大氣中子單粒子效應(yīng)對(duì)微電子器件的影響

董玉花

本文對(duì)中子單粒子效應(yīng)的產(chǎn)生條件、中子單粒子效應(yīng)對(duì)微電子器件的影響以及對(duì)此影響的量化分析過程進(jìn)行了闡述。主要通過分析結(jié)果，給出微電子器件受中子單粒子效應(yīng)影響的薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)給出設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，通過改進(jìn)措施提高電路設(shè)計(jì)水平，保證微電子器件在使用過程中的可靠性。

【關(guān)鍵詞】大氣中子 單粒子效應(yīng) 單粒子翻轉(zhuǎn)

1 中子單粒子效應(yīng)對(duì)微電子器件產(chǎn)生影響的條件

大氣中子單粒子效應(yīng)，是指大氣中子（主要是銀河宇宙射線、太陽宇宙射線同地球外圍濃密大氣層中的氧、氮等發(fā)生核反應(yīng)生成的次級(jí)粒子）入射微電子器件（如CPU、DSP、FPGA、存儲(chǔ)器、總線控制器等）時(shí)，引起器件產(chǎn)生邏輯反轉(zhuǎn)（從邏輯“1”變成邏輯“0”或相反）、閂鎖或永久損傷的現(xiàn)象。

2 中子單粒子效應(yīng)對(duì)微電子器件產(chǎn)生影響的后果

研究表明，微電子器件是大氣中子單粒子效應(yīng)敏感器件，復(fù)雜航電系統(tǒng)會(huì)大量使用此類單粒子效應(yīng)敏感器件。巡航高度下，大氣中子輻射環(huán)境會(huì)使CPU、DSP、FPGA、存儲(chǔ)器、總線控制器等帶有存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜航空電子系統(tǒng)法發(fā)生單粒子效應(yīng)，引起系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常、丟幀、黑屏、復(fù)位及死機(jī)等故障現(xiàn)象，使復(fù)雜航空電子系統(tǒng)可靠性指標(biāo)降低一至幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 中子單粒子效應(yīng)對(duì)微電子器件產(chǎn)生影響的量化分析

中子單粒子效應(yīng)對(duì)微電子器件的影響可以通過預(yù)計(jì)來進(jìn)行量化分析。

3.1 通用參數(shù)

（1）任務(wù)剖面中子注量率：5450/（cm2·h）；

（2）器件中子單粒子效應(yīng)截面：歷史數(shù)據(jù)，或根據(jù)工藝推導(dǎo)。

3.2 采集信息

3.2.1 器件敏感特性分析

大氣中子單粒子效應(yīng)主要包括單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子多位翻轉(zhuǎn)、單粒子功能終止、單粒子瞬態(tài)、單粒子閂鎖、單粒子燒毀、單粒子?xùn)糯瘟Ｗ佑插e(cuò)誤等，各器件因工藝結(jié)構(gòu)不同對(duì)其中一種或幾種效應(yīng)敏感。

3.2.2 敏感器件單粒子效應(yīng)截面（δdevice （cm2/device））獲取

微電子器件的敏感器件主要是DSP、FPGA、CPLD等器件，主要與其工藝結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)容量等信息相關(guān)。通過各輻射數(shù)據(jù)庫檢索及工藝推導(dǎo)相結(jié)合，得出各敏感器件中子單粒子效應(yīng)截面數(shù)據(jù)。

3.2.3 敏感器件單粒子效應(yīng)率計(jì)算模型

查詢結(jié)果表明，敏感器件主要單粒子效應(yīng)是單粒子翻轉(zhuǎn)，因此單粒子效應(yīng)率的計(jì)算僅針對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)，計(jì)算公式如下：

SEErate-i=Flux×σdevice-i

SEErate—敏感器件單粒子翻轉(zhuǎn)率；

SEErate-i—第i個(gè)模塊中子單粒子翻轉(zhuǎn)率；

σdevice-i—第i個(gè)模塊中子單粒子翻轉(zhuǎn)截面；

i=1，2，3…n；n為敏感器件的模塊。

4 對(duì)中子單粒子效應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 一般原則

在滿足功能、性能的條件下

（1）優(yōu)先選用提供了單粒子敏感型數(shù)據(jù)且滿足相關(guān)防護(hù)要求的器件；

（2）優(yōu)先選用具有抗中子單粒子效應(yīng)能力或中子單粒子效應(yīng)較不敏感的器件，如優(yōu)先考慮使用反熔絲FPGA、Flash FPGA、非易失性存儲(chǔ)器等器件；

