Radiation-tolerant（放射線耐性）

民間および政府によるミッションの急増を背景に、宇宙経済は加速しています。コンピューティングとAIの進化に伴い、宇宙空間で直接データを処理できる高性能テクノロジーの需要が高まっています。

AIを活用したエッジコンピューティングは宇宙運用を変革しつつあります。宇宙機がセンサーデータを分析し、異常を検知し、自律的に判断できるようにすることで、アップリンクとダウンリンクの帯域幅を維持しながら、地上システムへの依存を低減します。

電離放射線にさらされることで従来の電子機器が誤動作したり劣化したりする過酷な宇宙環境において、こうしたインテリジェントで自律的なプラットフォームを確実に動作させるには、放射線耐性を備えたストレージソリューションが不可欠です。

エレクトロニクス分野における放射線耐性の意味と、マイクロンが宇宙・防衛用途向けの放射線耐性メモリソリューションをどのように認定しているかをご紹介します。なお、詳細をセールスサポートチームまでお問い合わせいただくこともできます。

放射線耐性とは？

放射線耐性の定義：エレクトロニクス分野でいう放射線耐性（radiation-tolerant）とは、電離放射線が存在する環境でも高い信頼性を維持しつつ動作できるという特別な認定を受けた電子部品を表す用語です。

英語のradiation toleranceとradiation-tolerantは密接に関連する表現ですが、技術的な文脈とマーケティング上の文脈では使い方が異なります。

radiation toleranceは、システム、部品、材料が電離放射線にどの程度耐えられるかという測定可能な能力、つまり「放射線耐性」そのものを指します。この能力は、電離粒子の影響を軽減する設計手法や認定プロセスによって実現されます。そのため、radiation toleranceは通常、仕様やパフォーマンス基準について述べる際に使われます。たとえば、「マイクロンのメモリソリューションは、TIDおよびSEE試験に基づいて放射線耐性（radiation tolerance）の認定を受けています」のように使用されます。

一方、radiation-tolerantは、放射線耐性を備えた製品やテクノロジーを表す形容詞的な表現です。たとえば、「マイクロンは放射線耐性を備えた（radiation-tolerant）SLC NANDフラッシュを新たに発売しました」のように使用されます。radiation-tolerantは工学やマーケティングの分野で広く使用されていますが、単一の国際標準化機関によって正式に定義されているわけではありません。その意味は文脈によって異なる場合があり、米国航空宇宙局（NASA）や欧州宇宙機関（ESA）をはじめとするさまざまな組織では、それぞれ異なるしきい値や認定基準を適用していることもあります。

一方、マイクロンにおけるradiation-tolerantは、一般に認められた規格に準拠した具体的かつ厳格な認定プロセスをいいます。これには、NASAのPEM-INST-001レベル2フロー、TIDに関するMIL-STD-883 TM1019 Condition D、SEEに関するASTM F1192/JESD57に基づく拡張試験およびスクリーニングプロトコルが含まれます。こうした規格に準拠することで、マイクロンのradiation-tolerantなコンポーネントは、宇宙および防衛環境で求められる信頼性要件を満たしています。

放射線耐性はなぜ重要なのですか？

宇宙、高高度飛行、原子力施設など、遠隔地や過酷な環境に配備される電子機器は、極限の条件に耐えられなければなりません。こうした条件には、振動、真空環境、温度変化、放射線への曝露などがあります。

従来の電子機器だと、太陽高エネルギー粒子や銀河宇宙線による電離放射線に長時間さらされると劣化する可能性があります。放射線耐性を備えた電子機器は、ミッションを確実に成功させるうえで不可欠です。放射線耐性があることで、そのような脅威の存在する環境でも、インテリジェントプラットフォームが安全かつ安定して動作できるようになります。

放射線耐性はどのように実現されますか？

放射線耐性を備えた部品は、主に以下の3種類の放射線影響に耐えられることを確認するための試験と認定を受けています。

• 総電離線量（TID）：長期間の放射線曝露による累積的な損傷で、半導体のパフォーマンスを低下させます。
• 単一事象効果（SEE）：単一の高エネルギー粒子がデバイスに衝突することで発生する突発的な障害で、データ破損や機能エラーにつながる可能性があります。
• 変位損傷：粒子によって原子が変位することで半導体格子内に生じる構造的損傷で、長期的な信頼性に影響を及ぼす可能性があります。

放射線耐性を実現するため、メーカーは特殊な材料、設計手法、厳格な試験プロトコルを組み合わせて使用します。具体的には、次のようなものがあります。

• シリコンオンインシュレーター（SOI）やシリコンゲルマニウム（SiGe）などの放射線耐性強化材料は、放射線曝露による電荷蓄積や劣化の影響を受けにくい特性を備えています。
• バックアップ回路、自動エラー訂正、損傷の拡大を防ぐための重要領域の隔離など、堅牢な回路設計手法。
• プロセスレベルでの耐性強化とシールドにより、放射線がデバイスのパフォーマンスに及ぼす影響を低減します。

マイクロンにおけるradiation-tolerantとは何を意味しますか？

市販のプラスチック封止マイクロ回路（PEM）を含む放射線耐性を備えた部品の多くは、総電離線量（TID）、単一事象効果（SEE）、変位損傷に耐えられるよう設計されていますが、そもそも宇宙や防衛分野の過酷な環境向けに設計されているわけではありません。

