數(shù)字信號(hào)處理大氣中子單粒子效應(yīng)（SEE）試驗(yàn)研究

閆飛 閆攀峰

摘要：本文針對(duì)4型航空常用的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）進(jìn)行了大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，對(duì)輻照條件、試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)件安裝及監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理及分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，該4型DSP在14WV中子輻射下均發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU是單粒子效應(yīng)中的一種模式），TMS320C6416TBGLZA8、TMS320C6418ZTSA500、TMS320F2812及SM32C6415E-GLZ50SEP的單粒子翻轉(zhuǎn)截面分別為1.91e-7cm²/device、6.62e-7cm²/device、8.82e-9cm²/device及1.62e-7cm²/device，在12000m處的飛行高度下，器件發(fā)生的單位翻轉(zhuǎn)率分別為1.15e-03n/（device·h）、3.97e-03n/（device·h）、5.29e-05n/（device·h）、及9.69e-04n/（device·h）。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理;單粒子翻轉(zhuǎn);截面;單粒子翻轉(zhuǎn)率;大氣中子

中圖分類號(hào)：V21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

大氣中子是初級(jí)宇宙射線與地球大氣中的氧、氮等發(fā)生核反應(yīng)生成的次級(jí)粒子。在12000m高度下，大氣中子的能量可高達(dá)1000MeV，注量率為地面中子注量率的300倍左右[1]。大氣中子單粒子效應(yīng)對(duì)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的影響已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，據(jù)國(guó)外大量研究表明，DSP內(nèi)部存儲(chǔ)單元在高能中子的作用下會(huì)發(fā)生單粒子效應(yīng)，如單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子功能中止等。美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）于2005年發(fā)布咨詢通告AC 20-152，要求專用集成電路（ASIC）、可編程邏輯器件（PLD）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）等復(fù)雜電子器件應(yīng)符合DO-254中第2.3.1.2.h條款，條款中提出在硬件設(shè)計(jì)中對(duì)翻轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行防護(hù)[2]。

近年來，我國(guó)航空事業(yè)得到蓬勃發(fā)展，為進(jìn)一步提高民用航空電子設(shè)備的可靠性及安全性，國(guó)內(nèi)已開始關(guān)注大氣中子單粒子效應(yīng)的防護(hù)。為指導(dǎo)民用航空電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)工作，迫切需要開展航空復(fù)雜電子器件的中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)研究。本文為國(guó)內(nèi)首次針對(duì)DSP器件開展的大氣中子單粒子效應(yīng)地面驗(yàn)證試驗(yàn)[3]。

1 試驗(yàn)樣品

1.1 受試器件

受試器件為T1公司生產(chǎn)的TMS320X系列及SM32C64X系列DSP，所選器件在進(jìn)行中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)之前，已通過規(guī)定的相關(guān)試驗(yàn)和電性能測(cè)試。受試器件詳細(xì)信息見表1。

1.2 受試DSP單粒子效應(yīng)敏感單元

（1）TMS320F2812型DSP

該器件對(duì)大氣中子單粒子效應(yīng)敏感的存儲(chǔ)單元包括288K bit的單通道隨機(jī)存儲(chǔ)器（SARAM），內(nèi)部存儲(chǔ)單元詳見表2[4]。

（2）TMS320C6418ZTSA500型DSP

該器件對(duì)大氣中子單粒子效應(yīng)敏感的存儲(chǔ)單元包括128K bit程序存儲(chǔ)器（LIP）、128K bit數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（LID）、4M bit統(tǒng)一映射存儲(chǔ)器/緩存（L2），內(nèi)部存儲(chǔ)單元詳見表3[5]。

（3）TMS320C6416型與SM320C6415型DSP

對(duì)大氣中子單粒子效應(yīng)敏感的存儲(chǔ)單元包括128K bit程序存儲(chǔ)器（LIP）、128K bit數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（LID）、8M bit統(tǒng)一映射存儲(chǔ)器/緩存（L2），內(nèi)部存儲(chǔ)單元詳見表4[6，7]。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)大氣條件

溫度：15～35℃;相對(duì)濕度：20%～80%;氣壓：標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境大氣壓（約760mm汞柱）。

2.2 試驗(yàn)輻照條件

（1）輻射源：高壓倍加器產(chǎn)生的14MeV中子。（2）輻照不均勻性：試驗(yàn)件中敏感器件接受到中子輻照不均勻性≤±10%。（3）注量率：10²～10⁶n/（cm²·s）。（4）注量：使被試件接受的平均中子注量達(dá)到10⁹n/cm²或達(dá)到100個(gè)單粒子翻轉(zhuǎn)后可中止輻照。（5）屏蔽：輻照源與試驗(yàn)件之間使用4mm鋁板進(jìn)行屏蔽。（6）工作狀態(tài)：受試器件試驗(yàn)期間保持靜止，輻照前后，記錄數(shù)據(jù)狀態(tài)的改變。（7）擺放：（a）受試器件的平均垂直于受試器件的中心與靶心的連線;（b）受試器件的中心位置距離中子源至少80cm。

