北京
芯片曾经只需在有限的一组工况下通过验证。现在，它们要面对的是多种应力同时袭来的环境。辐射、热冲击、振动、压力、噪声、低温，正在轨道数据中心、国防系统、粒子物理、量子计算和先进制造等场景中叠加出现。
这正在改变芯片的设计与验证方式。AI设计工具、机器学习和语言模型可以更早地探索更多设计方案，但虚拟模型仍须与物理行为对照。对极端环境电子设备而言，挑战不只是预测失效模式，还要复现足够多的真实运行环境，才能让预测可信。
太空成为最清晰的压力点
卫星星座、轨道数据中心、空间探测器、地表巡视器和军用太空系统的增长，正在推高对辐射加固设计的需求，包括在更新的工艺节点上——性能与功耗的收益，必须与存活能力相权衡。这种需求已经出现在设计生态中。
“我们看到辐射加固晶圆厂工艺的活动大幅上升，尤其是在支持轨道数据中心的新工艺节点上，”Synopsys产品管理高级总监Dana Neustadter表示。“这在很大程度上归因于Golden Dome（美国多层导弹防御计划）。下一个战场的前沿是太空，所以你现在看到投资在加速，我们将看到更多辐射加固设计加入。”
除国家安全之外，各国政府也在新兴技术上争夺全球领先地位。
从冷战放射性衰变到芯片设计
太平洋西北国家实验室（PNNL）正与摩根州立大学、诺斯罗普·格鲁曼和Project Omega合作，参与DARPA资助的Rads to Watts项目。该项目旨在将冷战时期的放射性衰变转化为高密度核微电源辐射伏特系统，用于包括太空、遥感、海底基础设施和国防在内的极端环境。
锶-90等放射性同位素将被直接转化为电能，从而在数十年内无需补充燃料或更换电池即可运行。研究人员通过将超薄半导体层与高能β发射同位素结合来实现这一点。仿真、表征和存活能力分析，对于确保这些系统能在严苛环境中运行至关重要。
与此同时，美国能源部费米国家加速器实验室正与西门子合作开展一个名为AXESS（加速极端环境规格到硅）的项目，利用大语言模型和更小的代理模型加速设计探索，然后为量子计算、聚变能和粒子物理整合并协同优化芯片开发的各个阶段。
每个极端环境应用都带来一组独特的物理应力，硬件设备必须加以应对。
“粒子加速器和研究加速器是特别具有挑战性的环境，因为剂量高得离谱，而且你需要设备在受到辐射损伤的同时还能正常工作，”亚利桑那州立大学美国国防部ME Commons SWAP Hub极端环境可靠性负责人Hugh Barnaby表示。“这延伸到用于癌症质子治疗的医疗设备，它使用高能电子。在半导体制造中，光刻会造成辐射损伤。他们现在在一些非常先进的技术中使用X射线，比如背面供电。他们把功率分配放在芯片背面。他们过去使用一种名为LADA（激光辅助器件改变）的晶圆分析技术，但现在不能用了，因为功率在背面。他们不能用光。所以他们正在考虑X射线辅助器件改变激光（ZADA）。问题是，他们担心X射线会对材料造成损伤。”
Barnaby和他的学生Jereme Neuendank发现，半导体在极低温度下会发生奇怪的事情。“如果你把这一点与辐射结合起来，就会变得更奇怪，”Barnaby说。“我们有一些好的理论，并有模型支持，我们仍在该领域做大量工作。”
9000居里的实验室
实验室工具正在演进，以同时研究多种应力的影响。亚利桑那州立大学的研究人员开发了Rigel DSTAT，其三根棒总共含有9000居里（Ci）的放射性物质，用于模拟太空和核应用中出现的辐射环境。它还包含一个小型低温恒温器，通过抽空腔室，然后充入液氮或氩气（两者温度大致相同），使器件暴露在高度饱和的极低温度下。“然后我们可以在液氮温度下进行辐射测试，也就是77开尔文，”Barnaby说。
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