ARM, 방사선 강화 Arm 칩, 별을 겨냥하다

ARM, 우주 환경에 최적화된 반도체 기술 선도

일반적인 전자 제품은 우주 환경에서 제대로 작동하기 어렵습니다. 태양풍, 극심한 온도 변화, 우주 방사선, 반 알렌대 등 다양한 방해 요인에 노출되기 때문입니다. 이러한 방사선은 일시적으로 컴퓨터 칩의 내부 비트를 오류나게 하여 계산 오류를 일으킬 수 있습니다. 더욱 심각한 경우, 총 이온화 선량(Total Ionizing Dose)이나 단일 사건 래치업(Single Event Latch-up)은 보호되지 않은 하드웨어에 치명적인 손상을 입힐 수 있습니다.

일상적인 작업에서 발생하는 일시적인 오류는 복구 가능하지만, 데이터 수집과 같이 중요한 임무를 수행하는 컴퓨터의 경우 데이터 손상으로 이어져 사용 가능 여부를 판단하기 어렵게 만들 수 있습니다. 극한 환경에서 신뢰성은 무엇보다 중요합니다.

소프트뱅크(SoftBank)의 지원을 받는 OneWeb은 위성 인터넷을 통해 외딴 지역 주민들에게 서비스를 제공하는 데 주력하고 있습니다. 이 회사는 자신이 돕고자 하는 지역보다 훨씬 더 먼 우주 공간에 복잡한 전자 장비를 배치할 때 직면하는 문제점을 잘 인지하고 있습니다. OneWeb의 우주 시스템 책임자인 Brian Holz는 양성자 방사선으로부터 보호하고 일부 전자 장비를 우주선 내부에 매립해야 할 필요성을 언급했습니다. 이러한 고려 사항은 장비가 성층권을 스치거나 토성으로 향하든 상관없이 필수적입니다.

가장 낙관적인 시나리오에서는 기존 부품을 활용할 수 있습니다. 2017년 NASA는 화성 탐사 임무에서 표준 하드웨어 및 소프트웨어의 성능을 테스트하기 위해 HP 슈퍼컴퓨터를 우주로 보냈습니다. 11개월 후, 이 컴퓨터는 심각한 오류 없이 작동했습니다. 연구실의 오류 주입 실험에서도 유사한 복원력이 관찰되었습니다. 그러나 대부분의 오류 주입은 마스킹 효과와 애플리케이션 특성으로 인해 시스템 오류를 유발하지 않았습니다. 이후 복잡한 워크로드를 처리할 때 오류가 발생하며, 특히 시스템 상태가 오류 감지 메커니즘을 트리거하지 않고 "조용히" 손상될 경우 치명적일 수 있습니다.

방사선 강화 ARM 칩: 행성 간 컴퓨터의 빌딩 블록

다수의 실험 프로그램은 방사선 강화(rad-hard) 칩과 같은 명시적인 설계 기법을 사용하여 우주 공간에서의 ARM 칩의 실현 가능성을 탐구해 왔습니다. 이미 방사선 강화 VORAGO Technologies 마이크로컨트롤러는 국제우주정거장(ISS)으로 향하는 SpaceX CRS-10 화물 보급 임무를 제어하는 데 사용되었습니다. VORAGO의 ARM Cortex-M 기반 마이크로컨트롤러는 방사선 및 극한 온도 환경에 대한 장치 강화 특허 기술인 VORAGO HARDSIL 공정을 사용합니다.

NASA와 미 공군의 자금 지원을 받는 미시간 대학교의 진행 중인 고성능 우주 비행 컴퓨팅(HPSC) 프로그램은 우주 비행 컴퓨팅의 최첨단 기술을 획기적으로 발전시키고, 높은 전력 효율성과 내결함성 시스템을 개발하는 것을 목표로 합니다. 이 프로그램의 일환으로, 차세대 우주 프로세서(NGSP) 분석 프로그램은 미래 멀티코어 프로세서 아키텍처를 정의하고 벤치마킹하기 위해 업계와 협력했습니다. 참조 설계는 ARM Cortex-A53 64비트 프로세서를 기반으로 하는 8개의 방사선 강화 칩을 포함하는 "칩렛"을 특징으로 하며, 이는 유능한 행성 간 컴퓨터의 빌딩 블록이 될 것입니다. 경쟁 입찰 후, 계약은 Boeing에 낙찰되었으며 2021년 4월까지 납품될 예정입니다.

