En los últimos años ha comenzado una segunda carrera espacial para conseguir llegar a la Luna y quizás más adelante a Marte. Pero echemos la vista atrás un instante. En los años 50 del siglo pasado se inició la primera carrera espacial: fue una pugna entre los Estados Unidos y la antigua Unión Soviética. Se adelantaron los soviéticos poniendo en órbita el primer satélite, el Sputnik, y también con el primer ser humano en orbitar la Tierra, Yuri Gagarin. Al final, dicha carrera espacial culminó con la llegada a la Luna de los norteamericanos. Neil Armstrong fue el primero en pisar la Luna. La fotografía de la huella de la bota de sobre la superficie lunar en julio de 1969 supuso un hito en la historia de la humanidad, pues, por primera vez un humano ponía un pie fuera de nuestro planeta. Por cierto, la icónica imagen de la huella es de la bota de su compañero Buzz Aldrin. A este primer alunizaje le siguieron cinco más en menos de cuatro años. Sin embargo, a su vez, dicha foto selló el destino de la carrera espacial: ya se habían cumplido los objetivos políticos de ser los primeros en llegar a la Luna y, con ello, se perdió gran parte del incentivo y, por tanto, del presupuesto. Así pues, nadie pisa la Luna desde hace más de 50 años, nadie pisa la luna desde diciembre de 1972.

No obstante, como hemos apuntado al inicio, actualmente existe una nueva carrera espacial para regresar a la Luna. Esta vez los principales contendientes son, por una parte, los Estados Unidos, quizás con la colaboración de otros países y de la Unión Europea, y por la otra, China. A diferencia de la primera carrera espacial, ahora se pretende no solamente poner un pie en la Luna, sino establecerse de manera más o menos permanente en nuestro satélite mediante la creación de colonias lunares. Alcanzar este objetivo supone un reto científico-técnico enorme. Sin embargo, la tecnología disponible ahora está mucho más avanzada que la de los años 60. Valgan como ejemplo los ordenadores disponibles ahora y entonces: el ordenador que llevó a Armstrong a la Luna en la misión Apolo 11 era cientos de miles de veces menos potente que el ordenador que ahora llevamos en el bolsillo, pues, efectivamente, un teléfono móvil no es más que un ordenador que permite, entre otras muchas cosas, hacer llamadas telefónicas.

El avance de la tecnología electrónica en estas últimas cinco décadas ha sido ingente y las capacidades de ordenadores y móviles siguen aumentando año tras año. Además, el tamaño de los dispositivos electrónicos se ha visto reducido de forma drástica. El primer ordenador ocupaba una habitación entera y ahora uno mucho más potente cabe en un bolsillo. ¿Cómo ha sido posible? Pues, en parte, gracias a que se ha conseguido hacer que los elementos básicos que hacen funcionar la electrónica, los transistores, sean cada vez más y más pequeños. Los transistores vendrían a ser los ladrillos con los que se construye la electrónica actual. Con transistores más pequeños, pueden diseñarse sistemas con mayor número de ellos, lo que permite incrementar la capacidad de cálculo del ordenador o del móvil, a la vez que se reducen las dimensiones totales del dispositivo. Sin embargo, esto tiene algunos efectos no deseados como, por ejemplo, que al reducir las dimensiones de los transistores estos pueden llegar a ser más susceptibles a perturbaciones externas.

En particular, una de estas perturbaciones puede ser la radiación de origen natural. La pregunta clave es de dónde proviene esta radiación. Fundamentalmente tiene tres orígenes: los materiales de la corteza terrestre, los denominados rayos cósmicos y las impurezas de los materiales que forman los propios circuitos electrónicos. El primer tipo de radiación procede de los materiales radiactivos presentes de manera natural en las rocas; el segundo tipo son partículas cargadas provenientes del espacio exterior, mientras que el último tipo tiene su origen en los materiales con los que se construyen los circuitos electrónicos, puesto que pueden contener de forma natural pequeñas cantidades de elementos radiactivos. En los últimos años se ha trabajado en reducir dichas impurezas para que tengan poca influencia sobre los circuitos electrónicos. Por otra parte, en la Tierra, cerca del nivel del mar los rayos cósmicos afectan poco, puesto que la atmósfera nos protege de gran parte de ellos. La radiación proveniente de la corteza terrestre es de baja intensidad y no tiene efectos significativos sobre el cuerpo humano ni tampoco demasiado efecto sobre los sistemas electrónicos. No obstante, a medida que ascendemos sobre el nivel del mar dentro de la atmósfera o salimos de ella, perdemos su protección. Así pues, hay que tener en cuenta el efecto de los rayos cósmicos cuando se diseñan sistemas electrónicos críticos para la alta atmósfera o para el espacio exterior. Esto incluye satélites y naves espaciales, pero también aviones, puesto que a la altura de crucero de un avión comercial hay menos atmósfera protectora y la influencia de los rayos cósmicos es mayor.

¿Qué soluciones hay para mitigar el efecto de la radiación sobre la electrónica? Una puede ser apantallar los sistemas críticos mediante materiales que bloqueen la radiación. Sin embargo, esto tiene un grave inconveniente: en aviones, satélites y naves espaciales la masa es un factor crítico. No se puede utilizar demasiado blindaje sin comprometer la viabilidad del vehículo. La otra solución es diseñar sistemas electrónicos que sean más tolerantes a la radiación; de ello hablaremos un poco más adelante.

