数字信号处理大气中子单粒子效应(SEE)试验研究
基于高海拔地区的大气中子单粒子效应实时测量试验研究
基于高海拔地区的大气中子单粒子效应实时测量试验研究张战刚;雷志锋;黄云;恩云飞;张毅;童腾;李晓辉;师谦;彭超;何玉娟;肖庆中;李键坷;路国光【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2022(56)4【摘要】开展65 nm高速大容量静态随机存取存储器(SRAM)大气中子单粒子效应特性及试验评价技术研究,基于4 300 m高海拔地区大面积器件阵列实时测量试验,突破效应甄别、智能远程测控等关键技术,在153 d的试验时间内共观测到错误43次,其中器件内单粒子翻转39次,多单元翻转(MCU)在单粒子翻转中占比23%,最大的MCU为9位。
对高能中子、热中子和封装α粒子的贡献比例进行了分析,并基于多地中子通量数据,推演得到北京地面和10 km高空应用时的单位翻转(SBU)和MCU失效率(FIT)。
发现地面处软错误的主要诱因为封装α粒子,随着海拔的增高,大气中子对软错误的贡献比例明显增大;MCU全部由高能中子引起,北京10 km 高空处的MCU FIT值明显增大,其占比由地面的8%增大至26%。
结合器件版图布局,对MCU产生机理进行了深入分析。
最后,提出一种目标导向的存储器软错误加固策略优化方法。
【总页数】9页(P725-733)【作者】张战刚;雷志锋;黄云;恩云飞;张毅;童腾;李晓辉;师谦;彭超;何玉娟;肖庆中;李键坷;路国光【作者单位】工业和信息化部电子第五研究所;中国科学院高能物理研究所【正文语种】中文【中图分类】TN406;V216【相关文献】1.DSP大气中子单粒子效应试验研究2.大气中子单粒子效应试验研究现状简介3.数字信号处理大气中子单粒子效应(SEE)试验研究4.应用中国散裂中子源9号束线端研究65nm微控制器大气中子单粒子效应5.智能手机大气中子单粒子效应试验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
DSP大气中子单粒子效应试验研究
DSP大气中子单粒子效应试验研究陈冬梅;孙旭朋;钟征宇;封国强;白桦;阳辉;底桐【摘要】利用14MeV快中子辐照源,开展了数字信号处理器(DSP)大气中子单粒子效应地面模拟试验研究.设计了地面模拟的试验方法,包括单粒子效应监测方法、试验系统布局、试验程序及其判据等.获得了SMJ320F2812、SMJ320C6415、TMS320C6416、TMS320C6418等多款型号DSP器件的中子单粒子效应的翻转错误数试验数据,分析计算得到14MeV中子辐照源下的敏感截面.结果显示,DSP器件的主要敏感现象为单粒子翻转(SEU),部分器件还发生了单粒子功能中断效应(SEFI).相同工艺的被测DSP器件的中子单粒子效应敏感截面具有相同的数量级,验证了本文使用的地面模拟试验方法的可行性,为航空电子设备的可靠性与安全性评估提供了大气中子单粒子效应的器件级基础数据.【期刊名称】《航空科学技术》【年(卷),期】2018(029)002【总页数】6页(P67-72)【关键词】数字信号处理器;大气中子;单粒子翻转;敏感截面;单粒子功能中断【作者】陈冬梅;孙旭朋;钟征宇;封国强;白桦;阳辉;底桐【作者单位】北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089;北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089;北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089;北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089;北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089;北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089;北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089【正文语种】中文【中图分类】V21大气中子是银河宇宙射线与大气层中的原子核（氮/氧）之间的核散裂反应造成的核级联簇射而产生的一种不带电粒子。
在大气层中的能量范围为0～10GeV，其中大于10MeV的中子所占的比例约为27%。
抗辐射技术调研.
