Físicos buscan formas de proteger los sistemas electrónicos de los satélites en el cosmos

Los investigadores del departamento de micro y nanoelectrónica de la Universidad Nacional de Investigaciones Nucleares de Moscú (MEPhI) presentaron un nuevo método que permite prevenir las fallas de los microesquemas integrales en el espacio.

El artículo sobre los resultados de la investigación está publicado en la revista científica IEEE Transactions on Nuclear Science.

Garantizar un trabajo seguro de los microesquemas en el espacio es una importante tarea científica y económica. Para que los satélites meteorológicos, de comunicación y de observación de la Tierra sean económicamente eficientes deben funcionar en la órbita entre 10 y 15 años por lo menos. Una de las causas más habituales de su puesta fuera de servicio antes de este plazo son las fallas de los equipos electrónicos de a bordo.

Los convencionales sistemas electrónicos terrestres son demasiado poco seguros para las condiciones del espacio ultraterrestre. Por eso la industria espacial los fabrica según tecnologías especiales o selecciona y somete a unas pruebas específicas. Esto requiere un profundo conocimiento de los procesos físicos que transcurren dentro de los microesquemas y motiva a los científicos a diseñar métodos matemáticos que pronostiquen con precisión el comportamiento de los mismos en diferentes condiciones.

Son de una gran relevancia en este sentido los llamados 'efectos aislados', es decir, las fallas de los esquemas electrónicos provocadas por la acción de algunas partículas cósmicas de alta energía de las capas radiactivas de la Tierra o de las profundidades de la galaxia. El problema de las fallas aisladas surgió a principios de los años 80, cuando las dimensiones de los componentes microelectrónicos eran en torno a un micrón (una milésima parte del metro).

La especial importancia del problema viene determinada por el hecho de que en el espacio sea imposible garantizar la protección física de las partículas de alta energía, a raíz de su alta capacidad de penetración. Se han desarrollado múltiples métodos de pronóstico de frecuencia de este tipo de fallas en las condiciones dadas, así como los métodos basados en software y hardware para luchar contra las mismas.

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Sin embargo, en los últimos 30 años, la situación cambió radicalmente. La reducción de las dimensiones de los elementos de esquemas integrales a una escala nanométrica condujo a la propagación de las fallas múltiples. Estas se dan cuando una partícula cósmica (por ejemplo, un ion o un protón) puede provocar errores simultáneamente en varios elementos lógicos o celdas de memoria, lo cual provoca daños irreparables en el esquema electrónico. Este tipo de fallas son muy difíciles de corregir debido a su multiplicidad indefinida, es decir, el número de errores por una partícula cósmica.

Buscando solución al problema, los especialistas de la Universidad Nacional de Investigaciones Nucleares de Moscú (MEPhI) desarrollaron, en una serie de investigaciones entre 2015 y 2017, una nueva metodología que permite procesar los resultados de los experimentos terrestres y programar los cálculos de la frecuencia de las fallas. Brinda la posibilidad de pronóstico teniendo en cuenta los nuevos aspectos físicos, tecnológicos y de software propios de los esquemas integrales más modernos de nanodimensiones (con la norma tecnológica menor de 100 nm).

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"El problema está en que el efecto no está localizado: una partícula cósmica es capaz de afectar a varios elementos de esquemas integrales a la vez", explica uno de los autores de la investigación, Guennadi Zébrev. "Es la falta de la localización de los acontecimientos múltiples y su multiplicidad indefinida la que impide pronosticar la frecuencia de las fallas y prevenir los errores con métodos antiguos. Es más, la ulterior miniaturización de los elementos y la complicación de la arquitectura de los esquemas integrales podrá conducir a que el problema se agrave cada vez más. Por los tanto ofrecemos una metodología para procesar los resultados de las pruebas experimentales y calcular la frecuencia de las fallas que permita clasificarlas según su multiplicidad y evaluar de forma rápida y segura su frecuencia en función de la órbita espacial".

La posibilidad de calcular la frecuencia de errores de diferente multiplicidad es una condición imprescindible para crear nuevos algoritmos de software capaces de responder eficazmente ante las fallas múltiples en el espacio. El equipo de investigación de MEPhI colabora para llevar a cabo este trabajo con el Instituto de Investigaciones Sistémicas de la Academia rusa de Ciencias.