Le rôle crucial des composants semi-conducteurs dans les missions spatiales :
Depuis le lancement du premier satellite américain, Explorer 1, à bord du missile Jupiter-C, les composants Microchip ont démontré leur fiabilité dans l’espace, répondant aux normes rigoureuses de radiation et de fiabilité.
Le rôle des composants semi-conducteurs dans les missions spatiales a débuté avec les dispositifs de contrôle de fréquence, essentiels aux premières missions. Le contrôle de fréquence, notamment grâce aux oscillateurs à cristal de quartz, aux oscillateurs à ondes acoustiques de surface commandés en tension (VCSO) ou aux horloges atomiques, est fondamental pour l’électronique des missions spatiales. Il garantit la précision de la transmission et de la réception des signaux, la stabilité des communications, l’intégrité des données et la synchronisation du système. Ces composants ont été indispensables au succès de la première mission spatiale américaine en 1958 et ont posé les bases d’une fiabilité éprouvée dans l’espace. L’alunissage d’Apollo 11 en 1969, l’un des plus grands exploits de l’humanité, a également reposé sur ces technologies. Microchip a fourni un soutien critique en matière de communications au sein du module lunaire d’Apollo 11 sur la surface lunaire.
Les oscillateurs au rubidium, à ondes acoustiques de surface (SAW) et à quartz sont utilisés dans davantage de communications militaires, de stations terrestres satellitaires et d'applications de test et de mesure que toute autre référence de fréquence de précision au monde.

La mission Voyager 1, à ce jour l'objet fabriqué par l'homme le plus éloigné de la Terre, a démontré une fois de plus les performances exceptionnelles des semi-conducteurs dans l'espace. L'électronique de Voyager 1 comprenait une combinaison de circuits intégrés logiques TTL (Time-to-Live) et CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), des composants analogiques, des puces mémoire et des semi-conducteurs conçus sur mesure pour répondre aux exigences du vaste espace. L'ordinateur principal de Voyager 1 utilisait un processeur (unité centrale de traitement) spécialement conçu pour le vaisseau spatial par la NASA, le SPS-8. Les puces logiques TTL étaient alors un type courant de circuit intégré numérique, tandis que la plupart des circuits intégrés semi-conducteurs sont aujourd'hui basés sur la technologie CMOS.

Ces dernières années, les technologies des semi-conducteurs ont joué un rôle fondamental dans l'exploration de Mars. Les rovers Curiosity et Perseverance, qui ont fourni des informations inestimables sur la planète rouge, dépendent de ces composants pour fonctionner dans l'environnement martien extrême. Le rover martien, et plus précisément le rover Perseverance, contient plusieurs composants de Microchip Technology. Parmi ceux-ci figurent des microcontrôleurs utilisés pour divers systèmes de contrôle et tâches de traitement des données, ainsi que des circuits intégrés de gestion de l'énergie, essentiels pour une alimentation électrique efficace des différentes parties du rover. Tous ces composants sont résistants aux radiations, garantissant ainsi la résistance de l'électronique aux conditions extrêmes de l'environnement spatial. Ces composants sont indispensables au fonctionnement du rover et lui permettent de mener à bien ses missions scientifiques sur Mars.
Concernant l'exploration lunaire, la mission Chandrayaan-3, la troisième mission lunaire indienne, a également utilisé plusieurs composants semi-conducteurs. Ces composants, tels que les FPGA résistants aux radiations (RT), sont essentiels à la réussite de la mission, permettant la communication, la navigation et les expériences scientifiques à la surface lunaire.
Les missions Artemis en cours, qui visent à renvoyer des humains sur la Lune et, à terme, à les envoyer sur Mars, reposent également sur les performances et la fiabilité éprouvées des technologies des semi-conducteurs.

L'importance de la fiabilité et des performances dans les programmes spatiaux.
Dans l'environnement hostile de l'espace, la fiabilité et les performances sont non seulement importantes, mais absolument essentielles. Les composants semi-conducteurs sont au cœur des missions spatiales modernes ; ils alimentent tout, des satellites et rovers aux systèmes de communication et stations spatiales. Compte tenu des conditions extrêmes qui y règnent (températures extrêmes, rayonnement intense et vide spatial), les composants doivent fonctionner parfaitement pendant de longues périodes. La moindre défaillance d'un semi-conducteur pourrait compromettre la mission, soulignant ainsi l'importance cruciale de sélectionner des composants extrêmement fiables.

Le défi des radiations spatiales :
L’espace est saturé de radiations intenses, potentiellement dévastatrices pour les composants électroniques. Ces radiations peuvent dégrader les matériaux, provoquer des pannes électriques et corrompre les données transmises. Par exemple, le rayonnement solaire, hors de l’atmosphère terrestre, peut exposer les composants à des particules énergétiques susceptibles de provoquer des incidents ponctuels (SEU) ou des dommages dus à une dose totale de radiation.
Pour relever ces défis, des techniques avancées de durcissement aux radiations sont mises en œuvre, notamment l’utilisation de matériaux spécialisés, tels que les semi-conducteurs durcis aux radiations, et des modifications de conception visant à réduire la vulnérabilité aux radiations. Par exemple, les microprocesseurs spatiaux utilisés dans les ordinateurs de bord sont souvent conçus pour résister aux radiations (RHBD) afin qu’une défaillance n’entraîne pas l’arrêt complet du système.
Tests d’endurance pour simuler les conditions spatiales :
Outre la résistance aux radiations, les entreprises ayant une longue expérience des missions spatiales ont développé des processus de test et de qualification rigoureux garantissant la fiabilité et les performances de leurs composants. Ces tests vont bien au-delà des contrôles qualité standard en production. Les semi-conducteurs de qualité spatiale subissent des tests de cyclage thermique poussés, simulant les importantes variations de température dans l'espace, de la chaleur intense du Soleil au froid glacial du cosmos. À titre d'exemple, les tests effectués par la NASA sur les composants du rover Perseverance sur Mars, soumis à des variations de température de -55 °C à 125 °C, exigent des composants capables de résister à de telles conditions extrêmes sans défaillance.
Les composants subissent également des tests de vibration afin de simuler les contraintes et vibrations rencontrées lors du lancement. Les forces considérables générées lors des lancements de fusées sont sans précédent sur Terre ; les composants semi-conducteurs doivent donc pouvoir résister à ces conditions sans que leur intégrité ne soit compromise. Par exemple, lors de la mission Apollo 11, des composants électroniques critiques ont subi des tests de vibration pour garantir leur résistance aux puissantes forces du lancement, contribuant ainsi au succès de l'alunissage.