单粒子效应
单粒子效应（SEE）：是指高能带电粒子在穿过微电子 器件的灵敏区时，沉积能量，产生足够数量的电荷， 这些电荷被器件电极收集后，造成器件逻辑状态的非 正常改变或器件损坏
单粒子翻转（SEU）、单粒子闩锁（SEL）、单粒子烧毁
（SEB）、单粒子瞬态脉冲（SET）、单粒子功能中断（SEFI）
单粒子效应
研究内容
工作进展：
CPU DMA A/D IF
AHB
EDAC
信号处理IP
AHB To APB Bridge
APB
Watch dog
SRAM RS422 Timer GPIO ICTL
可行性
国微公司
生产：德国x-fab公司SOI 0.5um工艺 特点：全定制设计
772所 （300Krad）
生产：华虹0.5um、中芯国际0.18um体硅平面工艺 特点：专门的抗辐射单 电流检测器
PC机
测试控制器
A
B
C
D
A
A—输出状态（B0） C—存储器测试
B—功能单元测试 D—输出状态（40）
研究内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 抗辐射单元库建立 软件级抗辐射模拟与分析 生产工艺线评估 芯片设计 芯片生产加工 测试方案设计与系统开发
研究内容
研究内容
工作进展： 1. 完成了太敏SoC架构设计 2. 建立了开源Leon处理器最小系统及软件环境 3. 完成了外围IP核（Timer、UART、GPIO等）的验证 4. 完成了SRAM控制器设计 5. 建立了FPGA原型开发环境 6. 完成了EDAC模块设计 7. 确定了阈值与质心计算信号处理算法IP核设计 8. 正在修改Leon处理器中需要三模冗余的关键单元
半导体器件大气中子单粒子效应试验方法与程序基本信息
半导体器件大气中子单粒子效应试验方法与程序基本信息半导体器件大气中子单粒子效应试验方法与程序基本信息【导论】半导体器件是现代电子技术中不可或缺的基础组成部分，但它们在高能辐射环境下的可靠性问题一直备受关注。
其中，大气中子单粒子效应是一种重要的辐射损伤现象，它对半导体器件的性能产生了不可忽视的影响。
为了解决这个问题，科研人员提出了许多试验方法和程序，以便更好地了解和评估半导体器件在大气中子单粒子效应下的可靠性。
本文将针对这一主题展开全面深入的讨论。
【试验方法】1. 单粒子效应测试单粒子效应测试是一种常用的试验方法，通过在实验室中模拟大气中子单粒子效应，评估半导体器件的性能和可靠性。
在该测试中，使用粒子加速器产生高能粒子束，并照射在待测器件上。
通过检测器件的电流、电压或其他指标的变化，可以获得其受到辐射后的效应。
2. 组件级试验组件级试验是一种更接近真实工作环境的试验方法，它考虑了半导体器件在电路中的相互作用。
在该试验中，器件被嵌入到电路板或模块中，经过长时间不间断的工作，观察其在大气中子单粒子效应下的性能退化情况。
这种方法能更好地模拟实际工作条件，但需要更长的测试时间。
3. 增强放射性测试增强放射性测试是一种瞄准特定辐射环境的试验方法，根据地理位置、海拔高度、周边辐射源等因素，选择合适的地点进行测试。
通过对辐射水平进行增强，可以更快速地观察到器件在大气中子单粒子效应下的反应，以及评估其可靠性。
【试验程序基本信息】1. 数据收集与分析试验开始前，需要收集和分析相关的数据，包括大气中子流通量、器件故障率、故障模式等信息。
这些数据对于设计合理的试验方案和结果的解读至关重要。
2. 样品准备与选择根据需求和试验目标，选择适当的半导体器件样品，以代表实际生产中使用的器件。
对样品进行特殊处理，例如辐射前的电子束退火、封装等，以确保试验结果的可靠性和有效性。
3. 设置试验条件根据试验目标，设置适当的试验条件，例如辐射剂量、温度、湿度等。
单粒子效应的激光模拟方法研究进展
引言单粒子效应研究是材料科学领域的一个重要研究方向，其在微电子器件、核电站安全等方面已经得到广泛应用。
随着计算机技术和数值仿真方法的不断进步，越来越多的研究者开始着眼于激光模拟的方法，以更加准确地预测单粒子效应的发生和影响。
本文将从单粒子效应和激光模拟方法两方面，对单粒子效应的激光模拟方法研究进展进行综述和分析，并对未来的研究方向进行展望。
一、单粒子效应简介单粒子效应，指的是当高能粒子（比如电子、质子或者中子）与半导体器件碰撞时，由于其能量过高会在半导体器件内部产生电离效应，从而引发器件的故障或者损坏现象。
该效应在微电子器件中具有严重的影响，因为微电子器件的尺寸普遍比较小，所以在微观尺度下，单粒子效应的发生使得器件的可靠性大大降低。
因此，单粒子效应研究成为微电子器件可靠性研究的重要内容之一。
