KAIST認為納米線晶體管非常適合在太空中使用，因為這種晶體管本身對宇宙射線具有相對較高的抵抗力，并且它們非常小，大小僅為數十納米。“航天器應用的芯片（的晶體管）大小一般為500納米，”蔡陽桂說，“如果能夠將特征尺寸從500納米縮小到20納米，芯片的尺寸和重量都會降低。”成本也會降低。

KAIST的設計已經被用于單芯片航空器的3個關鍵構件：微處理器、用于支撐該處理器的動態隨機存儲器（DRAM）和可作為硬盤驅動器的閃存。

由輻射造成的損傷可得到多次修復，實驗顯示閃存可被修復多達約1萬次，DRAM可恢復至初始狀態的次數多達1萬億次，若使用邏輯設備，可復原的次數還要更多——這些結果說明，漫長的星際空間任務是可以進行的。芯片每隔幾年將會斷電，使用內部加熱來恢復性能，然后再恢復至工作狀態。

加州大學圣巴巴拉分校教授菲利普?魯賓（PhilipLubin）認為，這個基于低溫退火的方法是“具有創造性且聰明的”，但他懷疑宇宙射線給芯片帶來的真正危險有多大。他希望看到采用現有技術對芯片級航空器進行的全面評估。他指出軍方已經開發出抗輻照的電子元件。

現在，NASA和KAIST正在集中力量去除用于加熱的第二層柵接觸極。這個觸極并不理想，因為這改變了芯片設計，需要創建新的晶體管庫，從而增加了制造成本。KAIST的工作人員正在研究一種被稱為“無接頭納米線晶體管”的可在正常運行過程中對通路進行加熱的不同設計。NASA的研究人員則正在另行開發一種嵌入芯片的、可與標準電路兼容的微加熱器。

降低自修復技術的成本在芯片級航空器的未來發展中發揮著關鍵作用——在芯片級航空器升空之前還需要很多年的投資。

作者：Richard Stevenson