マイクロンにおけるradiation-tolerantは、業界標準を上回るものです。マイクロンにおけるradiation-tolerantとは、単に放射線耐性を備えているだけでなく、宇宙および防衛環境での信頼性を確保するために、TID、SEE、NASAおよび軍用プロトコルに準拠した拡張試験などの厳格な宇宙用途向け認定基準を満たしていることを意味します。

マイクロンのradiation-tolerant認定プロセスには、次の内容が含まれます。

• NASAのPEM-INST-001レベル2フローに準拠した、拡張品質試験およびパフォーマンス試験、ならびに広範な部品スクリーニング。これには、温度サイクル試験、欠陥検査、590時間の動的バーンインなどがあります。
• MIL-STD-883 TM1019 Condition Dに準拠したTID試験により、軌道上で受けるガンマ線への耐性を評価します。
• SEE試験では、米国材料試験協会（ASTM）F1192および電子デバイス技術合同協議会（JEDEC）規格JESD57に準拠し、高エネルギー粒子が半導体に及ぼす影響を評価します。

上記の基準により、マイクロンのコンポーネントは放射線耐性を備えているだけでなく、宇宙用途向けとしても認定されており、ミッションクリティカルなアプリケーションに必要な信頼性を提供します。

放射線耐性を備えた電子機器の歴史とはどのようなものですか？

電子機器が宇宙、軍事区域、原子力施設などの高放射線環境で確実に動作する必要性が高まってきたことを背景として、放射線耐性を備えた電子機器は、数十年にわたるイノベーションとともに進化してきました。

• 1960年代～1970年代、初期の宇宙ミッション：宇宙探査の初期には、放射線耐性がきわめて重要な要件として浮上しました。NASAや防衛機関は、宇宙線に耐えられるよう、市販の電子機器に基本的なシールドや冗長性を加えて活用し始めました。こうした初期のシステムは、耐放射線強化設計の原則の基盤となりました。
• 1980年代～1990年代、耐放射線強化コンポーネント：衛星技術や防衛技術が成熟するにつれ、メーカーは放射線への耐性を高める目的で専用設計された、耐放射線強化（rad-hard）コンポーネントの製造を開始しました。このチップは、総電離線量（TID）や単一事象効果（SEE）に耐えられるよう、特殊な材料とレイアウトを使用して設計されました。しかし、古い技術や先端的ではない技術が使用されることも多く、パフォーマンス面では市販部品に後れを取る場合がありました。また、特殊な製造工程と限られた生産量のため、コストも大幅に高くなりました。
• 2000年～2010年、COTSのアップスクリーニング：コストを削減し、パフォーマンスと入手性を高めるため、エンジニアは市販の既製部品（COTS）のアップスクリーニング、つまり放射線環境向けの試験と認定を行うようになりました。このアプローチは低コストでしたが、ばらつきやライフサイクル上のリスクも伴いました。
• 2010年代～現在、設計段階での耐放射線強化（RHBD）：RHBD手法は、放射線耐性をチップアーキテクチャーに直接組み込むことで、この分野に大きな変革をもたらしました。これにより、宇宙・防衛ミッション向けに、パフォーマンスの向上、軽量化、信頼性の向上を実現するシステムオンチップ（SoC）ソリューションの開発が可能になりました。 
• 2020年代～、現代の宇宙用途向け認定メモリ：現在では、マイクロンをはじめとする企業が、宇宙用途向けに認定された放射線耐性（rad-tolerant）メモリを提供しています。このメモリは、MIL-STD-883、ASTM F1192、JESD57などの厳格な規格を満たすよう設計されています。このソリューションは、AIを活用したエッジコンピューティングと軌道上での自律的な意思決定を支え、インテリジェントでレジリエントな宇宙システムの新たな時代を切り拓きます。

放射線耐性を備えたデバイスやシステムはどのように活用されていますか？

従来の電子機器だと電離放射線によって性能が損なわれる可能性がある環境で信頼性の高い動作を実現するには、放射線耐性が不可欠です。放射線耐性を備えた部品やシステムは、ミッションクリティカルなアプリケーションで幅広く使用されています。

宇宙探査と衛星システム

宇宙線や太陽粒子がデータの完全性やシステムの安定性に絶えず脅威をもたらす軌道上でも、放射線耐性を備えた電子機器は安定したパフォーマンスを維持します。

軍事・防衛用電子機器

防衛プラットフォームでは、高高度や核の影響を受けやすい区域において、安全な通信、監視、航法を実現するために、放射線耐性を備えた部品が使用されます。

高高度用航空電子機器

高高度を飛行する航空機は、より高いレベルの放射線に曝露されます。放射線耐性を備えた航空電子機器は、こうした条件下でも飛行の安全性とシステムの信頼性を維持します。

原子力インフラ

原子力施設の制御システムは、通常時と緊急時のいずれにおいても、安全な運転を確保し、システム障害を防ぐために、放射線曝露に耐える必要があります。

産業用およびIoTアプリケーション

放射線耐性を備えたデバイスは、原子炉付近や航空宇宙製造の現場など、過酷な環境に配備される産業用オートメーションやリモートセンシングシステムで、ますます広く使用されています。