二、激光模拟方法简介激光模拟是指通过计算机数值仿真的方式，模拟单粒子效应在半导体器件中的行为和产生的结果。
相比于基于实验的方法，激光模拟方法具有对实验参数的控制灵活性高，数据获取成本低，以及对器件性能的分析和优化等方面的优点。
目前，主要的激光模拟方法包括Monte Carlo 方法和分子动力学方法。
三、单粒子效应激光模拟方法的研究进展1. Monte Carlo 方法Monte Carlo 方法是一种概率统计方法，它通过对粒子在材料中的运动轨迹和与材料的相互作用进行统计，来模拟单粒子效应。
Monte Carlo方法的优点是可以考虑多个参数，比如入射粒子的能量、大小、夹角和不同的材料等，并且可以计算出粒子在材料内部的分布情况和电离效应的影响。
近年来，Monte Carlo 方法不断被应用于半导体器件的单粒子效应预测方面，比如利用该方法模拟快中子在CMOS 硅芯片上的扰动效应，同时对比不同工艺条件下的器件可靠性。
2. 分子动力学方法分子动力学方法是一种基于原子的模拟方法，它通过数值计算求解材料中原子的运动轨迹和相互作用力，来模拟单粒子效应。
中子单粒子效应试验对机载应答机的影响
电子技术• Electronic Technology82 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】航电设备 应答机 中子单粒子1 概述中子单粒子效应是指单个高能粒子作用于半导体器件引发的翻转、锁定、烧毁、栅穿等现象。
以往研究认为中子单粒子效应主要发生在航天领域，但国外近年来的研究表明，飞机在3~20km 的自然空间环境中同样会遭遇中子单粒子效应。
只不过航天领域诱发单粒子效应的高能粒子辐射源主要为重离子或质子，而在航空领域诱发单粒子效应的高能粒子辐射源主要为大气中子。
大气中子穿透性强，金属材料几乎没有阻挡作用，因此会穿透机舱蒙皮，打在航空电子设备上，尤其是核心指令控制单元或关键数据存储单元上，产生大气中子单粒子效应。
从而引发软错误、硬错误甚至硬失效，导致飞行控制系统、航电系统等出现黑屏、死机、复位、数据丢失、命令错误等故障现象。
有的会直接影响飞机的安全性与可靠性，有的会误导飞机驾驶员产生错误判断与错误操作，从而间接影响飞机的安全性与可靠性。
本文以航空应用领域的机载应答机为例，研究中子单粒子对机载应答机的影响。
2 应答机简介中子单粒子效应试验对机载应答机的影响文/游华春1 王晓伟22.1 应答机功能应答机主要是安装在飞机上的机载设备，能够自动应答本飞机的高度信息，代码信息。
应答机信号处理模块实现的主要功能是实现译码、编码功能。
把应答机接收到的外部信号，经过内部接收模块解调后，进行数据处理，从而分辨出是代码（A ）模式、高度（C ）模式、或者是S 模式。
并将本应答机的代码（A ）信息、高度（C ）信息、或者S 模式地址码传送给本应答机的发射机模块进行射频发射。
应答机处理模块在整个应答机中与其它功能模块的接口关系如图1所示。
2.2 应答模式2.2.1 代码（A ）模式模式A 的回答码包括从0到最多12个信息脉冲，A 模式输出信号如图2所示。
大气中子单粒子效应试验研究现状简介
目前国内尚未开展航电系统SEE的试验研究，但随着 簇射），形成大气中子。大气中中子占比96%，能量可高达 我国航空业的快速发展，开展大气中子SEE的试验评价与 1011eV[8]。海平面大气中子通量约为20n/cm2/h)(E>1MeV)，
防护设计研究，是确保我国以航空装备为核心的综合电子 各粒子成分如图1所示。
大 量研 究表明，中子入 射将 会 诱发航电系统发 生单 粒子效 应（SEE），引起单粒子翻转（SEU）、单粒子瞬态 （SET）、单粒子锁定（SEL）、单粒子功能中止（SEFI）等多 种失效类型，导致航电系统功能故障，严重时使其可靠性 降低几个数量级[6-7]。
随着集成电路芯片性能的提高、特征尺寸的减小使得 发生单粒子效应所需要的临界电荷显著降低，芯片发生单 粒子效应的敏感度较之过去明显增强。而且，单粒子效应 不仅发生在太空、还发生在大气层空间以及地球表面，不 但 严重地 影 响到 航 天 器、近 地 空间飞 行 器 的 安 全可靠 运
1992年，A. Taber和E. Normand利用三架飞机开展了 系列飞行 试验，结果表明，飞行期间SR AM会发生SEE， 这是首次证实大气中子诱发航电系统SEE的飞行案例[2]。 1998年，E. Normand公布C-17运输机项目的SEE研究情 况，指出S E E 对未防 护器 件 有 较 大 影响，采用错 误 探 测与 纠正（EDAC）等适当的防护措施，可以有效降低SEE对航 电系统的影响[3]。2 0 01年，美国电子工业联 盟（E I A）与固态 技术协会（JEDEC）联合发布了JESD89，规定了α粒子、地 面宇宙射 线（高能中子）和 热中子引发的半 导 体 器 件 S E E 软错 误的 测量方 法。2 0 0 5年，日本电子 信息技 术工业协 会
