SRAM型FPGA散裂中子源反角白光中子單粒子試驗(yàn)

陳冬梅 譚志新 孫旭朋 底桐 白樺

摘要：本文利用中國(guó)散裂中子源（CSNS）反角白光中子束線開(kāi)展了45nm工藝XC6SLX150、XC6SLX16兩款SRAM型FPGA器件大氣中子單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)，分析獲得了器件截面數(shù)據(jù)并與之前結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，同工藝器件中子單粒子效應(yīng)截面基本一致，反角白光中子源、LANSCE散裂源及國(guó)內(nèi)14MeV單能中子源單粒子試驗(yàn)截面基本一致，驗(yàn)證了反角白光中子源開(kāi)展大氣中子單粒子試驗(yàn)的可行性。

關(guān)鍵詞：散裂中子源；反角白光中子；FPGA；單粒子

中圖分類號(hào)：V216.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.009

大氣中子輻射會(huì)觸發(fā)非現(xiàn)場(chǎng)編程邏輯器件（FPGA）、內(nèi)建隨機(jī)靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）等軟錯(cuò)誤現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障，因此一些關(guān)鍵場(chǎng)合下的FPGA應(yīng)用必須經(jīng)過(guò)單粒子效應(yīng)測(cè)試才能投入使用。除了高原大氣中子單粒子試驗(yàn)外，還可以采用單能中子源、散裂中子源等模擬加速單粒子測(cè)試過(guò)程[1]。散裂中子源被廣泛采用的主要原因是其中子產(chǎn)生機(jī)制和宇宙射線在大氣層中簇射產(chǎn)生次級(jí)粒子的機(jī)制相似，因而其能譜與自然環(huán)境的中子能譜比較接近，如LANSCE ICE House的散裂中子源能譜與地面能譜的形狀相似，而且散裂中子源的中子注量率是自然環(huán)境下海平面中子注量率的3×108倍[2]，因此可以顯著加快器件的測(cè)試過(guò)程。

近年來(lái)，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）、美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）等機(jī)構(gòu)對(duì)于機(jī)載電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)評(píng)價(jià)和減緩措施已經(jīng)高度重視，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)大氣中子單粒子效應(yīng)已開(kāi)展了相應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)與14MeV單粒子效應(yīng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)研究[3-11]。中國(guó)散裂中子源（CSNS）于2018年8月通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，隨即開(kāi)始對(duì)外開(kāi)放并提供穩(wěn)定的試驗(yàn)束流。CSNS包含多條類大氣中子輻照射線，包括CSNS 20m@41°中子束線，其能譜與大氣中子譜非常接近，不過(guò)目前還在建設(shè)中；在CSNS入射質(zhì)子的反方向?yàn)榉唇前坠庵凶邮€，該束線的出射中子同樣沒(méi)有經(jīng)過(guò)慢化器，因此具有較高流強(qiáng)的百M(fèi)eV能量的快中子成分，同樣適用于開(kāi)展單粒子效應(yīng)測(cè)試[12]。為了驗(yàn)證反角白光中子源對(duì)于開(kāi)展器件單粒子試驗(yàn)的適用性，本文選定已在國(guó)內(nèi)14MeV單能中子源上開(kāi)展單粒子試驗(yàn)的器件進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，并與國(guó)外廠家公布的可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。由于選用的器件非硼硅玻璃（BPSG）工藝[10]，10B引起的熱中子效應(yīng)非常小，因此不予考慮[13]。

1試驗(yàn)情況

XC6SLX150、XC6SLX16均為XILINX公司Spartan-6系列SRAM型FPGA，這兩款器件都是45nm工藝。單粒子效應(yīng)監(jiān)測(cè)有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種方法，考慮到JTAG接口回讀數(shù)據(jù)的非實(shí)時(shí)性，本文采用的是靜態(tài)監(jiān)測(cè)方法。XC6SLX150配置了兩套程序進(jìn)行試驗(yàn)，XC6SLX16配置了一套程序進(jìn)行試驗(yàn)。器件的基本信息見(jiàn)表1。輻照后回讀FPGA的配置單元與輻照前配置單元的回讀數(shù)據(jù)相比較，統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤的Bit數(shù)。增加測(cè)量的單粒子事件數(shù)可以減少隨機(jī)誤差，因此本次試驗(yàn)要求發(fā)生的錯(cuò)誤數(shù)均應(yīng)大于100個(gè)錯(cuò)誤數(shù)。同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中還對(duì)器件的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)是否發(fā)生單粒子閂鎖（SEL）現(xiàn)象。表2為反角白光中子源注量占比。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)由兩個(gè)區(qū)域組成，分別為輻照間和測(cè)試間。試驗(yàn)樣品布置在反角白光中子源的一廳56m位置，通過(guò)激光準(zhǔn)直確保待輻照芯片位于束線中心位置。搭建試驗(yàn)測(cè)試的本地站，試驗(yàn)件通過(guò)仿真器與本地計(jì)算機(jī)連接；遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)放置于控制室內(nèi)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制試驗(yàn)進(jìn)行。設(shè)備布局示意如圖1所示。

試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下開(kāi)展，保持室溫在15～35℃范圍內(nèi)，相對(duì)濕度在20%～80%范圍內(nèi)。器件的中子輻照非均勻度小于10%，輻照束斑直徑60mm，中子注量率為8.03×106/（cm2·s）。

