Von Artemis II bis in den Weltraum: Warum Chips für den Weltraumeinsatz für extremste Bedingungen ausgelegt sein müssen

Als die Mission „Artemis II“ zum ersten Mal seit mehr als 50 Jahren Astronauten über die erdnahe Umlaufbahn hinaus beförderte, markierte dies einen weiteren Meilenstein in der Erforschung des Weltraums durch den Menschen. Doch Missionen wie diese sind nur dank Elektronik möglich, die in einer der unerbittlichsten Umgebungen, die man sich vorstellen kann, einwandfrei funktioniert.

Navigations-, Kommunikations- und Lebenserhaltungssysteme für die moderne Raumfahrt sind alle auf Halbleiter angewiesen. Auch die Halbleiterindustrie stößt an neue Grenzen. Da die Ambitionen über Mondmissionen hinaus in Richtung Weltraumforschung und Satellitenkonstellationen reichen, beginnen Unternehmen damit, die Chipfertigung im Weltraum zu erforschen, wobei sie die Mikrogravitation und die natürlichen Vakuumbedingungen nutzen, um die Produktion zu verbessern.

Doch während die Halbleiterfertigung „im Weltraum“ noch in den Kinderschuhen steckt, besteht die unmittelbare Herausforderung darin, sicherzustellen, dass die Chips den brutalen Bedingungen im Weltraum standhalten.

Die Realität des Weltraums: Der Stresstest für Silizium

Sobald eine Rakete die Startrampe verlässt, ist die Elektronik extremen und oft unvorhersehbaren Bedingungen ausgesetzt; die Temperaturen können stark schwanken, die Strahlenbelastung ist um ein Vielfaches höher als auf der Erde, und die Vakuumumgebung führt zu besonderen Materialbelastungen. Anders als bei irdischen Systemen gibt es keine Möglichkeit zur Reparatur oder zum Austausch, sobald die Hardware im Einsatz ist.

Herkömmliche handelsübliche Chips, wie sie beispielsweise in Smartphones, intelligenten Kühlschränken oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen, sind für eine derartige Belastung nicht ausgelegt. Allein die Strahlung kann vorübergehende Störungen verursachen, Materialien mit der Zeit zersetzen oder Schaltkreise sogar dauerhaft beschädigen. Über die gesamte Missionsdauer hinweg summieren sich diese Auswirkungen und gefährden letztendlich die Zuverlässigkeit des Systems und den Erfolg der Mission.

Aus diesem Grund erfordert die Raumfahrt einen grundlegend anderen Ansatz beim Design und bei der Fertigung von Halbleitern, der auf Robustheit, Vorhersehbarkeit und Vertrauen basiert. GlobalFoundries begegnet dieser Designherausforderung direkt mit einem Technologieportfolio, das sich hervorragend für „Radiation-Hardened-by-Design“-Techniken (RHBD) eignet. GF erforscht und entwickelt zudem technologische Knotenpunkte, die durch den Prozess strahlungsgehärtet (RHBP) sind, indem es Dotierungsimplantationen optimiert oder die Substratmaterialien technisch so gestaltet, dass Strahlungsleistungsmetriken wie die Gesamtionisationsdosis (TID) und Einzelereigniseffekte (SEE) weiter verbessert werden. Diese Bemühungen ermöglichen Elektronik, die unter anhaltender Strahlenbelastung zuverlässig funktioniert. Diese Grundlage ist es, die es Raumfahrtsystemen ermöglicht, auch lange nach dem Start fehlerfrei zu funktionieren.

Strahlungsbeständige Konstruktion zur Gewährleistung der Widerstandsfähigkeit im Kern

RHBD-Techniken sind unerlässlich, um sicherzustellen, dass Chips den rauen Bedingungen im Weltraum standhalten können. Anstatt sich ausschließlich auf Abschirmung zu verlassen, integriert RHBD die Widerstandsfähigkeit direkt in die Chiparchitektur.