智能手机大气中子单粒子效应试验研究
究遥 发现死机尧 内存清空和音频波形失真等故障现象袁 源于中子在 7 nm FinFET 工艺 CPU尧 DRAM 和 Flash 芯
片中引起的单粒子效应遥 计算由高能中子和热中子产生的各种故障类型的 FIT 值袁 发现高能中子产生的错误率
较热中子高 5耀9 倍遥 观测到录音波形出现幅度整体下降尧 时间维度的前后移位和局部波形失真等异常现象遥 试
Abstract院 Based on the broad energy spectrum neutron beam provided by the China
spallation neutron source BL09 terminal袁 an experimental study on the atmospheric neutron single particle effect of smart phone is carried out. It is found that the failure phenomena袁 such as crashes袁 memory emptying and audio waveform distortion袁 are caused by single particle effects caused by neutrons in 7 nm FinFET process CPU袁 DRAM and Flash chips. The FIT values for various types of faults produced by high energy neutrons and thermal neutrons are calculated. It is found that the error rate of high energy neutrons is 5 to 9 times higher than that of thermal neutrons. And it is observed that the recording wave form has anomalous phenomena such as the overall decrease in amplitute袁 the back and forth shit of the time袁 and the distortion of the local waveform. The experimental results show that the single particle effect of atmospheric neutron has a significant effect on hundreds of million of consumer electronic products on the ground袁 which must be reinforced in product design.
中子单粒子效应
精彩摘录
“中子单粒子效应的研究不仅有助于我们深入理解原子核的结构，同时也为 核反应堆的设计提供了重要的理论基础。这种效应的存在使得我们能够更好地控 制核反应的过程，从而提高了核能源的利用效率。”
精彩摘录
“在天体物理学中，中子单粒子效应也扮演着重要的角色。例如，在研究恒 星演化、超新星爆发以及宇宙射线的过程中，我们需要考虑到这种效应对于中子 星、夸克星等奇特天体的影响。”
阅读感受
阅读感受
《中子单粒子效应》是一本关于物理学和电子工程领域的书籍，主要探讨了 中子单粒子效应的相关问题。在航天器在轨运行的过程中，中子单粒子效应已经 成为一种重要的辐射效应，对航天器的正常运行和可靠性造成了严重的影响。因 此，这本书对于从事空间辐射物理和抗辐射加固技术研究的专家来说，具有重要 的参考价值。
目录分析
具体来看，第一章是引言，主要介绍了中子单粒子效应的研究背景和意义， 为后续章节的展开做了铺垫。第二章到第五章，是本书的核心部分，详细介绍了 中子单粒子效应的基本概念、实验技术和模拟方法。其中，第二章介绍了中子的 基本性质和实验中常用的中子源；第三章介绍了中子在物质中的传播和散射；第 四章则重点介绍了中子与原子核相互作用的过程和机制；第五章则对中子单粒子 效应的实验技术和模拟方法进行了详细的阐述。