Llegados a este punto cabría preguntarse ¿qué tipos de efectos causa la radiación en la electrónica? Fundamentalmente, dichos efectos son de dos tipos: acumulativos y no acumulativos. Para entender sus diferencias hay que tener en cuenta que la radiación que afecta a los circuitos electrónicos está formada principalmente por partículas, como partículas alfa, partículas beta, protones o iones pesados. A medida que pasa el tiempo, dichas partículas pueden ir causando daños a un circuito y acabar provocando su fallo; son los efectos acumulativos. No obstante, existe otro mecanismo de fallo que actúa de forma inmediata, puesto que el fallo lo puede causar una única partícula si es lo suficientemente energética. Son los denominados Single Event Effects (o efectos de evento único). En ellos una única partícula cargada eléctricamente puede, por ejemplo, alterar el contenido de un bit de memoria, de forma que se comprometa el funcionamiento de todo el circuito electrónico. Si este circuito forma parte de un sistema crítico, su efecto puede llegar a ser muy grave. A diferencia de los efectos acumulativos, los Single Event Effects no tienen por qué dañar permanentemente el circuito, sino que pueden solamente corromper de forma temporal los datos que contiene.

Para paliar los efectos de la radiación en los circuitos electrónicos, se utilizan metodologías muy diversas y a menudo la solución pasa por una combinación de ellas. En particular, puede usarse redundancia, ya sea utilizando varios circuitos para hacer la misma tarea a la vez o de forma consecutiva y comparar los resultados. Otra forma de reducir errores en circuitos digitales es utilizar códigos que permitan detectar e incluso corregir los errores que se hayan producido. Finalmente, otra técnica consiste en utilizar circuitos que, por diseño, sean más tolerantes a la radiación. Para ello puede jugarse con los materiales, con la geometría de los transistores que forman los circuitos, con la disposición y las dimensiones de los componentes de los circuitos y con el diseño de los propios circuitos.

Precisamente, en el Área de Tecnología Electrónica de la UIB investigamos sobre el efecto de las radiaciones en sistemas electrónicos y, en particular, sobre cómo mitigar sus efectos mediante el diseño de circuitos más robustos. Dos de los artículos que hemos publicado sobre este tema pueden consultarse aquí y aquí.

En concreto, dichos artículos tratan sobre los efectos de la radiación en uno de los circuitos electrónicos más susceptibles a ella, las memorias RAM (Random Access Memory). Estas memorias forman parte de la práctica totalidad de dispositivos electrónicos que utilizamos hoy en día y se encargan de guardar información digital en forma de bits (unos y ceros). Cada bit se almacena en un bloque denominado celda. Una sola partícula puede afectar al contenido de una celda y alterar el bit que almacena. Nuestra investigación trata de optimizar el diseño de las celdas de un tipo específico de memoria RAM, las memorias SRAM, para reducir su susceptibilidad a la radiación. En el primero de nuestros artículos sobre este tema nos centramos en cómo optimizar las dimensiones de los transistores de una memoria SRAM para hacerla más robusta a la radiación alfa, mientras que en el segundo llevamos a cabo una comparativa de dos tipologías de celdas SRAM al irradiarlas con una mezcla (mixed field) de partículas. Dicha tarea se llevó a cabo en el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (más conocido por su sigla CERN), ubicado en la ciudad suiza de Ginebra.

Para finalizar, y retomando el tema inicial de la carrera espacial para volver a pisar la Luna, ¿podríamos ir a la Luna con nuestro móvil? El ordenador con el que se llegó a la Luna en 1969, el denominado Apolo Guidance Computer, se encargaba de hacer los cálculos para guiar la nave hasta su destino. La capacidad de cálculo de un teléfono móvil actual es abrumadoramente mayor que la necesaria para hacer dichos cálculos. Por otro lado, ¿afectarían a un móvil las radiaciones que nos encontraríamos allí y de las que hemos hablado en párrafos anteriores? Al no haber atmósfera en la Luna, el nivel de radiación es superior al de la superficie terrestre. Sin embargo, faltan estudios al respecto, pero probablemente la electrónica de consumo sí se vería afectada, aunque no de manera catastrófica. Es decir, un teléfono probablemente funcionaría, pero con el tiempo podría llegar a fallar. De hecho, la electrónica que se utiliza en los sistemas críticos destinados al espacio se diseña y se fabrica teniendo en cuenta los efectos de la radiación utilizando técnicas específicas como las expuestas.

Por cierto, por supuesto, en la Luna no hay actualmente cobertura para el móvil; veremos en un futuro.

Artículos:

• G. Torrens, A. Alheyasat, B. Alorda, S. Barceló, J. Segura, S. A. Bota, «Transistor Width Effect on the Power Supply Voltage Dependence of α-SER in CMOS 6T SRAM», IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 67, no. 5, pp. 811-817, 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/TNS.2020.2983586
• D. Malagón, G. Torrens, J. Segura, S. A. Bota, “Single Event Upsets characterization of 65 nm CMOS 6T and 8T SRAM cells for ground level environment”, Microelectronics Reliability, vol. 110, art. no. 113696, 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.microrel.2020.113696