Fiabilité à long terme : exemples tirés de l'histoire spatiale.
Les missions spatiales exigent des composants qui non seulement fonctionnent pendant la mission, mais aussi de manière fiable au fil du temps. La sonde Voyager 1, lancée en 1977, illustre parfaitement l'importance cruciale de la fiabilité pour les missions de longue durée. Après plus de 40 ans dans l'espace, elle communique toujours avec la Terre grâce à des composants semi-conducteurs durcis aux radiations et rigoureusement testés pour résister aux conditions extrêmes.
Autre exemple : la Station spatiale internationale (ISS), qui repose sur de nombreux systèmes à semi-conducteurs pour maintenir les systèmes de survie, mener des expériences scientifiques et assurer les communications. L'ISS est constamment exposée au rayonnement intense de l'espace, avec des températures allant de +121 °C (face au Soleil) à -157 °C (à l'ombre), et pourtant, ses composants semi-conducteurs doivent fonctionner de manière fiable jour après jour.

L'avenir des composants semi-conducteurs dans l'espace :
Avec l'essor des constellations en orbite terrestre basse (LEO) et la commercialisation croissante de l'espace, l'industrie spatiale continue d'évoluer, entraînant une demande accrue en composants semi-conducteurs fiables et performants. Les nouvelles initiatives spatiales requièrent des composants capables de relever des défis uniques, alliant haute fiabilité, innovation et rentabilité.

Un marché spatial en pleine expansion

L'utilisation accrue de composants sur étagère (COTS) est une tendance croissante dans l'industrie spatiale. Ces composants, disponibles immédiatement, constituent une solution économique pour les missions spatiales. Le réseau de satellites Starlink exploite ces composants pour réduire les coûts et accélérer la production. De nombreux systèmes électroniques embarqués, notamment pour les systèmes non critiques, reposent sur ces composants, peu coûteux et rigoureusement sélectionnés pour leur fiabilité en environnement spatial.

Le lanceur européen Ariane, développé conjointement par l'ESA (Agence spatiale européenne) et le CNES (Agence spatiale française), en est un parfait exemple. Ariane 5 (1985) était équipé d'un processeur central Sparc durci de classe QML, logé dans un boîtier hermétique, et d'un réseau 1553 pour la communication entre tous les systèmes de la fusée. La version la plus récente, Ariane 6 (2024), intègre désormais un processeur COTS basé sur l'architecture Arm®, avec un boîtier en plastique et une interface Ethernet pour la communication. Il s'agit également d'une norme industrielle largement adoptée, contrairement à la technologie spatiale et militaire spécifique utilisée dans Ariane 5.
Cependant, pour les systèmes à haute fiabilité qui doivent maintenir des performances élevées en matière de communications spatiales, les composants COTS doivent être adaptés et certifiés, ce qui requiert une expertise pointue. Les entreprises souhaitant pénétrer le marché spatial ou passer des nouvelles missions spatiales à l'espace lointain devraient collaborer avec des fabricants de semi-conducteurs ayant une solide expérience en vol spatial, capables de moderniser les composants COTS afin de répondre aux exigences rigoureuses des missions spatiales.

Découvrez comment la trajectoire de vol consolidée ouvre la voie à une nouvelle ère d'accessibilité et de collaboration dans les applications spatiales

Microchip offre à ses clients une transition simplifiée des composants COTS vers des composants qualifiés pour l'espace. Cette approche propose des solutions évolutives et personnalisables, adaptées aux exigences spécifiques de chaque mission. Cette flexibilité est essentielle dans l'industrie spatiale, un secteur dynamique et en constante évolution où de nouvelles technologies et de nouveaux profils de mission émergent continuellement. En facilitant la commercialisation et l'exploration spatiales, Microchip contribue à un accès plus large aux technologies et innovations spatiales.
À court terme, l'avenir des semi-conducteurs dans l'espace peut être envisagé comme une combinaison de plusieurs stratégies : l'amélioration des composants COTS, la mise à profit de notre expérience des vols spatiaux avec des versions de produits sub-QML afin de réduire les critères de sélection, les coûts et les délais de livraison, et la personnalisation des processus de fabrication pour répondre aux exigences spécifiques de chaque profil de mission.
En combinant ces approches, nous continuerons à garantir un avenir robuste et adaptable pour les semi-conducteurs dans l'espace.

En conclusion
, les composants semi-conducteurs sont essentiels au succès des missions spatiales, car ils garantissent la fiabilité et les performances nécessaires dans l'environnement extrême de l'espace.
Avec l'évolution constante du secteur spatial, la demande en composants semi-conducteurs fiables et performants ne fera que croître.

Auteur : Nicolas Ganry, responsable marketing senior de la division aérospatiale et défense de Microchip Technology