阅读感受
书中详细介绍了中子单粒子效应的基本原理、实验方法和应用案例。作者首 先从基础理论入手，介绍了中子的性质、中子与物质的相互作用以及中子剂量测 量等方面的问题。接着，书中深入探讨了中子单粒子效应的产生机制、影响因素 和实验测试方法。通过这些内容，读者可以全面了解中子单粒子效应的基本概念 和相关技术。
精彩摘录
“中子单粒子效应是核物理学中的一个重要现象，它揭示了原子核的内部结 构和核反应机制。这种现象在核工程、核能源以及天体物理学等领域都有着广泛 的应用。”
航空电子设备大气中子单粒子效应故障率预计方法
Ａｂｓｔｒａｃｔ：In this paper, the status of international standards for the protection technology of atmospheric neutron single event effect in avionics is analyzed, and a method for predicting the falut rate of atmospheric neutron single event effect in avionics is proposed for the first time, and the calculation principle, calculation procedure and calculation cases are described. The verification case shows that the ground simulation test value is within a certain error range with the predicted value from three different data sources. Therefore, it provides a necessary quantitative calculation tool for timely finding the harmful impacts of neutron single event effect faults on equipment during the whole life cycle of the aircraft.Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：avionics; atmospheric neutron single particle effect; failure rate; reliability; safety; availability; maintainability摘要：本文分析了航空电子设备大气中子单粒子效应防护技术的国际系列标准现状，首次提出了一套航空电子设备大气中子单粒子效应故障率预计方法，阐述了其计算原理、计算程序与计算案例。
大气中子单粒子效应对微电子器件的影响
大气中子单粒子效应对微电子器件的影响作者：董玉花来源：《电子技术与软件工程》2017年第10期本文对中子单粒子效应的产生条件、中子单粒子效应对微电子器件的影响以及对此影响的量化分析过程进行了阐述。
主要通过分析结果，给出微电子器件受中子单粒子效应影响的薄弱环节，同时给出设计改进措施，通过改进措施提高电路设计水平，保证微电子器件在使用过程中的可靠性。
【关键词】大气中子单粒子效应单粒子翻转1 中子单粒子效应对微电子器件产生影响的条件大气中子单粒子效应，是指大气中子（主要是银河宇宙射线、太阳宇宙射线同地球外围浓密大气层中的氧、氮等发生核反应生成的次级粒子）入射微电子器件（如CPU、DSP、FPGA、存储器、总线控制器等）时，引起器件产生逻辑反转（从逻辑“1”变成逻辑“0”或相反）、闩锁或永久损伤的现象。
2 中子单粒子效应对微电子器件产生影响的后果研究表明，微电子器件是大气中子单粒子效应敏感器件，复杂航电系统会大量使用此类单粒子效应敏感器件。
巡航高度下，大气中子辐射环境会使CPU、DSP、FPGA、存储器、总线控制器等带有存储结构的复杂航空电子系统法发生单粒子效应，引起系统出现数据异常、丢帧、黑屏、复位及死机等故障现象，使复杂航空电子系统可靠性指标降低一至几个数量级。
3 中子单粒子效应对微电子器件产生影响的量化分析中子单粒子效应对微电子器件的影响可以通过预计来进行量化分析。
3.1 通用参数（1）任务剖面中子注量率：5450/（cm2·h）；（2）器件中子单粒子效应截面：历史数据，或根据工艺推导。
