微电子或集成电路 (IC) 是许多前沿应用的核心，其工艺进步直接影响各种应用的创新。但在机器人、太空探索、航空航天、核电站、精密检测、医学成像、甚至环境保护和食品安全等应用中，工艺的先进性并不是全部，“辐射”是这些领域的 IC 需要解决的核心问题。辐射可能会导致机器人发生故障，使医学成像不准确，或者工业应用机器出现停转等等。
 

对于 IC 设计师来说，在所有上述应用中，宇宙空间应该说是最具挑战性的应用场景。失去地球大气层的保护，电子系统在阿尔法 ( Alpha ) 和贝塔 ( Beta ) 粒子、伽马 ( Gamma ) 和 X 射线以及银河宇宙辐射等高能（电离）辐射面前，相当脆弱，所以能够抗衡此类辐射的航空级IC 代表了防辐射IC 技术的塔尖。 

 

电离辐射有足够的能量让电子脱离轨道。如果这个电子代表存储器中的一个数位或总线接口上的一个值，该值就可能被改变或“翻转”。这种状况有多种叫法，包括单粒子效应 (SEE)、单粒子翻转或单粒子闩锁。无论具体叫什么，如果错误的数位发生翻转，例如应用代码中的指令或寄存器中的控制数位，整个系统就会崩溃。

 

 

为了在宇宙空间中运行，电子系统需要具有防范辐射风险的能力。某些 IC 制造商采用标准半导体晶圆中加入防护衬底的方式提供“ 加固 ( hardened ) ”组件。虽然抗辐射加固 IC 具有更强的耐辐射能力，但却不能彻底免疫。与此同时，因为抗辐射芯片设计要求更复杂且产量更低，因而价格也明显更加昂贵。

 

此外，即便所需要的组件可以被设计成抗辐射加固IC，因为其投产速度的滞后性，也阻碍了航天器设计人员对抗辐射加固 IC 选用。

 

在遭遇电离辐射时，除了采用抗辐射加固IC的设计方法提供抗辐射能力，设计人员还可以通过运用器件和设计方法进行检测并予以纠正。

 

这就是所谓的耐辐射。

 

这种方法的主要优势在于，可以将大量组件都制作成耐辐射组件。例如，众多存储器技术采用纠错码技术来检测和纠正存储器内的位翻转。

 

 

如果寄存器内发生了位翻转，或由存储器检索的数据在总线接口传输的过程中发生了翻转，对此类事件进行检测则极为复杂。开发者通常使用三重模块冗余技术　（triple modular redundancy，　TMR）来检测和纠正此类性质的事件。通过TMR，主要电路采用完全相同的设计提供并行三冗余，由“票决”电路比较这些相同路径的输出，按少数服从多数的原则决定输出。（参见图 1）

 

如果其中一条电路遭遇影响输出的事件，其输出将不同于其余两条电路的输出。如果只使用两条完全相同的电路进行比较，输出不同将提示有事件发生，但无法辨别具体发生在哪条电路上。

 

哪个输出是正确的？使用三条电路，可以确定正确的输出（可以进行合理假设，在两条电路上发生完全相同的 SEE 的概率基本为零）。

 

开发者随即可以采纳多数输出或重新评估设备运行。大量 OEM 厂商对自己的设计采用定制 IC，因此为了实现 TMR，他们在电路板上并行布局 IC 的三个副本并追加一个投票器 IC。

 

 

图 1：采用三模冗余的情况下，使用“票决”电路对并行的三个相同的电路开展评估，确保电路产生正确（大多数）输出。