DSP大气中子单粒子效应试验研究
数字信号处理大气中子单粒子效应(SEE)试验研究
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]。
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。
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。
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
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.
中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估
中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估王勋; 张凤祁; 陈伟; 郭晓强; 丁李利; 罗尹虹【期刊名称】《《物理学报》》【年(卷),期】2019(068)005【总页数】10页(P38-47)【关键词】大气中子; 单粒子效应; 中国散裂中子源; 反角白光中子源【作者】王勋; 张凤祁; 陈伟; 郭晓强; 丁李利; 罗尹虹【作者单位】西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室西安 710024【正文语种】中文1 引言近年来, 大气中子对航空电子系统的辐照效应越来越受到关注. 随着微电子技术的快速发展, 电子器件的特征尺寸和工作电压不断减小, 工作频率不断增加, 单位芯片面积上集成的器件数量随之增加, 这些趋势使得中子单粒子效应导致航空电子设备发生错误的风险不断增大[1]. 事实上, 大气中子单粒子效应不仅威胁航空电子设备的可靠性[2,3],地面上越来越多的电子设备如心脏起搏器、超级计算机、高铁控制系统、高速网络系统、大容量数据存储服务器等对可靠性要求高的电子系统也将面临大气中子单粒子效应的威胁[4,5]. 大气中子单粒子效应可能导致这些系统状态发生翻转、数据错误, 严重时会导致系统通讯中断、控制异常, 对系统的可靠性与安全性构成威胁, 甚至危及人的生命[6]. 因此, 研究大气中子单粒子效应, 预估其产生的危害, 对于提升关键应用系统的可靠性和安全性具有重要意义.美国早在20世纪90年代初就通过航空飞行实验证明了大气中子能够诱发器件发生单粒子效应[7], 引起了欧美一些航空大国的关注. 随后开展了一系列飞行试验对大气中子单粒子效应进行研究[2,8-10]. 由于飞行试验高昂的成本和风险, 人们转而在地面开展试验研究大气中子的单粒子效应[4,11-17]. 在地面上可使用以下3种中子辐射源:1) 地面(高山)大气环境[14], 提供无误差大气中子辐射环境, 但注量率太低, 能够用于开展中子单粒子效应试验, 但时间成本非常大;2) 散裂中子源[15], 提供全能谱中子, 其能谱与大气中子辐射环境比较相似, 非常适合开展中子单粒子效应试验;3) 单能中子源[16,17], 提供单一能量中子, 比较适合开展中子单粒子效应试验, 若需获得器件抗中子单粒子能力的连续谱, 需要在不同的中子辐射源上开展试验.表1给出3种中子源与航空高度大气环境的对比. 综合各方面因素, 因散裂中子源能谱与大气中子能谱较接近, 可以用作仿真大气中子束流, 且中子注量率是大气中子场的数百万倍, 是研究存储芯片和大规模集成电路单粒子效应的较为理想的模拟源[15]. 此前, 国际上已经用于开展大气中子单粒子效应试验的散裂中子源主要有美国洛斯·阿拉莫斯中子科学中心的散裂中子源、俄罗斯圣彼得堡核物理研究所的散裂中子源、加拿大的散裂中子源、瑞典斯维德贝格实验室的散裂中子源和英国鲁涉福德阿普顿实验室的散裂中子源[18].表1 大气中子单粒子效应试验中子源Table 1. Neutron sources for atmospheric neutron SEE experiment.中子源中子谱优点缺点相关文献报道国外国内航空高度环境完全相同无误差环境成本高√ ×地面大气环境谱形状相同无误差环境注量率低耗时长√ ×散裂中子源谱形状相似能量范围不同能谱范围大注量率高模拟源少√ ×单能中子源单能模拟源多成本低需要多个能量点√ √随着国内航空工业的发展, 国内学者对大气中子单粒子效应的关注也越来越多[19-22], 但受限于缺少可用于模拟大气中子的散裂中子源, 国内相关研究只能基于模拟仿真[23-25]或单能中子源[26,27]展开. 随着中国散裂中子源 (CSNS)于2018年8月23日通过国家验收, 基于CSNS开展大气中子单粒子效应研究成为可能[28]. CSNS项目中规划了4条可以用于大气中子研究的束线, 分别是第1靶站质子入射反方向和41°方向引出的两条白光中子束线, 第2靶站在引出方向与质子入射方向夹角为30°和15°的两条白光中子束线. 目前仅第1靶站的反角白光中子源建成可用, 其余3条束线尚在规划建设过程中.本文利用CSNS反角白光中子源开展多款静态随机存取存储器(SRAM)器件的中子单粒子效应试验, 给出试验开展的方法流程及试验结果, 并将结果与前期在西藏羊八井宇宙射线观测站开展的SRAM高原大气中子辐照试验结果进行对比.对CSNS 在大气中子单粒子效应研究中的应用进行评估.2 CSNS 反角白光中子源辐照试验2.1 试验对象存储器是多数高可靠电子系统中的不可缺少且对大气中子单粒子效应敏感的微电子器件, 本文以SRAM存储器为对象, 开展大气中子单粒子效应试验. 考虑到SRAM 器件工艺及设计上的差异会对器件的中子单粒子效应的敏感性产生影响, 为增强实验数据的可比性, 对实验器件的选择遵循相同厂家、相同系列、相同工艺和相同单元结构的原则. 根据上述原则, 在 HITACHI/RENESAS 公司生产的HM62系列互补金属氧化物半导体工艺商业级SRAM器件中选择3款, 它们具有相同的单元结构, 特征工艺尺寸分别为 0.18, 0.35, 和 0.5 .器件详细参数如表2所列.