3.2 采集信息3.2.1 器件敏感特性分析大气中子单粒子效应主要包括单粒子翻转、单粒子多位翻转、单粒子功能终止、单粒子瞬态、单粒子闩锁、单粒子烧毁、单粒子栅穿、单粒子硬错误等，各器件因工艺结构不同对其中一种或几种效应敏感。
3.2.2 敏感器件单粒子效应截面（δdevice （cm2/device））获取微电子器件的敏感器件主要是DSP、FPGA、CPLD等器件，主要与其工艺结构、存储容量等信息相关。
微处理器中子单粒子效应测试系统设计与试验研究
!!银河系宇宙射线和太阳系宇宙射线进入大 气 层 时!将 与 大 气 原 子 通 过 多 次 级 联 反 应 产 生 中子等多种 粒 子)<?)*$ 航 空 航 天 中 电 子 学 系 统 的飞行高度纵跨非电离层""*E- 以下#和电离 层""*"<***E- 为电离层#!在 该 飞 行 高 度 范 围内运动将累计受到一定注量的中子辐射$大 气 中 子 虽 然 不 带 电!但 能 与 半 导 体 器 件 中 的 材 料原子发生非弹性相互作用或散裂反应在电子 器件内淀积电离电荷!从而诱发单粒子 效 应 $ )B* )*世纪A*年代末!WOU 和 O%2.14公 司 利 用 飞 行试验测试了中子诱发器件的翻转率 $ )#* 国 内 外对于半导体器件中子单粒子效应的研究主要 是利用中子源产生的高能中子模拟单粒子效 应 $ )!?=* 北 京 大 学%中 国 科 学 院 物 理 研 究 所%中 国科学院空间科学与应用中心等分别采用仿真 方法研究了临近空间大气中子诱发电子器件的 单粒子翻转"60Q#)A?<**$ 微 处 理 器 是 各 种 电 子
中子单粒子效应阅读札记
《中子单粒子效应》阅读札记1. 中子单粒子效应概述中子单粒子效应是原子核物理中的一个重要现象，它涉及到中子在吸收或发射一个或多个能量等于或接近于中子能级的粒子后，发生的各种核反应。
这种效应在重核素附近尤为显著，因为这些核素的中子共振线非常宽，能够吸收和发射多个中子。
在中子单粒子效应的研究中，中子束的应用非常关键。
通过精确控制中子束的能量、强度和束流寿命，科学家们可以研究不同种类和能量的中子与原子核的相互作用，从而揭示中子单粒子效应的复杂性和多样性。
中子单粒子效应在核能利用、核医学和核武器安全等领域也具有重要的应用价值。
在核反应堆中，中子单粒子效应可能导致燃料棒的损伤和失效；在核医学领域，中子单粒子效应可用于肿瘤治疗和药物研发；而在核武器安全方面，对中子单粒子效应的理解有助于评估核武器的可靠性和安全性。
随着实验技术的不断进步和理论模型的不断完善，中子单粒子效应的研究将继续深入发展，为相关领域的科学研究和技术应用提供有力的支持。
1.1 什么是中子单粒子效应中子单粒子效应是指在中子与物质相互作用的过程中，单个中子对物质系统产生的直接或间接影响。
这种效应主要源于中子的独特性质，包括其穿透能力强、与物质相互作用复杂等特点。
中子单粒子效应在许多领域都有重要的应用和研究价值，特别是在核物理、材料科学、辐射防护等领域。
在核物理领域，中子单粒子效应对于理解原子核结构、核反应机制以及核能应用等方面具有重要意义。
在中子与原子核的相互作用中，单个中子可以引起核态变化，产生级联反应等，这些效应对于核能的利用和核武器的研制都具有关键作用。
在材料科学领域，中子单粒子效应对于材料性能的影响也非常显著。
中子具有强大的穿透能力，可以深入到材料内部，与材料中的原子发生相互作用，引起材料的物理和化学性质变化。
这对于材料改性、辐射加工、材料辐射稳定性研究等都具有重要意义。
在辐射防护领域，中子单粒子效应的研究也至关重要。
了解中子对生物组织的作用机制，评估中子辐射的生物效应，对于核能设施的辐射安全、核事故应急处理等方面都具有重要意义。
一种适用于空间信息处理平台的抗单粒子翻转技术研究
一种适用于空间信息处理平台的抗单粒子翻转技术研究王苏灵;谢永春;江卫【摘要】空间应用环境的特殊性,对空间信息处理平台的可靠性设计尤其是抗辐射设计提出了更高要求.为减小单粒子翻转对空间信息处理平台的影响,提出了一种适用于空间信息处理平台的硬件设计.采用传统的DSP+FPGA架构,增加反熔丝FPGA作为检测和逻辑译码单元,通过回读对比功能对SRAM型FPGA进行监控和处理.针对单粒子翻转对该处理平台中各主要器件的影响,设计了周期自检、三模冗余和纠错编码等方法提高处理平台的可靠性,为后续空间信息处理平台抗单粒子设计提供参考依据.