（3）優(yōu)先選用一種或多種防護(hù)措施組合的方法實(shí)現(xiàn)消除或緩減單粒子效應(yīng)的危害影響；

（4）重點(diǎn)針對(duì)敏感器件進(jìn)行單粒子效應(yīng)防護(hù)，同時(shí)應(yīng)對(duì)模塊進(jìn)行單粒子效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)；

（5）盡量減少設(shè)備中未防護(hù)的存儲(chǔ)位數(shù)；

（6）針對(duì)關(guān)鍵核心器件，建議在設(shè)計(jì)中考慮單粒子效應(yīng)事件的監(jiān)測(cè)措施。

4.2 單粒子效應(yīng)誘發(fā)的硬故障防護(hù)設(shè)計(jì)要求

微電子器件中子單粒子效應(yīng)誘發(fā)的硬故障防護(hù)設(shè)計(jì)要求有以下幾點(diǎn)：

（1）微電子器件應(yīng)采用冗余備份措施；

（2）選用高壓功率器件的微電子器件應(yīng)采用冗余備份措施；

（3）選用功率MOSFET器件在條件允許的情況下，建議采用冗余備份措施。

（4）高壓功率器件必須工作在270V以下。

4.3 單粒子效應(yīng)誘發(fā)的軟故障防護(hù)設(shè)計(jì)要求

微電子器件中子單粒子效應(yīng)誘發(fā)的軟故障防護(hù)設(shè)計(jì)中要求在以下措施中選取一種或幾種組合的方法減緩中子單粒子效應(yīng)引起的危害影響：

（1）冗余；

（2）刷新；

（3）表決；

（4）EDAC；

（5）軟件技術(shù)；

（6）指令檢測(cè)和重置。

對(duì)于選用微處理器，要求選取以下一種或幾種組合的方法減緩微處理器中子單粒子翻轉(zhuǎn)引起的危害影響：

（1）奇偶校驗(yàn)；

（2）高速緩存（Cache）刷新；

（3）執(zhí)行雙處理器配置；

（4）微處理器的雙向IO端口，地址應(yīng)進(jìn)行定時(shí)刷新技術(shù)；

（5）應(yīng)采取看門狗防止程序跑飛。

對(duì)于選用的SRAM型FPGA，要求選取以下一種或幾種組合的方法來減緩SRAM型FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)引起的影響：

（1）三模冗余技術(shù)；

（2）刷新；

（3）對(duì)重要模塊進(jìn)行冗余；

（4）EDAC。

對(duì)于選用的存儲(chǔ)器/寄存器，要求選取以下一種或幾種組合的方法來減緩存儲(chǔ)器/寄存器單粒子翻轉(zhuǎn)引起的影響：

（1）SRAM、SDRAM、DRAM等易失性存儲(chǔ)器應(yīng)采取合適的EDAC措施減緩SEU的影響：

（2）駐留指令的存儲(chǔ)器應(yīng)采取雙模或多模冗余設(shè)計(jì)措施；

（3）駐留FPGA、DSP、CPU等器件配置代碼的非易失性寄存器應(yīng)采取合適的EDAC技術(shù)減緩單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響；

（4）駐留重要信息的寄存器應(yīng)采取刷新設(shè)計(jì)；

（5）在條件允許的情況下，建議對(duì)重要數(shù)據(jù)的每個(gè)字中的每個(gè)bit位采取隔離的物理地址存儲(chǔ)的方法。

5 小結(jié)

大氣中子單粒子效應(yīng)對(duì)微電子器件的可靠性存在一定的影響，微電子器件采用中子單粒子效應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)后，可及早避免電路設(shè)計(jì)中由于單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的硬故障和軟故障的發(fā)生，及早進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，提高產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]IEC 62396-1航空電子設(shè)備過程管理——大氣輻射效應(yīng)第一部分：航空電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)應(yīng)對(duì)策略，2011.

[2]IEC/TC 62396-3航空電子設(shè)備過程管理——大氣輻射效應(yīng)第三部分：應(yīng)對(duì)大氣中子單粒子效應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，2011.

[3]IEC/TC 62396-5航空電子設(shè)備過程管理——大氣輻射效應(yīng)第五部分：熱中子注量率與航空電子系統(tǒng)單粒子效應(yīng)評(píng)估指南，2011.

作者單位

四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川省綿陽市 621000