表2 待测 SRAM 器件参数Table 2. Parameters of the SRAM devices for test.特征尺寸/工作电压/V HM62V8100 RENESAS 8 M (1 M × 8 bit) 0.18 3HM628512B HITACHI 4 M (512 K × 8 bit) 0.35 5 HM628512A HITACHI 4 M (512 K × 8 bit) 0.50 5型号制造商容量/bits2.2 试验源及条件CSNS是一个可开展多学科研究的国家大科学装置. 它利用1.6 GeV入射质子轰击钨靶产生大量中子, 中子能谱很宽, 设计最高能量达1 GeV以上, 即使是反角方向能量也可达200 MeV, 可用于开展核数据测量和中子辐照试验. 反角白光中子源实验终端的布局如图1所示, 高能质子沿质子通道到达钨靶. 入射质子束流将被距钨靶20 m处的偏转磁铁偏转15°; 在环到靶的输运线上钨靶到偏转磁铁之间质子束流与中子束流将共用一部分真空束流管; 在偏转磁铁处中子束流和质子束流自然分离. 基于CSNS质子输运线的此特点,在偏转磁铁后建有专用的中子通道, 在中子通道约56, 76 m处建有两个试验厅: 终端1和终端2[28].图1 CSNS 反角白光中子源实验终端布局[28]Fig. 1. Layout of back-n at CSNS[28].本文在终端2中开展SRAM中子单粒子效应辐照试验, 终端 2的束流能量范围是0.1 eV—200 MeV. 试验过程中 CSNS 运行在 20 kW 附近,注量率约为1.6 × 106 n/(cm2·s). 图 2 给出了 20 kW附近运行时终端2处的中子微分能谱与羊八井大气中子微分能谱的对比. 可以看出, CSNS反角白光中子源与真实的大气中子能谱比较相近.图2 CSNS 反角白光中子源终端 2 与羊八井大气中子微分能谱对比Fig. 2. Comparison between the differential neutron energy spectra of CSNS back-n and Yangbajing.2.3 试验方法试验现场包括位于地下的试验厅(终端2)和地上的控制间, 两个区域垂直距离约25m, 以保障人员的安全. 由于试验厅内本底较低, 试验过程中直接将测试板置于试验厅内, 另一方面为了减小人员受到的辐照剂量, 测试人员在控制间通过远程计算机控制整个试验流程, 试验厅和控制间通过以太网进行连接, 如图3所示.图3 CSNS 反角白光中子源辐照试验布局示意图Fig. 3. Layout of the irradiation experiment at CSNS back-n.CSNS反角白光中子源的试验终端2可以提供 cm, cm 和9 cm × 9 cm 的中子束流, 本文选择 cm的束流开展单粒子效应辐照试验.为保证试验数据的可靠性, 每种型号器件选择3片器件同时进行辐照, 如图4所示.每款器件进行4轮测试, 每轮测试写入不同的数据, 4 轮测试分别写入 0x00H,0x55H, 0xAAH和0xFFH. 监测方法是通过对比中子辐照前后被测SRAM器件中的数据变化来统计单粒子翻转数. 单粒子翻转监测有动态和静态两种方法, 为实时掌握测试过程的情况, 采用动态监测方法, 即辐照前向存储单元写入数据, 每隔固定时间间隔回读数据, 并与写入数据进行逐位比对统计错误的比特位数. 试验过程中实时监测辐照板电流, 当超过一定阈值时认为发生单粒子闩锁效应, 然后给辐照板重新上电, 重新写入数据进行测试.图4 辐照过程中的器件布局Fig. 4. Layout of the devices under test.2.4 试验结果试验过程中, 所有器件均观测到单粒子翻转效应; 此外HM628512B还观测到单粒子闩锁效应.HM628512B测试0x55H图形时, DUT2的翻转数明显高于DUT1和DUT3予以剔除, 其余测试中每款SRAM的3片器件的翻转数量相差不大, 均认定为有效数据. 得到翻转位置的物理地址均匀分布, 可以认为观测到的翻转全部是中子导致的单粒子翻转.SRAM器件的中子单粒子效应翻转截面计算公式如下:式中为中子单粒子翻转截面, 单位为cm2/bit;NSEU为实验测得的单粒子翻转数, 单位为次; C为被测 SRAM器件的总容量, 单位为 bit; 为有效注量, 区别于单能中子辐照试验中的总注量, 这里应该取总注量中大于能量阈值的部分, 单位为n/cm2. 如果取总注量则会低估被测器件的单粒子翻转(SEU)截面. 一般认为, 对SRAM敏感的能区主要是能量大于1 MeV的中子[18,28], 因此首先假设三种器件的能量阈值均为1 MeV. 定义大于能量阈值的部分注量为有效注量, 则根据图2给出的微分能谱可以计算出有效注量为总注量的45.73%. 利用(1)式可得到不同器件不同测试图形下的翻转截面, 由表 3给出. 可以看出, 不同测试图形下获得的每种器件翻转截面相差不大.此外, 在 HM628512B 的辐照过程中, 3 个器件共观测到 12 次闩锁, 总注量为1.36 × 1010 n/cm2.若仍考虑45.73%的有效注量, 则由(2)式计算单粒子闩锁(SEL)截面为2.94 × 10–10 cm2/device.式中为中子单粒子闩锁截面, 单位为cm2/device;NSEL为实验测得的单粒子闩锁次数, 单位为次;Ndevice 为被测器件的个数; 有效注量, 单位为n/cm2.表3 在CSNS反角白光中子源的SEU测试结果Table 3. Test result of the SEUs in CSNS back-n.