2試驗(yàn)結(jié)果

XC6SLX150型FPGA執(zhí)行LED_150測(cè)試用例，共計(jì)輻照3673s，累計(jì)中子注量為2.9489×1010n/cm2，累計(jì)翻轉(zhuǎn)數(shù)為1052次。XC6SLX150型FPGA執(zhí)行RAM_150測(cè)試用例，共計(jì)輻照4635s，累計(jì)中子注量為3.7068×1010n/cm2，累計(jì)翻轉(zhuǎn)數(shù)為1413次。XC6SLX16型FPGA執(zhí)行LED_16測(cè)試用例，共計(jì)輻照4635s，累計(jì)中子注量為3.8698×1010n/cm2，累計(jì)翻轉(zhuǎn)數(shù)為192次。試驗(yàn)過(guò)程中兩款器件均未觀察到SEL現(xiàn)象。圖2為反角白光中子源FPGA配置位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤數(shù)隨輻照時(shí)間的變化情況。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨時(shí)間變化，翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤數(shù)線性遞增，趨勢(shì)一致性較好，這與試驗(yàn)期間CSNS穩(wěn)定供束的情況一致。圖3為FPGA配置位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤數(shù)示意圖。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由于XC6SLX16配置位容量為XC6SLX150配置位容量的1/10左右，因此翻轉(zhuǎn)位數(shù)趨勢(shì)較低。將其轉(zhuǎn)換為翻轉(zhuǎn)位數(shù)占總位數(shù)比例后，兩款器件的翻轉(zhuǎn)情況一致性較好，如圖4所示，兩款器件累計(jì)翻轉(zhuǎn)位數(shù)占其容量的比例分別為3.65×10-5和5.17×10-5。

3結(jié)果分析

3.1截面

根據(jù)試驗(yàn)獲得翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，采用JESD89A散裂中子源試驗(yàn)截面公式計(jì)算平均中子截面。

通過(guò)計(jì)算，獲得兩款器件的單粒子翻轉(zhuǎn)的平均截面。XC6SLX150兩個(gè)測(cè)試用例單粒子翻轉(zhuǎn)平均截面分別為1.14×10-14cm2/bit，隨機(jī)誤差±3.1%；1.22×10-14cm2/bit，隨機(jī)誤差±2.7%。XC6SLX16單粒子翻轉(zhuǎn)平均截面為1.44×10-14cm2/bit，隨機(jī)誤差±8.6%。從平均截面可以看出，同一器件兩次試驗(yàn)結(jié)果平均截面基本一致，同工藝兩款器件的平均截面相對(duì)誤差在30%以內(nèi)。

3.2對(duì)比分析

Xilinx在其2019年可靠性報(bào)告中發(fā)布45nm Spartan-6系列FPGA在LANSCE中子源下配置位翻轉(zhuǎn)截面為1.00×10-14cm2/bit（>10MeV）[14]，誤差為±18%。

本文開(kāi)展的XC6SLX150兩次國(guó)內(nèi)14MeV中子單粒子試驗(yàn)截面分別為1.00×10-14cm2/bit，隨機(jī)誤差±8.6%；8.37×10-15cm2/bit，隨機(jī)誤差±9.3%。

兩款器件在不同中子源下的誤差如圖4所示，可以看出，整體上45nm的FPGA的SEU截面在1.00×10-14cm2/bit量級(jí)，整體偏差不超過(guò)30%，不同源之間獲得截面數(shù)據(jù)一致性較好。不同源之間獲得截面數(shù)據(jù)具有一定的偏差，但在同一量級(jí)水平。考慮反角白光中子源能譜偏軟，與大氣中子能譜相比，其1～10MeV低能成分占比偏高，大于10MeV的中子成分偏低，因此可能是由于計(jì)算公式（1）中考慮的有效中子成分偏低導(dǎo)致，表明該器件的SEU閾值可能低于10MeV。

4結(jié)論

通過(guò)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）45nm Spartan-6系列FPGA在CSNS散裂中子源反角白光中子源下發(fā)生SEU，在中子能量>10MeV情況下其截面在1.00×10-14cm2/bit量級(jí)。

（2）對(duì)于45nm SRAM型FPGA器件，反角白光中子源在能量大于10MeV時(shí)的截面與14MeV單能中子源獲取截面具有一定差異，這可能是由于SEU閾值取值偏高引起的。單粒子效應(yīng)測(cè)試結(jié)果不僅與器件有關(guān)，還與束線能譜中不同組分的占比有關(guān)，因此需要開(kāi)展不同輻照源之間的對(duì)比，這也是我們本次測(cè)量的出發(fā)點(diǎn)，后續(xù)我們將繼續(xù)關(guān)注該問(wèn)題。

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作者簡(jiǎn)介

陳冬梅（1969-）女，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：空間輻射環(huán)境可靠性及試驗(yàn)。

Tel：010-58830061E-mail：steayf@163.com

譚志新（1979-）男，博士，助理研究員。主要研究方向：白光中子成像及中子輻照應(yīng)用。

Tel：0769-89156331E-mail：tanzhixin@ihep.ac.cn

Experimental Study of SEE in SRAM Based FPGA by Neutrons from Back-n Beamline at CSNS

Chen Dongmei1，Tan Zhixin2，Sun Xupeng1，Di Tong1，Bai Hua1

1. Beijing San-talking Testing Engineering Academy，Co. Ltd.，Beijing 100089，China 2. Spallation Neutron Source Science Center，Dongguan 523803，China

Abstract： The ground simulation experiments of atmospheric neutron single event effects for XC65LX150 and XC6SLX16 FPGA devices in 45nm process have been carried out with the Chinese Spallation Neutron Source （CSNS） Back-n Beamline white neutron source， and the SEU cross section data is obtained. It shows that the cross section is basically the same for the two devices， and the cross sections obtained by the LANSCE spallation source and the 14MeV neutron source are very close. The feasibility of atmospheric neutron single event effect test for Back-n Beam line white neutron source is verified.

Key Words： CSNS； Back-n beamline white neutron； FPGA； SEE