前往半人马座阿尔法星系
需要20年航程，一种新设计
能够承受这期间的辐射。
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NASA正在与韩国科学技术院（KAIST）合作，率先开发微型航空器。微型航空器由单块硅晶片组成，可大幅减少星际探索所需的时间。
在2016年12月于旧金山召开的IEEE国际电子元件会议上，来自NASA的穆东一（Dong-IlMoon，音）详细介绍了这一新技术，它旨在确保航空器能够承受在太空中可能遇到的具有潜在破坏力的辐射。
计算显示，如果以重量极轻的小巧太阳帆板来提供动力、由兆瓦级别的激光系统提供加速，则采用硅晶片来构成其核心可使航空器加速至光速的1/5。在这样的高速下，只需20年就可以到达最近的恒星，而传统航空器需要花上数万年。
穆东一和他的同事认为，对于普通的硅晶片来说，在太空中花上20年还是太久，因为一路上它将会遭到远甚于地球的高能辐射的攻击。“航空器将位于可屏蔽大量辐射的磁场上方和亦有助于屏蔽辐射的大部分大气层上方。”布雷特•司垂曼（BrettStreetman）说；他负责马萨诸塞州剑桥市的查尔斯•斯塔克•德雷珀实验室（CharlesStark Draper Laboratory）的芯片级航空器的工作。
据正在进行研究的KAIST团队的负责人蔡阳桂（Yang-KyuChoi，音）介绍，辐射会导致芯片二氧化硅涂层出现正电荷缺陷，造成设备性能降低。最严重的危害是，晶体管处于关闭状态时漏电会增加。
要解决芯片损坏问题只有两个办法：选择一条辐射暴露最少的路径或者增强防护。但前者会导致任务时间的延长并对探索造成限制，而后者增加了航空器重量，使采用小型化航空器的优势消失殆尽。穆东一认为，更好的方法是通过设计使得遭受损伤的设备在高温下能够自我修复。
“片上修复已经存在了许多年。”NASA团队的韩金五（Jin-WooHan，音）说。他说，现在要做的重要补充是对目前的辐射损伤进行最全面的分析。
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这项研究采用的是KAIST实验性的“全环栅”纳米线晶体管。这些装置使用纳米级导线作为晶体管通路，而不是目前采用的鳍形通路。全环栅设备也许目前还没那么广为人知，但预计从21世纪20年代初开始，其产量将迅速增加。（见本刊2016年第9期文章《到2021年，晶体管体积将停止缩小》。）
这道栅极（控制通过通路的电荷流动的开闭电极）将纳米线完全包裹住，在栅极上增加额外触极就可以使电流通过。该电流为栅极和包裹在其间的通路加热，从而修复所有由辐射带来的损伤。
KAIST认为纳米线晶体管非常适合在太空中使用，因为这种晶体管本身对宇宙射线具有相对较高的抵抗力，并且它们非常小，大小仅为数十纳米。“航天器应用的芯片（的晶体管）大小一般为500纳米，”蔡阳桂说，“如果能够将特征尺寸从500纳米缩小到20纳米，芯片的尺寸和重量都会降低。”成本也会降低。
KAIST的设计已经被用于单芯片航空器的3个关键构件：微处理器、用于支撑该处理器的动态随机存储器（DRAM）和可作为硬盘驱动器的闪存。
由辐射造成的损伤可得到多次修复，实验显示闪存可被修复多达约1万次，DRAM可恢复至初始状态的次数多达1万亿次，若使用逻辑设备，可复原的次数还要更多——这些结果说明，漫长的星际空间任务是可以进行的。芯片每隔几年将会断电，使用内部加热来恢复性能，然后再恢复至工作状态。
加州大学圣巴巴拉分校教授菲利普•鲁宾（PhilipLubin）认为，这个基于低温退火的方法是“具有创造性且聪明的”，但他怀疑宇宙射线给芯片带来的真正危险有多大。他希望看到采用现有技术对芯片级航空器进行的全面评估。他指出军方已经开发出抗辐照的电子元件。
现在，NASA和KAIST正在集中力量去除用于加热的第二层栅接触极。这个触极并不理想，因为这改变了芯片设计，需要创建新的晶体管库，从而增加了制造成本。KAIST的工作人员正在研究一种被称为“无接头纳米线晶体管”的可在正常运行过程中对通路进行加热的不同设计。NASA的研究人员则正在另行开发一种嵌入芯片的、可与标准电路兼容的微加热器。
降低自修复技术的成本在芯片级航空器的未来发展中发挥着关键作用——在芯片级航空器升空之前还需要很多年的投资。
作者：Richard Stevenson
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