型号测试图形总容量/bit 总注量/n·cm–2 有效注量占比/% 翻转数(#) 翻转截面/cm2·bit–1 置信水平/%HM62V8100 0x00H 24M 2.90 × 109 45.73 343 1.02 × 10–14 94.6 0x55H 24M 2.89 × 109 45.73 367 1.10 × 10–14 94.8 0xAAH 24M 2.89 × 109 45.73 387 1.16 × 10–14 94.9 0xFFH 24M 2.93 × 109 45.73 342 1.01 × 10–14 94.6 HM628512B 0x00H 12M 3.12 × 109 45.73 207 1.15 × 10–14 93.0 0x55H 8M 3.84 × 109 45.73 197 1.34 × 10–14 92.9 0xAAH 12M 4.90 × 109 45.73 303 1.07 × 10–14 94.3 0xFFH12M 1.78 × 10945.73 114 1.11 × 10–14 90.6 HM628512A 0x00H 12M 3.03× 109 45.73 176 1.01 × 10–14 92.5 0x55H 12M 3.94 × 109 45.73 262 1.16 × 10–14 93.8 0xAAH 12M 2.94 × 109 45.73 215 1.27 × 10–14 93.2 0xFFH12M 2.93 × 109 45.73 205 1.22 × 10–14 93.03 试验结果评估为评估利用CSNS反角白光中子源模拟大气中子开展微电子器件大气中子单粒子效应的效果,将上述的测量结果与前期开展的高原大气中子单粒子效应试验结果进行对比.3.1 与大气中子辐照试验对比早期利用上述的3款器件在西藏羊八井宇宙射线观测站开展了SRAM大气中子单粒子效应(SEE)辐照试验. 羊八井宇宙射线观测站位于东经90.5°, 北纬30.1°, 海拔4300 m, 现场如图 5(a)所示. 仿真获得羊八井的大气中子微分能谱, 如图2所示, 可以得到每小时中子通量为277.5 ,其中大于 1 MeV 占比 46.12%, 即 128 .为缩短试验时间, 采用大规模存储矩阵的方式构建测试系统, 如图5(b)所示, 测试过程中所有器件写入数据0x55H, 经过数千小时的辐照试验3种器件分别获得195, 181和76次翻转. 根据(1)式计算得到羊八井大气中子辐照的单粒子翻转截面,利用文献[29]中的方法可以计算结果的置信水平, 三种器件的置信水平均不低于97%, 测试及计算结果列于表4.图5 羊八井大气中子单粒子效应试验 (a)测试场景;(b)测试系统Fig. 5. SEE test in Yangbajing: (a) Test environment;(b) test system.表4 在羊八井测得的 SEU 翻转结果Table 4. Test result of the SEU in Yangbajing.型号总容量/bit 测试时长/h 翻转数(#) 翻转率/#·bit–1·h–1 翻转截面/cm2·bit–1 置信水平/%HM62V8100 8M × 573 6085 195 6.67 × 10–12 5.21 × 10–14 98.6 HM628512B 4M × 1221 5198 181 6.80 × 10–12 5.31 × 10–14 98.3 HM628512A 4M × 635 5198 76 5.49 × 10–12 4.29 × 10–14 97.4在20 kW附近运行时, CSNS反角白光中子源大于 1 MeV 的中子通量为7.32 × 105 n/(cm2·s),而羊八井能量大于1 MeV的大气中子为3.56 ×10–2 n/(cm2·s). 在当前功率下, CSNS 反角白光中子源大于1 MeV的中子通量为羊八井大于1 MeV的大气中子的2.1 × 107倍. 可见 CSNS 反角白光中子源可用于加速大气中子单粒子效应试验, 考虑1 MeV能量阈值时20 kW工作加速因子就达到了2.1 × 107.图6给出了写入0x55H时CSNS反角白光中子源与大气中子辐照单粒子翻转截面对比. 可以看出位翻转截面与器件的特征尺寸没有明显的单调关系, 其原因分析如下: 一方面, 器件特征尺寸减小使得器件的临界电荷降低, 导致相同的中子入射后翻转截面增大; 另一方面, 器件特征尺寸减小使得敏感体积减小, 即被中子击中的概率减小, 导致翻转截面减小; 两个方面的影响是竞争关系, 因此,位翻转截面与器件的特征尺寸没有必然的单调关系.图6 CSNS 反角白光中子源与羊八井大气中子 SEU 截面对比Fig. 6. Comparison of the SEU cross section between the tests in CSNS back-n and Yangbajing. 从图6中还可以看出, CSNS反角白光中子源获得的翻转截面均小于在羊八井获得的翻转截面,对于上述三种器件, CSNS反角白光中子源测得的翻转截面分别是羊八井的21%, 25%和27%. 即考虑能量阈值为1 MeV时, 大气中子导致的翻转截面约是CSNS反角白光中子源的3—5倍.为分析导致两种环境截面不同的原因, 对比CSNS反角白光中子源和羊八井大气中子的能谱.图7给出了两种中子源大于1 MeV部分的微分能谱对比, 可以计算不同能区中子的占比, 表5给出了1 MeV以上中子中不同能区中子的占比.可以看出, CSNS反角白光中子源中大于1 MeV的中子主要集中在1—10 MeV, 占比达到81.7%,10—100 MeV 的中子占 16.8%, 大于 100 MeV 的中子仅占1.5%. 而羊八井大气中子谱中上述3个能区占比相当, 分别为 35.6%, 32.1%和32.3%.表5同时给出了JEDEC[29]地面标准大气中子能谱和IEC[30]航空12 km 标准大气中子能谱. 可以看出羊八井大气中子能谱与两种标准能谱中大于1 MeV 的中子各能区占比相近, 而CSNS反角白光中子源中子谱偏软, 能量主要集中在低能区. 根据单能中子单粒子效应的模拟仿真[23]和试验[16]结果, 能量越大的中子导致的中子单粒子效应截面越大, 因此羊八井测得的大气中子单粒子效应截面比CSNS反角白光中子源测得的截面大.图7 CSNS反角白光中子源与羊八井大气中子微分能谱对比(大于1 MeV部分)Fig.7. Comparison between the differential neutron energy spectra of CSNS back-n and Yangbajing (above 1 MeV).