Durch Designtechniken wie Redundanz, Berücksichtigung der räumlichen Anordnung und robuste Strategien zur Fehlerminderung ermöglicht RHBD den weiteren Betrieb von Halbleitern, selbst wenn diese strahlungsbedingten Störungen ausgesetzt sind. Diese Ansätze ermöglichen es Entwicklern, Fehler zu antizipieren und zu mindern, bevor sie sich ausbreiten, und gewährleisten so eine konstante Leistung in missionskritischen Systemen. Von niedrigen Erdumlaufbahnen und geosynchronen Umlaufbahnen bis hin zu Sonden im Weltraum erfordern verschiedene Weltraummissionen maßgeschneiderte Ansätze, um Leistung, Energieverbrauch und Langlebigkeit in Einklang zu bringen, doch RHBD spielt weiterhin eine zentrale Rolle dabei, sicherzustellen, dass Chips während der gesamten Missionsdauer nicht ausfallen oder sich von Ausfällen erholen können.

Warum Sicherheit eine unverzichtbare Voraussetzung ist

In der Luft- und Raumfahrt sowie in Verteidigungsanwendungen ist Sicherheit ebenso entscheidend wie Leistung. Halbleiter, die im Weltraum eingesetzt werden, versorgen häufig sensible Systeme mit Strom, darunter Kommunikationsinfrastrukturen und Einrichtungen der nationalen Sicherheit. Die Gewährleistung, dass diese Chips in vertrauenswürdigen, sicheren Umgebungen hergestellt werden, ist unerlässlich, um Manipulationen zu verhindern, geistiges Eigentum zu schützen und die Integrität der Mission zu wahren.

Als akkreditierte „Trusted Foundry nach den Common Criteria zertifizierter Lieferant sorgt GlobalFoundries in jeder Phase der Fertigung für strenge Prozesse, strenge Kontrollen und die Einhaltung aller Vorschriften. Dies gewährleistet, dass die Chips sicher und in einwandfreiem Zustand geliefert werden – eine entscheidende Anforderung für Kunden, die in risikoreichen Umgebungen und kritischen Endanwendungen tätig sind.

Förderung einer differenzierten Fertigung auf globaler Ebene

Um den Anforderungen an Elektronik in Weltraumqualität gerecht zu werden, ist zudem Flexibilität über verschiedene Technologien und Regionen hinweg erforderlich. Die weltweite Produktionspräsenz von GF ermöglicht ein vielfältiges Portfolio an Halbleiterlösungen, die für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung und anderen kritischen Infrastrukturbereichen optimiert sind.

In seinen weltweiten Fertigungsstätten unterstützt GF anwendungsspezifische Wafer-Technologien, die fortschrittliche Knotenpunkte für Hochleistungsverarbeitung, HF-Integration und energieeffiziente Plattformen umfassen. Dies ermöglicht es den Kunden, die richtige Technologie auf die jeweilige Anwendung abzustimmen, ohne dabei Kompromisse bei Qualität oder Skalierbarkeit eingehen zu müssen.

In den USA baut das GF-Werk in Malta, New York, seine Produktion mit fortschrittlichen Plattformen wie ^FDX® FD-SOI, 45SOI und FinFET aus und unterstützt damit Anwendungen von sicherer Kommunikation bis hin zu Edge-Computing. Ebenfalls am Standort Malta in der Entwicklung befindet sich die FinFET-RHBP-Technologie, die Vorago ^HARDSIL® integriert, um die TID- und SEE-Leistung unseres 12-nm-FinFET-Knotens weiter zu verbessern. Unser Werk in Burlington, Vermont, ist das Herzstück der Führungsposition von GF im Bereich Power und RF, wobei Galliumnitrid (GaN) und Hochspannungs-GaN-on-Silicon-Technologien die nächste Generation von Radar-, Satelliten- und autonomen Systemen antreiben. Die Fabriken von GF in Singapur und Dresden sind international für ihre sichere, hochintegrierte Fertigung unter Common-Criteria-Zertifizierung anerkannt.

Zusammen gewährleistet diese weltweite Fertigungskompetenz, dass Kunden den gesamten Produktlebenszyklus sicher durchlaufen können – gestützt auf die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und das Vertrauen, die für missionskritische Anwendungen in der Raumfahrt und darüber hinaus erforderlich sind.

Innovation durch Partnerschaften im Ökosystem vorantreiben

Kein Unternehmen kann die Herausforderungen der Raumfahrt allein bewältigen. Deshalb pflegt GlobalFoundries ein Netzwerk von Partnern, die strahlungsfeste Lösungen auf GF-Plattformen vorantreiben.

