Isto é o que eu faço! Muitos, muitos livros excelentes foram escritos sobre o assunto, mas como uma breve lista de tópicos, focada em sistemas embarcados para uso do espaço:
Em geral, usamos muitas das práticas de design de alta confiabilidade aprendidas ao longo de várias décadas de lições aprendidas com muito esforço em defesa, aviação e até automotivo (controladores de freio, ABS). Isso inclui métodos de tolerância a falhas (redundância n, segurança contra falhas, etc.), análise rigorosa e controle de qualidade de software e hardware, e a observância dos vários padrões escritos sobre o assunto. (Especialmente crítico se você trabalha em uma empresa tradicional). ambiente espacial).
Para os eletrônicos especificamente, a radiação ionizante e a falta da magnetosfera da Terra são as maiores. Como simplificação grosseira, podemos dividir em duas classes: dose ionizante total (IDT) e efeitos de evento único . Ambos têm atenuações que variam desde jogar muito dinheiro em hardware especializado e soluções inteligentes de software / design que podem atenuar os efeitos o suficiente de uma maneira muito mais barata.
O TID é exatamente o que parece - com o tempo, você acumula danos causados por radiação ionizante e, eventualmente, seus semicondutores deixam de se tornar semicondutores. Os efeitos variam enormemente com base no tamanho do processo, na composição e em muitos outros efeitos no nível do dispositivo, mas os efeitos que você pode ver incluem a mudança de tensão no limiar do MOSFET - imagine um MOSFET de canal N com o Vt lentamente descendo até que esteja sempre ativado. Alguns processos incrivelmente endurecidos foram desenvolvidos para suportar quantidades de doses muito altas - a missão Juno destinada a Júpiter possui um hardware incrível dentro de um cofre maciço e literal .
Uma nota lateral no TID, já que, é claro, os efeitos da radiação também são de interesse para aplicações terrestres, como armas nucleares, os testes geralmente são feitos com doses altas e baixas. Alguns dispositivos semicondutores expressam resultados diferentes para ambos - por exemplo, um artigo que li submetia um LDO a taxas de doses altas e baixas. Um degradou o circuito de gap de banda de Brokaw, diminuindo a tensão de saída ao longo do tempo. O outro degradou o beta do transistor de saída, reduzindo a corrente de saída ao longo do tempo.
Os efeitos de evento único também podem ser observados na Terra - a maioria das pessoas está familiarizada com as memórias ECC DDR para aplicações críticas, por exemplo. Além disso, a maioria das aeronaves comerciais deve levar isso em consideração, devido à altitude de operação ser alta o suficiente para que nêutrons de alta energia possam causar mau funcionamento do circuito eletrônico. Isso é popularmente conhecido como 'bit-flips' - uma partícula energética viaja através de um circuito, transmitindo uma transferência de energia linear (LET) que pode ser suficiente para causar um transtorno de bits (SEU), uma condição de trava ( SEL) que leva ao consumo de alta corrente devido ao comportamento parasitário do BJT, ruptura da porta MOSFET (SEGR) e esgotamento (SEB). Você pode classificar amplamente qualquer evento que resulte em falha do sistema como SEFI - interrupção funcional de evento único.
Vou chamar especificamente de trava . Existem especificações terrestres para trava que se enquadram no JESD78, mas não são projetadas para condições de trava induzida por radiação. O mecanismo é semelhante entre os dois - uma estrutura NPN parasita pode ser energizada na construção convencional do CMOS, causando um caminho de baixa impedância da energia para o solo. Obviamente, isso resultará em grandes quantidades de correntes fluindo através de uma parte do chip que nunca foi projetada para isso. Lembrando os fios de ligação das densidades de corrente e várias partes dos moldes, são projetados para, se essa situação não for sanada, esse chip sofrerá uma morte ardente. Uma mitigação comum é um sensor de corrente a montante que reage para cortar a fonte de alimentação e remover a trava.
Em termos de software e processadores, descrevo-o para dois grandes problemas. Um é proteger a memória volátil - registrar arquivos, RAM (SRAM / DRAM), etc. Seria lamentável se o seu registro no PC pegasse o SEU e subitamente pulasse em outro lugar. Segundo, está protegendo não-voláteismemória - seu software é inútil se for corrompido e não puder ser executado. A proteção volátil usual é o ECC (geralmente SECDED) e a eliminação contínua de erros. Para os não voláteis, é muito mais difícil - grandes quantidades de memória reforçada são incrivelmente caras de comprar, muito em detrimento das missões científicas da NASA / ESA. Algumas pessoas usam redundância n, outras usam tecnologias reforçadas de forma nativa, como MRAM ou FRAM (até certo ponto, para trabalho no COTS) e outras pagam aos fornecedores mais de seis dígitos por armazenamento de missão crítica de alta confiabilidade.
Mecanicamente, pelo menos na órbita do LEO, você faz ciclismo térmico entre o sol e a escuridão a cada 45 minutos. Isso além da necessidade de sobreviver aos rigores do lançamento - meus colegas mecânicos também têm um conjunto de requisitos que eles projetam (acredito que parte disso é o GEVS ) para garantir que sobrevivamos ao lançamento de um foguete de alto-G. Eles fazem uma quantidade impressionante de análises e testes de pré-lançamento para garantir que não sejamos pedaços de destroços no caminho. Na montagem, evitamos usar soldas sem chumbo e revestimentos conformes em todos os conjuntos elétricos.
Termicamente, não há convecção no espaço. Para CIs de alta potência, o único caminho para transferência de calor é radiação e condução. Projetos interessantes de dissipadores de calor devem ser considerados para remover efetivamente o calor de um dispositivo usando apenas esses dois métodos. Além disso, os testes no solo se tornam hardware, porque você não apenas precisa de uma câmara térmica, mas também de uma câmara de vácuo. Aqui estão algumas fotos das câmaras TVAC da JPL.
Trabalhando em um "novo espaço", onde as pessoas não estão construindo pássaros GEO / MEO maciços que suportam segurança nacional crítica ou necessidades comerciais, muitas vezes as peças do COTS são transportadas após testes / análises no terreno para ver como se saem. Embora se possa comprar um portão quad-NAND 74xx00 tolerante a várias centenas de krads por algumas centenas de dólares, algumas pessoas podem testar muitos 74LVC00 ou peças semelhantes para ver como se saem também. É tudo na quantidade de risco que você está disposto a tolerar.
Minha formação é em design de eletrônicos automotivos, de consumo e industriais, antes de entrar no espaço. Então, muitas vezes meu processo de pensamento é "cara, eu vou usar essa parte monolítica impressionante, de baixo consumo de energia e de última geração! Ah, espere - espaço". Em geral, isso é substituído por pensar em quão discreta e minimizada eu posso fazer essa solução para uma estabilidade de componentes tolerantes à radiação ou endurecidos à radiação com base no conhecimento (de testes ou previsões baseadas na tecnologia de processo) de sua radiação. desempenho.
Se essa resposta despertar mais interesse, provavelmente voltarei a preenchê-la / editá-la para que fique mais limpa.