表5 不同中子环境中中不同能区的中子占比Table 5. Proportion of different energy bands in different neutron environments.中子源中子数占比/% 通量/cm2·s–1 (> 1 MeV)1—10 MeV 10—100 MeV >100 MeV JEDEC(地面) 35 35 30 5.56 × 10–3 IEC(12 km) 36.5 37.2 26.3 2.43 × 100羊八井 35.6 32.1 32.3 3.56 × 10–2 CSNS-back-**********.81.57.32×105(20kW)CSNS-TS1-41° @20 m 50 28 22 —CSNS-TS2-30° 44 28.5 27.5 —CSNS-TS2-15° 22.6 25 52.4 —3.2 CSNS反角白光中子源试验结果的修正考虑能量阈值为1 MeV时, 实际使用的大气环境中SRAM器件的翻转截面约为CSNS白光中子源辐照试验获得截面的3—5倍. 即直接用CSNS白光中子源评价电子器件的抗大气中子单粒子效应水平可能会低估大气中子导致的翻转截面. 为此, 可以引入修正因子的概念, 对于一款器件定义大气中子条件下测得的翻转截面与CSNS白光中子源获得的翻转截面比值为该器件的修正因子. 即在CSNS白光中子源测得中子单粒子翻转截面后乘以修正因子即可估计该器件在大气中子单粒子效应的翻转截面, 对于上面的器件能量阈值取 1 MeV 时, 修正因子分别为 4.76, 4 和3.70.上面假设了三种器件的能量阈值相等均为1 MeV, 但实际上SRAM器件的翻转能量阈值很难精确获得且与器件的特征尺寸有关[31]. 因为器件的特征尺寸越大敏感体积越大, 从而临界电荷也越大, 因此电位翻转所需要的最低能量越大. 即能量阈值随着特征尺寸的增大而增大. 文献[31]仿真得到特征尺寸为 0.18, 0.35和 0.5 的SRAM 器件的能量阈值分别为 0.6, 2.5 和 6.0 MeV. 为说明能量阈值估计不准确带来截面估算的差异, 本文不考虑上述仿真结果的准确程度, 假设HM62V8100,HM628512B和HM628512A的实际能量阈值分别为0.6, 2.5 和6.0 MeV, 分析与上面能量阈值取1 MeV时的差异. 首先根据微分能谱可以重新计算CSNS反角白光中子源和羊八井大气中子对在这三种能量阈值下的有效注量占比, 进一步计算三种器件考虑不同能量阈值时的翻转截面列于表6. 对于能量阈值降低到0.6 MeV的HM62V8100在两种中子源的翻转截面比值由1 MeV的21%降低为18%;对于能量阈值升高到2.5 MeV的HM628512B在两种中子源的翻转截面比值由25%升高为36%;对于能量阈值升高到6 MeV的HM628512A翻转截面比值由27%升高为64%. 此时, 三种器件的修正因子分别变为5.56, 2.78和1.56. 可见能量阈值对翻转截面的计算和修正因子都有很大的影响. 这是因为一般器件的翻转能量阈值介于0.3—6 MeV之间[31], 而CSNS反角白光中子源的峰值能量在1 MeV 附近, 其中 0.3—6 MeV能量区间的中子占比达到60.78%, 该能量区间在羊八井大气中子中的占比为24.26%. 一般器件的中子能量阈值很难精确获得, 在存在能量阈值误差时, 相同的阈值误差在CSNS反角白光中子源试验中引入更大的截面误差, 从而影响修正因子. 对于一款器件, 试验结束后, 测得的翻转数不变, 能量阈值变化导致有效中子注量变化, 从而影响截面的大小和修正因子的估算. 图8给出了计算得到的不同能量阈值相对1 MeV时修正因子的变化关系.值得指出的是, 取不同能量阈值时加速因子也随着修正因子等比例变化.表6 考虑不同能量阈值时有效注量占比及SRAM器件的翻转截面Table 6. SEU cross section of SRAMs and percentage of effective neutrons considering different energy threshold.型号能量阈值/MeV 有效注量占比/% 翻转截面/cm2·bit–1 CSNS back-n 羊八井 CSNS back-n 羊八井HM62V8100 0.6 59.23 51.13 8.50 × 10–15 4.70 × 10–14 HM628512B 2.5 26.61 38.02 2.30 × 10–14 6.43 × 10–14 M628512A 6.0 13.48 32.16 3.94 × 10–14 6.15 × 10–14图8 不同能量阈值相对 1 MeV 时修正因子的变化关系Fig. 8. Correction factor with different energy threshold compare to 1 MeV.从图8可以看出, 随着能量阈值的增大器件修正因子逐渐减小, 减小的幅度也越来越平缓. 当取能量阈值为 10, 12 和 14 MeV 时, 修正因子分别是 1 MeV 的 0.28, 0.25 和 0.22 倍, 对应上述 3 款器件的修正因子如表7所列.从表 7 可以看出, 能量阈值取 10, 12 和 14 MeV时, 3 款器件的修正因子均在 1 附近, 其中, 能量阈值取 12 MeV时修正因子最接近 1 , 即在 CSNS反角白光中子源获得的截面与在羊八井大气中子环境中测得的截面结果最为一致. 从表7还可以看出, 相对于1 MeV附近, 能量阈值在此范围的变化对修正因子的影响不大, 此结果与图7中给出的修正因子随能量阈值变化的趋势吻合.表7 能量阈值取 10, 12 和 14 MeV 时器件对应的修正因子Table 7. Correction factor for the DUTs with different energy threshold.