Арктические условия окружающей среды делают электронику уязвимой сразу по нескольким причинам: здесь нужно учитывать не только низкие температуры, но и их перепад, а также ветер, влажность, обледенение, объяснил в беседе с RT доктор физико-математических наук профессор кафедры наноэлектроники РТУ МИРЭА Алексей Юрасов.
«В такой среде стандартные устройства не способны устойчиво работать, так как их параметры выходят за пределы, в которых разработчик гарантировал запуск и надёжное функционирование. На уровне микросхем проблема начинается с того, что при сильном охлаждении меняются характеристики транзисторов и других элементов схем», — отметил эксперт.
По его словам, растут пороговые напряжения, меняются токи утечки, увеличиваются задержки прохождения сигналов.
«Современные процессоры и устройства памяти рассчитаны на очень точные режимы работы, и даже небольшой сдвиг характеристик может приводить к ошибкам вычислений, сбоям интерфейсов или невозможности старта. Отдельная проблема — «холодный запуск», когда устройство должно включиться после нескольких часов нахождения на морозе и его температура уже сравнялась с отрицательной арктической температурой», — пояснил собеседник RT.
Он добавил, что в этот момент питание ещё недостаточное, генераторы частоты выходят на режим медленнее, при этом для работы электроника уже требует строго заданных уровней сигналов.
«Существенные ограничения задают и материалы конструкции. Кремний, медь, керамика, стекло, полимеры и другие материалы имеют разные коэффициенты теплового расширения. При многократных перепадах температуры это приводит к накоплению механической усталости. Со временем микродеформации превращаются в трещины, возникает отслоение под кристаллом и разрушаются контакты. Часто используемые пластиковые корпуса и компаунды при низких температурах становятся более жёсткими и хуже компенсируют возникающие напряжения», — отметил он. / Gettyimages.ru
Как рассказал специалист, устойчивость к арктическому климату достигается целым комплексом решений.
«Применяются материалы корпусов и подложек, рассчитанные на экстремальные деформации и многократные циклы охлаждения и прогрева. На первый план выходят корпуса и подложки на керамической основе, прежде всего из оксида алюминия и нитрида алюминия: они стабильнее, лучше держат герметичность и при этом эффективнее отводят тепло, что важно и зимой и летом при работе в закрытых кожухах», — добавил он.
Отмечается, что активно применяются микросхемы с нижними температурными пределами, максимально приближенными к реальной эксплуатации.
«Также оставляют дополнительные запасы по напряжению и временным параметрам, иногда снижая предельные частоты ради устойчивой работы. В силовой электронике всё большую роль играют приборы на карбиде кремния и нитриде галлия, позволяющие строить более надёжные системы питания», — разъяснил Юрасов.
Он добавил, что самое частое заблуждение — ожидание создания «волшебного арктического процессора».
«В реальности надёжность при отрицательных по Цельсию температурах обеспечивают в комплексе оптимально подобранные материалы, корпуса, монтаж, питание, алгоритм запуска и результаты испытаний. Развитие всех необходимых для этого технологий имеет колоссальное практическое значение с учётом автономной работы удалённых объектов связи, добычи и мониторинга, а также высокой стоимости ремонта», — подчеркнул собеседник RT.
Как добавил ректор РТУ МИРЭА доктор технических наук Станислав Кудж, Арктика сегодня — это не только стратегический регион России, но и мощный драйвер технологического развития.
«Именно экстремальные условия Севера формируют запрос на новые материалы, надёжную электронику, автономные энергетические системы и интеллектуальные алгоритмы управления. Решая задачи устойчивой работы техники в Арктике, мы фактически создаём технологии будущего — для промышленности, связи, транспорта и космических проектов», — пояснил он.
По его словам, для России это вопрос не только инженерной компетенции, но и технологического суверенитета, поскольку освоение Арктики невозможно без собственной сильной научной и компонентной базы.
28 февраля в России отмечают День Арктики.
Ранее россиянам объяснили, кто может получить землю по программе «Арктический гектар».