방사선 강화 칩: 더 이상 유일한 선택지는 아니다

하지만 방사선 강화에는 단점도 있습니다. 표준 기술에 비해 개발 비용이 높고 전력, 성능 및 면적에 부정적인 영향을 미칩니다. 그러나 이제 두 번째 옵션이 등장했습니다. ARM Triple-core lockstep 연구에서 설명된 복원력 기법을 사용하여 우주 공간의 ARM 칩이 오류를 감지하고 복구할 수 있도록 하는 것입니다. 이는 시스템 가용성을 약간 낮추지만 특수 공정 라이브러리가 필요하지 않습니다. 그리고 이 두 가지 기술을 결합하면 수년간의 행성 간 서비스를 위한 안정적인 전자 장치를 만들 수 있습니다.

현재 진행되는 혁신의 대부분은 지구 저궤도 우주 애플리케이션에서 이루어지고 있습니다. 이곳의 방사선 노출은 화성보다 낮지만 지구보다는 훨씬 심각합니다. 위성 및 운송 인프라가 단일 우주 임무를 넘어 더 오래 지속되기를 열망하면서 연구자들은 칩의 장기적인 신뢰성에 전념하고 있습니다. 이는 현대 연구자들이 총 이온화 선량 방사선에 대한 방사선 강화 칩을 강화하는 데 집중하고 있음을 의미합니다. 총 이온화 선량은 장치가 고장 나기 전에 견딜 수 있는 방사선의 양을 나타냅니다. 일반적으로 100 킬로라드(krad)의 총 선량 방사선 경도는 좋은 기준이며, 이는 일반 인간이 연간 받는 양의 약 30만 배에 해당합니다.

더 나은 반도체 개발 경쟁

더 많은 칩 제조가 FinFET 및 SOI 공정으로 이전됨에 따라 총 이온화 선량 방사선에 대한 내성이 증가하고 있습니다. 그러나 동시에 물리적으로 더 작아진 트랜지스터와 게이트는 단일 사건 오작동(Single Event Upset)에 더 취약합니다. 시스템 규모에서 이 새로운 문제를 해결하는 열쇠는 경쟁적인 반도체 산업의 새로운 돌파구에 달려 있을 수 있으며, 연구자들은 이미 질화갈륨(gallium nitride), 탄화규소(silicon carbide), 다이아몬드, 그래핀과 같은 새로운 재료를 실험하여 열악한 환경에서 안정적인 작동을 크게 향상시키고 있습니다. 이러한 신흥 재료는 본질적으로 방사선에 강하지만 비용이 많이 들고 실리콘보다 수요가 훨씬 적습니다.

복원력과 방사선 강화의 결합은 지구상의 전자 장치도 향상시킵니다.

지구의 변화하는 조건으로 인해 언젠가 방사선 강화 칩이 우리의 일상생활에 적용될 가능성이 있습니다. 증가된 태양 방사선과 같은 요인으로 인해 오늘날 지구에는 우리 조상들이 겪었던 것보다 더 많은 방사선이 존재합니다. 실제로 지구상에는 이미 방사선 강화 칩이 유익할 수 있는 열악한 환경이 존재합니다. 예를 들어, 후쿠시마 방사능 지역 및 기타 재해 지역을 쉽게 모니터링하는 데 도움이 되거나, 유지 보수가 덜 필요한 더 오래 지속되는 X선 장비를 위한 의료 산업의 방사선 이미징에 적용될 수 있습니다.

지구에서의 방사선 강화 칩의 응용을 탐구하는 것은 실제로 우주에서 그 잠재력을 최대한 활용할 수 있도록 할 것입니다. 끝없는 사용 사례를 활용하면 수요가 증가하여 혁신과 대량 생산이 더 저렴해질 수 있습니다. 이는 연구자들이 저궤도 신뢰성을 개선하고 우주 애플리케이션을 더욱 안정적으로 만드는 데 수익성이 높아질 것입니다. 불과 몇 나노미터 크기의 트랜지스터를 가진 이러한 작은 칩은 우주와 우리의 가정을 변화시킬 수 있습니다.