型号不同能量阈值取值时的修正因子10 MeV 12 MeV 14 MeV HM62V8100 1.33 1.19 1.05HM628512B 1.12 1.00 0.88 HM628512A 1.04 0.93 0.81根据单能中子单粒子效应的相关研究[16,23,31],一般器件在中子能量刚超过阈值附近的单粒子效应截面比饱和截面小很多(一般2个数量级左右),中子能量由2.5 MeV增大到14 MeV时测得的单粒子效应截面增大达1个数量级以上[32]. 可见, 大气中子单粒子翻转截面主要决定于10 MeV以上的中子通量. 尽管CSNS反角白光中子源10 MeV以下中子占比达到81.7%, 其对总翻转数的贡献仍比10 MeV以上的中子小很多. 这也是本文中用12 MeV的能量阈值进行计算时在CSNS反角白光中子源和羊八井大气中子环境中获得相似截面的原因. 因此尽管目前微电子器件单粒子翻转的中子能量阈值一般较小, 但在利用CSNS反角白光中子源的试验结果评估大气中子的威胁时, 可以只考虑 12 MeV以上的中子进行计算. 此时, 用CSNS开展大气中子单粒子效应试验的加速因子是能量阈值取 1 MeV 时的约 0.25 倍, 为5.2 × 106.3.3 CSNS在大气中子单粒子效应研究中的应用展望根据上述试验结果的分析可知, CSNS反角白光中子源可以应用于加速大气中子单粒子效应试验. 在 20 kW附近运行时, CSNS反角白光中子源大于1 MeV的中子通量已是羊八井大气中子的2.1 × 107倍, 是 JEDEC 地面标准大气的1.3 ×108 倍, 是 IEC 航空 12 km 高度大气的3.1 × 105 倍.可见CSNS反角白光中子源可用于开展加速大气中子单粒子效应试验, 且随着CSNS的运行功率逐步提高, 其中子通量也会同步提高, 加速因子将等比例提高.另一方面, 由于CSNS反角白光中子源的中子能谱偏软, 直接利用大于1 MeV的中子进行计算将导致SRAM中子单粒子效应翻转截面与大气中子辐照试验相比偏小, 从而导致用CSNS白光中子源评价电子器件的抗大气中子单粒子效应水平时低估大气中子导致的翻转截面. 因此, 在预估大气中子单粒子效应截面时, 可以根据器件的中子能量阈值对试验结果进行修正. 一般情况下, 器件的翻转阈值很难精确获取, 而且相对于高能中子, 器件在能量阈值附近的翻转数可以忽略, 因此可以直接取12 MeV的能量阈值进行计算, 此时在CSNS反角白光中子源测得的单粒子翻转截面可以近似估计器件在大气中子环境中单粒子效应截面水平. 此时, 用CSNS开展大气中子单粒子效应试验的加速因子是能量阈值取1 MeV时的约0.25倍.除了反角白光中子源, CSNS还规划了其他3条可用于模拟大气中子的白光中子束线. 根据上述束线中子能谱的仿真分析[18,28], 在这4条白光中子束线中, 已建成可用的反方向白光中子源能谱最软, 中子高能成分最低, 与大气中子能谱相差最大.根据表5中给出的其他3条白光中子束线大于1 MeV中子中不同能区中子占比[18,28], 可以看出规划中的3条束线可以更好地模拟大气中子能谱, 其中第2靶站引出方向与质子入射方向夹角为30°的白光中子束线与大气中子能谱最为接近. 未来可更好地服务于大气中子单粒子效应研究.4 结论本文利用CSNS反角白光中子源开展了SRAM器件大气中子单粒子效应试验, 被辐照器件均观测到单粒子翻转效应, 不同测试图形的翻转截面差别不大. 单粒子翻转截面与器件的特征尺寸没有明显的单调关系, 其原因是特征尺寸降低导致临界电荷和敏感体积的变化对翻转截面的贡献为竞争关系.其次, 本文利用前期在西藏羊八井开展的高原大气中子辐照试验结果对CSNS反角白光中子源进行评估, 结果表明考虑1 MeV的能量阈值时, 在羊八井获得的单粒子翻转截面是在CSNS反角白光中子源获得数据的约3—5倍. 其原因在于两种辐射环境中子能谱的差异, CSNS反角白光中子源相对于大气中子低能区中子占比多, 高能区中子占比少. 因此直接用CSNS白光中子源评价电子器件的抗大气中子单粒子效应水平可能会低估大气中子导致的翻转截面. 本文根据试验结果, 引入修正因子的概念, 即基于CSNS反角白光中子源获得的翻转截面乘以修正因子即为估计的大气中子单粒子翻转截面. 此外, 根据CSNS反角白光中子源与大气中子能谱的差异分析了能量阈值的差异对翻转截面估计的影响, 并给出了修正因子随能量阈值的变化关系, 发现用12 MeV的能量阈值进行计算时, 在CSNS反角白光中子源测得的单粒子翻转截面可以很好地估计器件在大气中子环境中的单粒子效应水平, 此结果为后续利用CSNS反角白光中子源开展中子单粒子效应试验提供了参考.同时本文的研究结果还表明, CSNS反角白光中子源可以应用于加速大气中子单粒子效应试验.在20 kW附近工作时, CSNS反角白光中子源大于1 MeV的中子通量相对于JEDEC地面标准大气中子、羊八井大气中子和IEC航空高度大气中子的加速因子分别是1.3 × 108, 2.1 × 107和3.1 ×105倍. 能量阈值采用 12 MeV 进行计算时, 加速因子降为取1 MeV的约0.25倍. 随着CSNS运行功率的逐步提高, 加速因子也会同步提高. 除论文中使用的CSNS反角白光中子束线外, CSNS还在规划另外3条白光中子束线, 且与大气中子能谱更为接近. 预期CSNS未来可更好地服务于大气中子单粒子效应研究, 助力我国抗辐射加固事业及航空工业的发展.感谢中国散裂中子源提供束流机时, 感谢反角白光中子源的同志的支持和帮助.