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Des physiciens cherchent comment protéger les satellites contre les particules spatiales

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Un collectif de la chaire de micro- et nanoélectronique du MEPhI (Institut d'ingénierie physique de Moscou) de l'Université nationale de recherche nucléaire a présenté une nouvelle méthode permettant de prédire les pannes des circuits intégrés dans l'espace.

L'étude est expliquée dans un article publié par le magazine scientifique "IEEE Transactions on Nuclear Science".

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La garantie du fonctionnement fiable des circuits imprimés dans l'espace est une importante tâche scientifique et économique. Les satellites météorologiques modernes, les satellites de communication et d'observation doivent fonctionner pendant au moins 10-15 ans pour être économiquement rentables. La défaillance de l'électronique de bord est une cause répandue de panne des satellites avant l'expiration de leur durée de service. En général, l'électronique terrestre n'est pas du tout fiable pour les conditions spatiales. C'est pourquoi, pour la cosmonautique, l'électronique est soit fabriquée selon une technologie spéciale, soit sélectionnée et testée d'une manière spécifique. Tout cela demande une compréhension approfondie des processus physiques qui se déroulent à l'intérieur des circuits imprimés et motive les chercheurs à élaborer des méthodes mathématiques qui prévoient avec exactitude le comportement de tels circuits dans différentes conditions.

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Les "effets isolés" jouent une importance particulière: il s'agit des erreurs des circuits électroniques provoqués par l'impact de certaines particules spatiales à haute énergie des ceintures radioactives de la Terre ou des profondeurs de la galaxie. Le problème des pannes isolées est apparu dès le début des années 1980 quand la taille des composants microélectroniques était de l'ordre d'un micron (un millionième de mètre).

Ce problème est d'autant plus pertinent que dans l'espace, il est impossible d'offrir à l'électronique une protection physique contre les particules à haute énergie en raison de la forte capacité pénétrante de ces dernières. Les spécialistes ont alors activement élaboré des méthodes permettant de prévoir la fréquence de ces pannes dans des conditions données, ainsi que les méthodes informatiques et matérielles pour les combattre.

Cependant, la situation a foncièrement changé depuis 30 ans. La réduction de la taille des éléments des circuits intégrés jusqu'à l'échelle nanométrique a conduit à la propagation de nombreuses pannes — quand une particule spatiale (par exemple un ion ou un proton) provoque des erreurs simultanées dans plusieurs éléments logiques ou cellules de mémoire, entraînant des dysfonctionnements ou des dommages irréversibles des circuits électroniques. Il est très difficile de réparer de telles pannes à cause du caractère indéterminé de leur fréquence — c'est-à-dire du nombre de pannes à cause d'une particule spatiale précise.

En se penchant sur ce problème dans une série de recherches en 2015-2017, les spécialistes du MEPhI ont mis au point une nouvelle méthode permettant de traiter les résultats des expériences terrestres et de programmer les calculs de la fréquence des pannes. Elle permet de formuler des prévisions tenant compte des nouveaux aspects physiques, technologiques et informatiques propres aux circuits intégrés nanodimensionnels (avec un standard inférieur à 100 nm) les plus modernes.

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"Tout le problème réside dans l'absence de localisation de l'impact: une particule spatiale est capable de mettre hors service à la fois plusieurs éléments de circuits intégrés, explique le professeur Guennadi Zebrev, coauteur de l'étude. C'est l'absence de localisation des événements multiples et l'indétermination de leur multiplicité qui empêche de prédire la fréquence des pannes et de pallier les erreurs avec les anciennes méthodes. Sachant qu'à l'avenir, la miniaturisation des éléments et la complication de l'architecture des circuits intégrés ne feront qu'aggraver davantage ce problème. C'est pourquoi nous avons proposé une méthode de traitement des résultats des essais expérimentaux et de calcul de la fréquence des pannes qui permet de séparer ces pannes en fonction de la multiplicité, ainsi que d'évaluer rapidement et de manière fiable leurs fréquences sur les orbites spatiales données."

La possibilité de calculer la fréquence des erreurs de différente multiplicité est la condition indispensable à la création de nouveaux algorithmes informatiques susceptibles de parer efficacement de nombreuses défaillances dans l'espace. Le MEPhI travaille en ce sens conjointement avec l'Institut de recherche d'études systémiques de l'Académie des sciences de Russie.

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