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2018(051)005【总页数】4页(P1228-1231)【关键词】单粒子翻转;TMR(三模冗余);SRAM型FPGA;反熔丝FPGA【作者】王苏灵;谢永春;江卫【作者单位】中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都 610041;中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都 610041;中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都 610041【正文语种】中文【中图分类】TN970 引言随着空间技术的发展，世界各国对太空领域的争夺愈演愈烈，国防已经向太空延伸，空间应用、空间攻防能力必将成为未来空间威慑力的重要筹码。
我国各种卫星深空探测器飞行器的不断发射成功，标志着我国成为空间领域的大国。
空间应用环境的特殊性，对空间信息处理平台的可靠性设计尤其是抗辐射设计提出了更高要求。
目前，空间信息处理平台广泛采用的集成电路主要包括现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）。
该类集成电路大量采用片上SRAM，对单粒子翻转非常敏感，容易发生软错误，严重影响器件的正常功能。
目前，针对FPGA程序设计常用的抗单粒子翻转设计主要是三模冗余设计（Triple Modular Redundance，TMR），即对某些功能模块或整个程序进行3倍冗余设计，对输出信息通过表决器进行判决。
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数字信号处理大气中子单粒子效应（SEE）试验研究作者：闫飞闫攀峰来源：《航空科学技术》2018年第08期摘要：本文针对4型航空常用的数字信号处理（DSP）进行了大气中子单粒子效应试验，对辐照条件、试验环境、试验件安装及监测方法进行研究，并对试验结果进行了數据处理及分析。
试验结果表明，该4型DSP在14WV中子辐射下均发生了单粒子翻转（SEU是单粒子效应中的一种模式），TMS320C6416TBGLZA8、TMS320C6418ZTSA500、TMS320F2812及SM32C6415E-GLZ50SEP的单粒子翻转截面分别为1.91e-7cm2/device、6.62e-7cm2/device、8.82e-9cm2/device及1.62e-7cm2/device，在12000m处的飞行高度下，器件发生的单位翻转率分别为1.15e-03n/（device·h）、3.97e-03n/（device·h）、5.29e-05n/（device·h）、及9.69e-04n/（device·h）。
关键词：数字信号处理;单粒子翻转;截面;单粒子翻转率;大气中子中图分类号：V21 文献标识码：A大气中子是初级宇宙射线与地球大气中的氧、氮等发生核反应生成的次级粒子。
在12000m高度下，大气中子的能量可高达1000MeV，注量率为地面中子注量率的300倍左右[1]。
大气中子单粒子效应对数字信号处理（DSP）的影响已经成为国内外研究热点，据国外大量研究表明，DSP内部存储单元在高能中子的作用下会发生单粒子效应，如单粒子翻转、单粒子功能中止等。
美国联邦航空局（FAA）于2005年发布咨询通告AC 20-152，要求专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）等复杂电子器件应符合DO-254中第2.3.1.2.h条款，条款中提出在硬件设计中对翻转效应进行防护[2]。
近年来，我国航空事业得到蓬勃发展，为进一步提高民用航空电子设备的可靠性及安全性，国内已开始关注大气中子单粒子效应的防护。
为指导民用航空电子设备大气中子单粒子效应防护设计工作，迫切需要开展航空复杂电子器件的中子单粒子效应试验研究。
本文为国内首次针对DSP器件开展的大气中子单粒子效应地面验证试验[3]。
1 试验样品1.1 受试器件受试器件为T1公司生产的TMS320X系列及SM32C64X系列DSP，所选器件在进行中子单粒子效应试验之前，已通过规定的相关试验和电性能测试。
受试器件详细信息见表1。
1.2 受试DSP单粒子效应敏感单元（1）TMS320F2812型DSP该器件对大气中子单粒子效应敏感的存储单元包括288K bit的单通道随机存储器（SARAM），内部存储单元详见表2[4]。
（2）TMS320C6418ZTSA500型DSP该器件对大气中子单粒子效应敏感的存储单元包括128K bit程序存储器（LIP）、128K bit 数据存储器（LID）、4M bit统一映射存储器/缓存（L2），内部存储单元详见表3[5]。