参考文献【相关文献】[1]Abe S, Watanabe Y 2014 IEEE Trans. Nucl. Sci. 61 3519[2]Normand E 1996 IEEE Trans. Nucl. Sci. 43 461[3]Hubert G, Bezerra F, Nicot J M, Artola L, Cheminet A,Valdivia J N, Mouret J M, Meyer J R, Cocquerez P 2014 IEEE Trans. Nucl. Sci. 61 1703[4]Normand E 1996 IEEE Trans. Nucl. Sci. 43 2742[5]Quinn H, Graham P, Manuzzato A, Fairbanks T, Dallmann N, DesGeorges R 2010 IEEE Trans. Nucl. Sci. 57 3547[6]Dyer C, Hands A, Ryden K, Lei F 2018 IEEE Trans. Nucl.Sci. 65 432[7]Taber A, Normand E 1993 IEEE Trans. Nucl. Sci. 40 120[8]Olsen J, Becher P E, Fynbo P B, Raaby P, Schultz J 1993 IEEE Trans. Nucl. Sci. 40 74[9]Normand E, Baker T J 1993 IEEE Trans. Nucl. Sci. 40 1484[10]Normand E 2001 IEEE Trans. Nucl. Sci. 48 1996[11]Flament O, Baggio J, D’hose C, Gasiot G, Leray J L 2004 IEEE Trans. Nucl. Sci. 51 2908[12]Lambert D, Baggio J, Hubert G 2006 IEEE Trans. Nucl. Sci.53 1890[13]Hands A, Morris P, Dyer C, Ryden K, Truscott P 2011 IEEE Trans. Nucl. Sci. 58 952[14]Autran J L, Roche P, Borel J, Sudre C, Karine C, Munteanu D, Parrassin T, Gasiot G, Schoellkopf J P 2007 IEEE Trans.Nucl. Sci. 54 1002[15]Takashi N, Mamoru B, Eishi I (translated by Chen W, Shi S Z, Song Z H, Wang C H )。
大气中子单粒子效应对微电子器件的影响
ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ） ）获 取 微 电 子 器 件 的 敏 感 器 件 主 要 是 ＤＳ Ｐ 、
（ ４） ＥＤＡＣ：
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
Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ・ 电子技 术
大气 中子单粒子效应对微 电子器 件的影响
文／ 董玉花 陈佳
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
பைடு நூலகம்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
（ ４） ＥＤＡＣ。
４对 中子单粒 子效应的防护设计
４ ． １一 般 原 则
在满足功 能、性 能的条件 下 （ １ ）优先选用 提供 了单 粒子敏感 型数据 且满足相关防护要求 的器件 ； （ ２ ）优 先选用具 有抗 中子 单粒子效应 能 ２ 中子 单粒子 效应对 微 电子器 件产生 影 力或 中子单粒子 效应较 不敏感 的器 件，如优先 考虑使 用反熔丝 Ｆ Ｐ ＧＡ、Ｆ ｌ ａ ｓ ｈ Ｆ Ｐ ＧＡ、非 易失 响 的后 果 性存储器等器件 ； 研 究 表 明 ， 微 电 子 器 件 是 大 气 中 子 单 粒 （ ３ ）优 先 选 用 一 种 或 多 种 防 护 措 施 组 合 设计： 子 效 应 敏 感 器 件 ， 复 杂 航 电系 统 会 大 量 使 用 此 的 方 法 实 现 消 除 或 缓 减 单 粒 子 效 应 的危 害 影 （ ５ ）在条件 允许 的情 况下，建 议对重要 类 单 粒 子 效 应 敏 感 器 件 。巡 航 高 度 下 ，大 气 中 响 ； 数 据的每个 字 中的每个 ｂ ｉ ｔ 位 采取隔 离的物理 子辐射环境会使 ＣＰ Ｕ、ＤＳ Ｐ 、Ｆ Ｐ ＧＡ、存储器 、 （ ４ ）重点针 对敏感器件 进行单 粒子效应 地址存储 的方法 。 总线控制器等带 有存储结构的复杂航空 电子系 防护， 同时应对模块进行单粒子效应防护设 统法 发 生单 粒子 效应 ， 引起 系 统 出现数 据异 （ ５ ）尽量减少设备 中未防护 的存储位数： ５小结 常、丢帧 、黑屏 、复位 及死机等故障现象 ，使 （ ６ ）针对关键 核心器件 ，建议在 设计 中 大 气 中子单 粒子 效应对 微 电子 器件 的可 复杂航空 电子系统 可靠 性指标降低一至几个数 考虑单粒子效应事件 的监测措施 。 靠性存在一定 的影 响，微 电子器件 采用中子单 量 级。 ４ ． ２单粒子效应诱发 的硬故障 防护设计要求 粒子效应 的防护 设计后 ，可及 早避 免电路设计 ３ 中子 单粒子 效应 对微 电子器 件产生 影 中 由于 单 粒 子 翻 转 导 致 的硬 故 障和 软 故 障 的 发 微 电子器 件 中子 单粒 子效应 诱发 的硬 故 响 的量 化分析 生 ，及 早 进 行 设 计 改 进 措 施 ，提 高产 品 可 靠 性 障防护设计要求有 以下几点 ： 设计，保证产品质量。 中子 单粒 子效应 对 微 电子器 件 的影响 可 （ １ ）微 电子器件应采用冗余备份措施 ： 以通 过 预 计 来进 行 量 化 分 析 。 （ ２ ）选用 高压功率 器件 的微 电子器件 应 参考文 献 采用冗余备份措施； 【 １ ］ Ｉ Ｅ Ｃ ６ ２ ３ ９ ６ － １航 空 电子设备 过程 管 理 一一 ３ ． １通用参数 （ ３ ）选用功率 ＭＯＳ Ｆ Ｅ Ｔ器件在条件 允许 大气辐射效应 第一部分：航 空电子设 备 大 的情况 下，建议采用冗余备份措施。 （ １ ） 任务剖面 中子注量 率：５ ４ ５ ０ ／ （ ｃ ｍ２ ． ｈ 气中子单粒 子效应应对 策略 ， ２ ０ １ １ ． （ ４ ）高 压功 率器 件必 须工 作在 ２ ７ ０ Ｖ 以 （ ２ ）器 件中子 单粒子 效应截面 ：历史数 ［ ２ 】 Ｉ Ｅ Ｃ ／ Ｔ Ｃ ６ ２ ３ ９ ６ － ３航 空 电 子 设 备 过 程 管 下。 据，或根据工艺推导 。 理 一一大气辐射效应 第三部分 ：应对 大 气 中子单粒子效应 的系统优化设计 ， ２ ０ １ １ ． ３ ． ２采集信 息 ４ ． ３单粒子效应诱发 的软故 障防护设计要求 ［ ３ ３ Ｉ ］Ｅ Ｃ ／ Ｔ Ｃ ６ ２ ３ ９ ６ － ５航 空 电 子 设 备 过 程 管 微 电子器 件 中子 单粒 子效应 诱 发 的软故 理 一一大气辐射效应 第五 部分： 热中子注 ３ ． ２ ． １器件 敏 感 特 性 分 析 障 防 护 设 计 中要 求 在 以 下 措施 中 选 取 一 种 或 几 量 率 与航 空 电子 系统 单 粒 子效 应评 估 指 大气 中子 单粒 子 效应主 要包 括单 粒子 翻 南， ２ ０ １ １ ． 转 、单粒子多位翻转 、单粒子 功能终止、单粒 种组合 的方法减缓 中子 单粒子效应引起的危害 Ｆ Ｐ ＧＡ、存储 器、总线控 制器 等）时 ，引起器 件 产生逻辑反转 （ 从逻 辑 “ ｌ ”变成逻辑 … ０’ 或 相反 ）、闩锁或永久损伤 的现象 。 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 （ ６ 。 。 （ ｃ ｍ ／
单粒子效应模拟实验研究
在确定效应数 N 时, 还应考虑多次翻转问题。在入射粒子注量和翻转截面皆很大的情况 下, 可能发生2次甚至3次翻转。在这种情况下, 必须对累积记录的翻转数进行修正。经推导, 得
到修正2次翻转的翻转数公式为:
N ′(t) = N ( t) f 式中: N (t) 为实测翻转数, f 为2次翻转修正系数。
表1 不同厂家产品 D RAM 单粒子翻转截面 Ρ 的比较 Table 1 The SEU cross section s Ρ of D RAM from a few factor ies for 14 M eV neutron
一种用于评估抗辐射DSP单粒子翻转的试验方法
一种用于评估抗辐射DSP单粒子翻转的试验方法
王月玲;薛海卫;郭刚;雷志军;史淑廷;刘建成
【期刊名称】《微电子学与计算机》
【年(卷),期】2018(35)10
【摘要】本文提出了评估DSP电路单粒子翻转效应的试验方法,该方法包含单独静态检测SRAM、通过CPU读取内部寄存器和功能检测等三种方式.根据该方法,设计了DSP电路的单粒子翻转检测软件系统和硬件检测系统,并在HI-13串列重离子加速器上进行了单粒子翻转验证试验,获得了待测DSP器件的地面模拟翻转率数据.利用在轨错误率计算软件,计算出在标准辐照注量(1.0E+7icons/cm2)下电路的SEU在轨软错误率约为1.8E-12错误/位天(GEO,等效3mm Al屏蔽),运用该方法可以较好的评估DSP电路的单粒子翻转性能.
【总页数】5页(P53-57)
【关键词】单粒子翻转;试验方法;抗辐射加固;DSP
【作者】王月玲;薛海卫;郭刚;雷志军;史淑廷;刘建成
【作者单位】中国电子科技集团公司第五十八研究所;中国原子能科学研究院【正文语种】中文
【中图分类】TN47
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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%。
在高度12.2km、北纬45°位置，能量10MeV以上的大气中子注量可以达到6000n/cm2h[1]，中子在大气层中的具体分布受到海拔高度、纬度、太阳活动等因素的影响。
航空用电子器件（如 FPGA、SRAM[2]、DRAM[3，4]、DSP等）在大气中子辐射环境下会发生辐射效应。
已有的研究表明[1]，大气中子单粒子效应（SEE）对航空电子器件的影响最为严重，总剂量效应和位移损伤效应的影响可以忽略不计。
自20世纪90年代初以来，中子已被证实是导致飞机中存储器与其他半导体微电子器件产生SEE的主要贡献粒子[5，6]。
常见的SEE有：单粒子翻转（SEU）、单粒子多位翻转（MBU）、单粒子瞬态（SET）、单粒子锁定（SEL）、单粒子功能中断（SEFI）、单粒子烧毁（SEB）、单粒子栅穿（SEGR）和单粒子硬错误（SHE）等[1]。
随着高集成度电子元器件的大量应用，单粒子效应的种类和发生频次也在不断增加，可导致航空电子设备出现死机、复位、重启、数据丢失等故障，最终导致航空电子系统出现功能丧失（Loss of Function）或虚警现象（HMI），严重影响飞机安全等级[7]。
因此，大气中子单粒子效应已经成为影响飞机安全性与可靠性的重要因素[8]。
鉴于此，美国波音[9，10]、欧洲空客[11]等公司在航空电子设备标准中增加了大气中子诱发航空电子设备单粒子效应率的评价要求，将试验评价要求具体纳入了工程化标准[12]和适航认证要求[13，14]。
国内针对大气中子单粒子效应已经开展了试验评价和防护设计研究[15，16]，利用反应堆中子和14MeV中子源开展了SRAM存储器单粒子效应试验研究[17，18]。
由于飞机导航系统、通信系统、雷达探测系统、数据处理系统、显示控制系统等重要航空电子系统中均大量使用DSP器件，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室针对得州仪器（TI）公司研制的部分型号DSP器件，使用散裂中子源进行了中子单粒子效应试验研究[19，20]。
因此，广泛应用于航空电子设备且对大气中子单粒子效应敏感的DSP器件，迫切需要评估其在大气中子辐射环境下的敏感特性。
本文以TI公司研制的DSP为研究对象，采用14MeV中子辐照源开展DSP大气中子单粒子效应的地面模拟试验研究，获得多个不同型号DSP器件的单粒子效应敏感截面，结合典型大气中子环境，分析计算出单粒子效应发生率，获得的试验数据可为航空电子设备的可靠性和安全性评估提供基础数据。