2.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置詳見表5。

2.4 器件監(jiān)測(cè)條件

通過仿真器回讀DSP中的內(nèi)部存儲(chǔ)單元，測(cè)試系統(tǒng)原理圖如圖1所示，回讀數(shù)據(jù)與輻照前的回讀數(shù)據(jù)相比較，統(tǒng)計(jì)翻轉(zhuǎn)的比特?cái)?shù)。中子輻射中被監(jiān)測(cè)的對(duì)象見表6。

3 試驗(yàn)實(shí)施

3.1 試驗(yàn)件的安裝

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由14MeV中子輻照源、中子注量率監(jiān)測(cè)儀、屏蔽板、受試DSP、電源、導(dǎo)線、及測(cè)試機(jī)臺(tái)等組成，試驗(yàn)系統(tǒng)布局如圖2所示。

3.2 試驗(yàn)流程圖

中子輻照前，對(duì)受試器件進(jìn)行配置并回讀，保存回讀數(shù)據(jù)作為參照數(shù)據(jù)，在輻照期間，受試器件保持靜態(tài)狀態(tài)，輻照后讀出受試單元的數(shù)據(jù)，與參照數(shù)據(jù)相比較，統(tǒng)計(jì)翻轉(zhuǎn)次數(shù)。試驗(yàn)流程如圖3所示。

（1）寫入配置文件，對(duì)器件進(jìn)行配置;（2）回讀并保存回讀文件;（3）記錄工作電壓和功耗電流;（4）開始輻照;（5）輻照至一定注量后，暫停;（6）記錄工作電壓和功耗電流;（7）回讀并與輻照前回讀文件比較統(tǒng)計(jì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)數(shù);（g）當(dāng)翻轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到100個(gè)時(shí)停止輻照，如果沒有100個(gè)翻轉(zhuǎn)，則重復(fù)（4）～（7）步驟直到注量達(dá)到10⁹n/cm²時(shí)停止輻照;（9）通過加載、回讀，確定電流及回讀功能正常。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)見表7。

4型DSP單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)隨中子輻射注量變化如圖4～圖7所示，從圖可以看出，單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)隨中子輻射注量呈現(xiàn)為線性關(guān)系，表明試驗(yàn)所選用的中子輻射注量率的大小合理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)可靠。

TMS320C6418型DSP中子單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)數(shù)隨注量變化如圖5所示。

TMS320C6416型DSP中子單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)數(shù)隨注量變化如圖6所示。

SM320C6415型DSP中子單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)數(shù)隨注量變化如圖7所示。

4.2 單粒子翻轉(zhuǎn)截面計(jì)算

單粒子翻轉(zhuǎn)敏感截面計(jì)算如式（1）和式（2）所示：式中：σ_bit為每存儲(chǔ)位（bit）的單粒子翻轉(zhuǎn)截面值，單位cm²/bit;N為翻轉(zhuǎn)數(shù);F為試驗(yàn)中子總注量，單位n/cm²;bit_total為受試bit總數(shù)。式中：σ_devic為器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面值，單位cm²/device。

根據(jù)式（1）和式（2），計(jì)算得出4種型號(hào)DSP器件的單粒子效應(yīng)敏感截面值，見表8。

4.3 單粒子翻轉(zhuǎn)率計(jì)算

航空復(fù)雜電子器件任務(wù)期間所遭受的大氣中子注量率視任務(wù)飛行高度、維度情況而定。在12000m飛行高度上，器件遭受的大氣中子國(guó)際典型值為6000n/（cm²·h），DSP器件大氣中子單粒子翻轉(zhuǎn)率如式（3）所示：式中：SEE_rate-device為器件單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)率，單位n/（device·h）;FLUX為典型工們洞鏡下的中子注量，本次取值6000n/（cm²·h）;A為加權(quán)系數(shù)，取值與器件特征尺寸相關(guān)，一般情況建議，特征尺寸≤90mn，取值為1;特征尺寸為90～130nm之間，取值為1.5;特征尺寸大130nm的工藝器件，A取值為2。見表9。

5 結(jié)論

國(guó)外大量研究表明，DSP器件是一種大氣中子單粒子效應(yīng)敏感器件，這種器件廣泛使用在復(fù)雜航空電子設(shè)備中。為了驗(yàn)證及掌握該類器件的大氣中子單粒子效應(yīng)失效機(jī)制，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)DSP器件大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)空白，本文設(shè)計(jì)了一套地面模擬試驗(yàn)，包括試驗(yàn)樣品敏感架構(gòu)分析、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)實(shí)施和試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析等。

本文通過DSP器件中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算器件敏感截面及對(duì)模擬真實(shí)飛行條件的器件失效率預(yù)估可以看出，DSP器件是大氣中子單粒子效應(yīng)敏感器件，帶存儲(chǔ)單元的功能模塊會(huì)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）等中子單粒子效應(yīng)。

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