（3）TMS320C6416型与SM320C6415型DSP对大气中子单粒子效应敏感的存储单元包括128K bit程序存储器（LIP）、128K bit数据存储器（LID）、8M bit统一映射存储器/缓存（L2），内部存储单元详见表4[6，7]。
2 试验设计2.1 标准大气条件温度：15～35℃;相对湿度：20%～80%;气压：标准环境大气压（约760mm汞柱）。
2.2 试验辐照条件（1）辐射源：高压倍加器产生的14MeV中子。
（2）辐照不均匀性：试验件中敏感器件接受到中子辐照不均匀性≤±10%。
（3）注量率：102～106n/（cm2·s）。
（4）注量：使被试件接受的平均中子注量达到109n/cm2或达到100个单粒子翻转后可中止辐照。
（5）屏蔽：辐照源与试验件之间使用4mm铝板进行屏蔽。
（6）工作状态：受试器件试验期间保持静止，辐照前后，记录数据状态的改变。
（7）摆放：（a）受试器件的平均垂直于受试器件的中心与靶心的连线;（b）受试器件的中心位置距离中子源至少80cm。
2.3 试验装置试验装置详见表5。
2.4 器件监测条件通过仿真器回读DSP中的内部存储单元，测试系统原理图如图1所示，回读数据与辐照前的回读数据相比较，统计翻转的比特数。
中子辐射中被监测的对象见表6。
3 试验实施3.1 试验件的安装试验系统主要由14MeV中子辐照源、中子注量率监测仪、屏蔽板、受试DSP、电源、导线、及测试机台等组成，试验系统布局如图2所示。
3.2 试验流程图中子辐照前，对受试器件进行配置并回读，保存回读数据作为参照数据，在辐照期间，受试器件保持静态状态，辐照后读出受试单元的数据，与参照数据相比较，统计翻转次数。
试验流程如图3所示。
（1）写入配置文件，对器件进行配置;（2）回读并保存回读文件;（3）记录工作电压和功耗电流;（4）开始辐照;（5）辐照至一定注量后，暂停;（6）记录工作电压和功耗电流;（7）回读并与辐照前回读文件比较统计发生翻转数;（g）当翻转数达到100个时停止辐照，如果没有100个翻转，则重复（4）～（7）步骤直到注量达到109n/cm2时停止辐照;（9）通过加载、回读，确定电流及回读功能正常。
4 试验数据及分析4.1 试验数据试验原始数据见表7。
4型DSP单粒子翻轉数随中子辐射注量变化如图4～图7所示，从图可以看出，单粒子翻转数随中子辐射注量呈现为线性关系，表明试验所选用的中子辐射注量率的大小合理，试验数据科学可靠。
TMS320C6418型DSP中子单粒子效应翻转数随注量变化如图5所示。
TMS320C6416型DSP中子单粒子效应翻转数随注量变化如图6所示。
SM320C6415型DSP中子单粒子效应翻转数随注量变化如图7所示。
4.2 单粒子翻转截面计算单粒子翻转敏感截面计算如式（1）和式（2）所示：式中：σbit为每存储位（bit）的单粒子翻转截面值，单位cm2/bit;N为翻转数;F为试验中子总注量，单位n/cm2;bit total为受试bit总数。
式中：σdevic为器件单粒子翻转截面值，单位cm2/device。
根据式（1）和式（2），计算得出4种型号DSP器件的单粒子效应敏感截面值，见表8。
4.3 单粒子翻转率计算航空复杂电子器件任务期间所遭受的大气中子注量率视任务飞行高度、维度情况而定。
在12000m飞行高度上，器件遭受的大气中子国际典型值为6000n/（cm2·h），DSP器件大气中子单粒子翻转率如式（3）所示：式中：SEE rate-device为器件单粒子效应翻转率，单位n/（device·h）;FLUX为典型工们洞镜下的中子注量，本次取值6000n/（cm2·h）;A为加权系数，取值与器件特征尺寸相关，一般情况建议，特征尺寸≤90mn，取值为1;特征尺寸为90～130nm之间，取值为1.5;特征尺寸大130nm的工艺器件，A取值为2。
见表9。
5 结论国外大量研究表明，DSP器件是一种大气中子单粒子效应敏感器件，这种器件广泛使用在复杂航空电子设备中。
为了验证及掌握该类器件的大气中子单粒子效应失效机制，填补国内DSP器件大气中子单粒子效应试验空白，本文设计了一套地面模拟试验，包括试验样品敏感架构分析、试验设计、试验实施和试验数据及分析等。
本文通过DSP器件中子单粒子效应试验结果进行数据分析，计算器件敏感截面及对模拟真实飞行条件的器件失效率预估可以看出，DSP器件是大气中子单粒子效应敏感器件，带存储单元的功能模块会发生单粒子翻转（SEU）等中子单粒子效应。
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