Les puces durcies : calculer sous la pluie de particules
Le cerveau du robot Perseverance tourne à 200 MHz, sur une architecture des années 1990. Ce n'est pas un retard : c'est le prix à payer pour qu'un ordinateur survive dans l'espace.
Le robot Perseverance, sur Mars depuis 2021, réfléchit avec un processeur cadencé à 200 MHz au plus, d'une architecture dérivée du PowerPC 750 des années 1990. Selon la NASA, c'est dix fois plus rapide que l'ordinateur de Spirit et Opportunity, mais très loin d'un téléphone actuel, dont les processeurs tournent à plusieurs gigahertz. Ce choix n'a rien d'une économie : hors de la protection de l'atmosphère et du champ magnétique terrestre, un circuit électronique est traversé en permanence par des particules capables de fausser un calcul, ou de le détruire.
Deux façons de souffrir des radiations
Les spécialistes distinguent deux familles d'effets. Les événements singuliers sont causés par une seule particule très énergétique, un proton ou un noyau lourd venu du Soleil ou de la galaxie. En traversant le silicium, elle laisse derrière elle une traînée de charges électriques. Si cette charge suffit à faire basculer un transistor de mémoire, un 0 devient un 1 : c'est un « basculement de bit », sans dommage durable mais avec un résultat faux. Plus grave, la particule peut déclencher un court-circuit parasite, le verrouillage (latch-up), qui peut griller le composant si l'on ne coupe pas l'alimentation à temps.
La dose cumulée, elle, agit lentement. Chaque rayonnement ionisant piège un peu de charge dans les fines couches d'oxyde des transistors, dont le comportement dérive au fil des mois jusqu'à la panne. On la mesure en rads (ou en grays : 1 Gy = 100 rad).
Le RAD750, vétéran des missions martiennes
Le RAD750 de BAE Systems est le symbole de cette électronique « durcie ». Selon sa fiche technique, la version la plus robuste, gravée à 0,15 micromètre, encaisse une dose cumulée de 1 million de rads, est insensible au verrouillage, et ses erreurs de bit restent sous 1{,}6 \times 10^{-10} par bit et par jour en orbite géostationnaire. Le nombre moyen d'erreurs attendu se calcule simplement : N \approx \lambda \, n \, t, avec \lambda ce taux, n le nombre de bits exposés et t la durée. Pour un million de bits, cela fait une erreur tous les dix-sept ans environ.
Les premiers RAD750 ont volé en 2005, à bord de Deep Impact et de Mars Reconnaissance Orbiter ; le constructeur en compte 28 autres lancés depuis. Curiosity, arrivé sur Mars en 2012, et Perseverance en emportent chacun deux, dans deux ordinateurs identiques : l'un travaille, l'autre attend. Cette précaution a servi. Le 28 février 2013, une corruption de la mémoire flash de l'ordinateur principal de Curiosity a conduit l'équipe à basculer sur l'ordinateur de secours.
Durcir : le matériau, le dessin, la redondance
Il n'existe pas de remède unique, mais un empilement de parades. La première porte sur la fabrication : procédés spéciaux, substrats isolants, transistors plus gros et donc moins sensibles. La deuxième porte sur le dessin des circuits, avec des cellules de mémoire renforcées.
La troisième est logique. Les codes correcteurs d'erreurs (ECC) ajoutent à chaque mot de mémoire quelques bits de contrôle qui permettent de détecter et de corriger un bit basculé ; la mémoire est relue périodiquement pour effacer les erreurs avant qu'elles s'accumulent. La triple redondance fait exécuter le même calcul par trois copies et retient le résultat majoritaire. Si chaque copie se trompe avec une probabilité p, le vote échoue seulement quand deux copies au moins se trompent, soit une probabilité 3p^2 - 2p^3 : pour p = 10^{-3}, on tombe à environ 3 \times 10^{-6}.
Reste le blindage. La sonde Juno, autour de Jupiter, abrite ses circuits dans un coffre aux parois de titane d'environ un centimètre d'épaisseur ; celui d'Europa Clipper est fait de plaques d'alliage d'aluminium et de zinc de 9,2 millimètres.
Pourquoi le matériel ancien domine encore
Qualifier un processeur pour l'espace demande des années d'essais sous faisceaux de particules, pour un marché minuscule. Un composant qui a fait ses preuves en vol est précieux : cet « héritage » vaut plus que quelques mégahertz. Les finesses de gravure des puces grand public posent en outre leurs propres problèmes, car une charge plus faible suffit à faire basculer un transistor plus petit.
Le rattrapage est en cours. En 2022, la NASA a confié à Microchip Technology un contrat de 50 millions de dollars pour un processeur jusqu'à 100 fois plus puissant que les calculateurs spatiaux actuels. Cette puce, appelée HPSC, assemble huit cœurs de calcul d'architecture ouverte RISC-V ; sa version durcie est donnée pour 100 000 rads. Ses essais en radiation, en température et en chocs ont commencé en février 2026.
Et sur Terre ?
Le rayonnement cosmique atteint aussi le sol, atténué : ses particules secondaires, surtout des neutrons, sont plus nombreuses en altitude. Avions de ligne, serveurs équipés de mémoire à correction d'erreurs, voitures, accélérateurs de particules et centrales nucléaires appliquent les mêmes recettes. La marche « Silicium Endurci » (voir la marche F-INT-10) vise des calculateurs d'IA capables de survivre un siècle ; sur Terre, ils permettraient aux petits satellites de détecter un incendie ou une inondation à bord et de n'envoyer au sol que l'alerte.
Une sonde vers Alpha du Centaure devra calculer pendant des décennies, sans réparation possible et loin de toute aide. La question ouverte est de savoir s'il vaut mieux des puces lourdement durcies, ou des puces modernes surveillées par un logiciel capable de détecter ses propres erreurs et de se réparer.