大氣中子單粒子效應對微電子器件的影響

董玉花

本文對中子單粒子效應的產生條件、中子單粒子效應對微電子器件的影響以及對此影響的量化分析過程進行了闡述。主要通過分析結果，給出微電子器件受中子單粒子效應影響的薄弱環節，同時給出設計改進措施，通過改進措施提高電路設計水平，保證微電子器件在使用過程中的可靠性。

【關鍵詞】大氣中子 單粒子效應 單粒子翻轉

1 中子單粒子效應對微電子器件產生影響的條件

大氣中子單粒子效應，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、氮等發生核反應生成的次級粒子）入射微電子器件（如CPU、DSP、FPGA、存儲器、總線控制器等）時，引起器件產生邏輯反轉（從邏輯“1”變成邏輯“0”或相反）、閂鎖或永久損傷的現象。

2 中子單粒子效應對微電子器件產生影響的后果

研究表明，微電子器件是大氣中子單粒子效應敏感器件，復雜航電系統會大量使用此類單粒子效應敏感器件。巡航高度下，大氣中子輻射環境會使CPU、DSP、FPGA、存儲器、總線控制器等帶有存儲結構的復雜航空電子系統法發生單粒子效應，引起系統出現數據異常、丟幀、黑屏、復位及死機等故障現象，使復雜航空電子系統可靠性指標降低一至幾個數量級。

3 中子單粒子效應對微電子器件產生影響的量化分析

中子單粒子效應對微電子器件的影響可以通過預計來進行量化分析。

3.1 通用參數

（1）任務剖面中子注量率：5450/（cm2·h）；

（2）器件中子單粒子效應截面：歷史數據，或根據工藝推導。

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主要包括單粒子翻轉、單粒子多位翻轉、單粒子功能終止、單粒子瞬態、單粒子閂鎖、單粒子燒毀、單粒子柵穿、單粒子硬錯誤等，各器件因工藝結構不同對其中一種或幾種效應敏感。

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

微電子器件的敏感器件主要是DSP、FPGA、CPLD等器件，主要與其工藝結構、存儲容量等信息相關。通過各輻射數據庫檢索及工藝推導相結合，得出各敏感器件中子單粒子效應截面數據。

3.2.3 敏感器件單粒子效應率計算模型

查詢結果表明，敏感器件主要單粒子效應是單粒子翻轉，因此單粒子效應率的計算僅針對單粒子翻轉，計算公式如下：

SEErate-i=Flux×σdevice-i

SEErate—敏感器件單粒子翻轉率；

SEErate-i—第i個模塊中子單粒子翻轉率；

σdevice-i—第i個模塊中子單粒子翻轉截面；

i=1，2，3…n；n為敏感器件的模塊。

4 對中子單粒子效應的防護設計

4.1 一般原則

在滿足功能、性能的條件下

（1）優先選用提供了單粒子敏感型數據且滿足相關防護要求的器件；

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

（3）優先選用一種或多種防護措施組合的方法實現消除或緩減單粒子效應的危害影響；

（4）重點針對敏感器件進行單粒子效應防護，同時應對模塊進行單粒子效應防護設計；

（5）盡量減少設備中未防護的存儲位數；

（6）針對關鍵核心器件，建議在設計中考慮單粒子效應事件的監測措施。

4.2 單粒子效應誘發的硬故障防護設計要求

微電子器件中子單粒子效應誘發的硬故障防護設計要求有以下幾點：

（1）微電子器件應采用冗余備份措施；

（2）選用高壓功率器件的微電子器件應采用冗余備份措施；

（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 單粒子效應誘發的軟故障防護設計要求

微電子器件中子單粒子效應誘發的軟故障防護設計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引起的危害影響：

（1）冗余；

（2）刷新；

（3）表決；

（4）EDAC；

（5）軟件技術；

（6）指令檢測和重置。

對于選用微處理器，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引起的危害影響：

（1）奇偶校驗；

（2）高速緩存（Cache）刷新；

（3）執行雙處理器配置；

（4）微處理器的雙向IO端口，地址應進行定時刷新技術；

（5）應采取看門狗防止程序跑飛。

對于選用的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單粒子翻轉引起的影響：

（1）三模冗余技術；

（2）刷新；

（3）對重要模塊進行冗余；

（4）EDAC。

對于選用的存儲器/寄存器，要求選取以下一種或幾種組合的方法來減緩存儲器/寄存器單粒子翻轉引起的影響：

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

（2）駐留指令的存儲器應采取雙模或多模冗余設計措施；

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

（4）駐留重要信息的寄存器應采取刷新設計；

（5）在條件允許的情況下，建議對重要數據的每個字中的每個bit位采取隔離的物理地址存儲的方法。

5 小結

大氣中子單粒子效應對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的防護設計后，可及早避免電路設計中由于單粒子翻轉導致的硬故障和軟故障的發生，及早進行設計改進措施，提高產品可靠性設計，保證產品質量。

參考文獻

[1]IEC 62396-1航空電子設備過程管理——大氣輻射效應第一部分：航空電子設備大氣中子單粒子效應應對策略，2011.

[2]IEC/TC 62396-3航空電子設備過程管理——大氣輻射效應第三部分：應對大氣中子單粒子效應的系統優化設計，2011.

[3]IEC/TC 62396-5航空電子設備過程管理——大氣輻射效應第五部分：熱中子注量率與航空電子系統單粒子效應評估指南，2011.

作者單位

四川九洲電器集團有限責任公司 四川省綿陽市 621000