Die 12-LP-FinFET-Plattform von GF mit prozessbasierter Strahlungsfestigkeit (RHBP) wird in enger Zusammenarbeit mit Northrop Grumman Space Systems und Vorago Technologies entwickelt, um das Portfolio von GF für Kunden zu erweitern, die strahlungsfeste Lösungen benötigen. Die Plattform umfasst Prozessverbesserungen, die die elektrische Grundleistung der Designs erhalten, sodass Entwickler vorhandenes IP nutzen und gleichzeitig eine deutlich verbesserte Strahlungsfestigkeit erzielen können.

Vor kurzem stellte BAE Systems sein Raumfahrzeug „Ascent“ vor, das durch fortschrittliche Manövrierfähigkeiten – darunter Betankung und Antrieb mit hohem Schub – dynamische Weltraumoperationen unterstützen und gleichzeitig mehrere Mitfluggut-Nutzlasten transportieren soll. Im Mittelpunkt dieser Innovation steht die Zusammenarbeit von BAE Systems mit GF. Die Storefronts 12S0 und ^RH12™ von BAE, die auf den 45SOI- bzw. FinFET-Plattformen von GF basieren, bieten einen schlüsselfertigen Weg zur Entwicklung maßgeschneiderter, von Grund auf strahlungsgehärteter (RHBD) Lösungen. Dieser Ansatz verbindet die Leistung und Effizienz fortschrittlicher kommerzieller Technologie mit der für Weltraumanwendungen erforderlichen Robustheit.

Das Ergebnis ist eine leistungsstarke Kombination aus Hochleistungsverarbeitung, sicherer Konnektivität, geringem Stromverbrauch und hoher Zuverlässigkeit in einem kompakten, anpassbaren Design. Diese Partnerschaften innerhalb des Ökosystems beschleunigen den Weg vom Konzept bis in den Orbit, ermöglichen eine agilere Entwicklung, verringern Programmrisiken und stellen sicher, dass Weltraumsysteme der nächsten Generation auch unter anspruchsvollsten Bedingungen einsatzbereit sind.

Die Bedürfnisse von heute mit den Möglichkeiten von morgen verbinden

Die Vision, Halbleiter im Weltraum herzustellen, könnte die Branche letztendlich grundlegend verändern und neue Horizonte in Bezug auf Leistung und Materialien eröffnen. Doch da diese Zukunft noch in den Kinderschuhen steckt, zeigen Missionen wie Artemis II, dass der Erfolg heute von etwas weitaus Dringenderem abhängt: von Silizium, das den rauen Bedingungen im Weltraum standhält.

Der entscheidende Faktor ist derzeit nicht, wo Chips hergestellt werden, sondern wie robust sie gebaut sind. Zuverlässige, sichere und strahlungsgehärtete Halbleiterlösungen – wie jene, die mit GF-Technologien hergestellt werden – bilden nach wie vor die Grundlage für die Einsatzbereitschaft und gewährleisten, dass jedes System in kritischen Situationen störungsfrei funktioniert.

Durch die Kombination von fortschrittlicher Fertigung, einer sicheren globalen Lieferkette und einer engen Zusammenarbeit innerhalb des Ökosystems ebnet GF den Weg für die nächste Generation von Innovationen in der Raumfahrt. Da die Erforschung des Weltraums über die Erdumlaufbahn hinaus immer weiter voranschreitet, wird der Weg in die Zukunft von der Robustheit der Technologien bestimmt, die diese Reisen erst möglich machen.

Afusat Dirisu ist stellvertretende Leiterin des Bereichs „Space & Rad Hard, Aerospace & Defense“ bei GF. Sie verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in Industrie, Regierung und Wissenschaft. Ihre berufliche Laufbahn umfasst die Bereiche digitale Elektronik und das Design von Quantenkaskadenlasern sowie Technologieberatung, Portfoliomanagement, die Leitung von MINT-Bildungsprogrammen sowie den technischen Vertrieb und die Geschäftsentwicklung.

Sie hat einen Doktortitel in Elektrotechnik von der Princeton University, einen Master of Science in Elektrotechnik von der Stony Brook University und einen Bachelor of Science in Computertechnik von der Polytechnic University (heute NYU Tandon School of Engineering).