1 试验设计1.1 试验对象本文所选用的试验对象为TI公司生产的5款不同型号的DSP，器件基本信息如表1所示。
DSP硬件结构主要包含：CPU内核、寄存器组、内部存储器（RAM/ROM）和片内接口电路等，部分高性能DSP还具有两级缓存器（Cache）。
图1为TI公司TMS320C6416型DSP的典型结构功能框图，该系列器件采用COMS 90nm加工工艺制造。
其中，内部RAM和Cache缓存器是对单粒子效应最敏感的部分，也是本文重点研究与监测的区域。
图1 TMS320C6816型DSP硬件结构Fig.1 Hardware structure of DSPTMS320C6816此外，不同DSP器件能够监测的内部存储单元容量和区域是不同的。
其中，TMS320F2812和SMJ320F2812内部具有5块RAM存储单元，可以分别独立读写程序和数据，其容量总和为288Kbit。
TMS320VC5410内部具有1Mbit的RAM存储单元，包括8个独立的8K×16bit程序/数据存储单元。
TMS320C6418内部包括64个32bit通用寄存器、128Kbit的L1程序缓存、128 Kbit的L1数据缓存和4Mbit的L2缓存，通用寄存器和L1缓存由于在DSP运行时会随程序动态变化，因此测试时只能监测L2缓存的单粒子翻转效应。
TMS320C6416内部存储单元的组成结构与TMS320C6418相同，只能监测8Mbit的L2缓存。
表1 器件参数信息Table 1 Information of device parameters序号型号工艺尺寸/nm内部存储位数/Kbit监测存储位数/Kbit引脚/内核电压/V 1TMS320F2812 180 288 288 3.3/1.8 2 SMJ320F2812 180 288 288 3.3/1.8 3 TMS320VC5410 130 **** **** 3.3/1.5 4 TMS320C6418 130 **** **** 3.3/1.4 5 TMS320C6416 90 8450 8192 3.3/1.21.2 试验源与条件IEC62396-2[12]规定可用于辐照试验的中子源有：散裂中子源、准单能中子源、单能14MeV中子源。
其中，散裂中子源最接近于大气中子能谱，与大气中子产生机理相同，可以较好地模拟大气中子辐射环境。
本文所用的14MeV中子辐照源是由高压倍加速器产生的高能中子，参考文献[21]和参考文献[22]研究表明，近年来器件在散裂中子源和单能14MeV中子源下产生的单粒子截面呈现出逐渐接近的趋势，完全可用于地面辐照试验。
试验在标准大气条件下开展，保持室温在15～35℃范围内，相对湿度在20%～80%范围内。
整个DSP器件的中子辐照非均匀度小于10%。
为保证能获得具有统计意义的足够单粒子效应事件数，一般试验中出现的错误数大于100个时即终止辐照试验。
考虑到单粒子效应是瞬态随机效应而不是累积效应，在不引入累积效应之前，在中子通量达到109n/cm2时同样终止辐照试验。
中子注量率不是试验严酷程度的度量，试验中注量率应调整到使得每次回读错误数不超过监测总位数的1%，因此，本文试验中注量率设定在103～104n/cm2。
1.3 SEU监测方法监测方法的原理是通过对比被测DSP器件内部存储单元，在中子辐照前后的状态的变化来统计SEU的错误数。
单粒子效应监测有动态和静态两种方法，考虑到JTAG接口回读数据的非实时性，本文采用的是静态监测方法，辐照前向内部存储单元写入0x55。
在中子辐照后，回读DSP内部存储单元的状态，回读数据与辐照前的数据相比较并统计错误的比特位数。
1.4 试验系统布局试验系统主要由14MeV中子加速器、铝屏蔽板、受试电路板、供电电源、信号及供电电缆、监测和控制设备等组成。
试验现场包括辐照间和测试间两个区域，中子加速器、铝屏蔽板和辐照电路板放置在辐照间，该区域具备隔离作用，防止中子辐射对测试设备与测试人员造成危害。
供电电源、监测和控制设备放置于测试间，测试人员在测试间通过控制设备控制整个试验流程，辐照间和测试间通过电缆连接。
考虑到14MeV中子加速器产生中子的特性是中子从中心位置以球面的形式向外辐射，注量率随辐射距离的平方成反比。
受试电路板通常有几个被测器件，由于距离中子源的距离有差异，必然会遭受到不同的中子辐射注量率。
因此，为尽量将同一电路板上不同被测器件受到的注量率控制在误差允许范围内，依据RTCA/DO-160[23]规范的要求进行辐照间内的布局，如图2所示，遵守以下规则：（1）受试电路板所摆放平面的几何中心与中子源靶心的连线保持垂直。
（2）受试电路板的几何中心距离中子源靶心需要保持至少80cm的距离，保证所接受的中子注量处于较为均匀的水平。
图2 辐照间试验系统布局示意图Fig.2 Testing architectural layout schematic in irradiation room2 试验实施2.1 试验程序按照试验设计的各项条件，对试验系统开展详细的搭建工作，以及按照辐照条件对受试电路板进行实际的中子辐照等，具体实施流程如图3所示。
图3 试验流程图Fig.3 Testing fl ow diagram（1）系统搭建按照布置规则固定受试电路板位置、连接电路板及测试设备；将电路板、中子注量监测仪固定在支架上，应保证试验装置与试验支架的移动一致性。
确保入射中子辐照到被试器件的敏感表面，调整试验件与束流夹角，满足试验设计的要求。
（2）试验前调试检查加载DSP测试程序、调节初始中子注量率；进行DSP器件初始化，写入配置文件对器件进行配置；回读并保存回读文件；记录工作电压和功耗电流。
（3）中子辐照对调试无误的受试电路板进行中子辐照，辐照过程中通过JTAG接口回读DSP器件内部存储单元状态，进行比对统计错误数。
同时，进行处理分析并记录出现的现象及中子注量。
辐照中监测被测器件的电流变化，确认是否会出现单粒子闩锁现象。
（4）辐照终止当错误数达到100个时停止辐照，如果没有100个错误，则重复（2）、（3）步骤，直到注量达到109n/cm2时停止辐照。