文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.006
中文引用格式： 王鵬，張道陽，薛茜男. 航空輻射環(huán)境SRAM存儲芯片單粒子翻轉(zhuǎn)實驗綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(7)：26-28，33.
英文引用格式： Wang Peng，Zhang Daoyang，Xue Qiannan. Review of single event upset experiences about SRAM memory chips in air radiation environment[J].Application of Electronic Technique，2016，42(7)：26-28，33.
0 引言
近年來，國防軍事、航空航天領(lǐng)域得到快速發(fā)展，航天器在空間中的活動也越來越頻繁，這些航天器在空間飛行中，一直遭受著空間帶電粒子的輻射，輻射主要包括質(zhì)子、中子、重離子和α粒子[1]。當(dāng)航天器中應(yīng)用的半導(dǎo)體器件受到這些帶電粒子的輻射，很容易引起單粒子效應(yīng)（Single Event Effect，SEE），造成器件失效。近些年，不僅僅是航天飛行，在民用航空領(lǐng)域疑似因單粒子失效造成的航空事故也頻繁出現(xiàn)，在2003年，思科公司發(fā)布一系列關(guān)于1200系列路由器線卡通知，警告關(guān)于該線卡會由于單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset，SEU)導(dǎo)致重置[2]。2008年10月，澳洲航空公司一架空客A330-303飛行在37 000英尺高度，由于飛機上的電腦受到大氣輻射影響產(chǎn)生錯誤，導(dǎo)致飛機連續(xù)兩次急速向下傾斜，第一次下降650英尺，第二次下降400英尺，至少110名乘客和9名機組人員受傷，其中1位飛機服務(wù)員和11位乘客受到嚴(yán)重傷害[3]，單粒子效應(yīng)對航空飛行的可靠性、安全性以及壽命都有著很大的影響，對航電系統(tǒng)所產(chǎn)生的危害甚至是致命的。
上述問題使得機載器件單粒子失效成為了航空工業(yè)方和適航當(dāng)局急切關(guān)注的問題。研究空間輻射引發(fā)的單粒子效應(yīng)以及對其采取相應(yīng)的抗輻射加固措施非常有必要。近年來，國外對單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行了大量的飛行實驗，包括太空輻射環(huán)境和大氣輻射環(huán)境，同時還開展了許多地面模擬實驗。本文主要針對國外近些年對單粒子效應(yīng)的一些研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，分析單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)相關(guān)的飛行實驗[4]以及地面模擬實驗方法、實驗數(shù)據(jù)以及值得關(guān)注的問題。
1 Samsung SRAM芯片抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力測試
KM684000LG-5是一款Samsung公司生產(chǎn)的容量為4 Mb的SRAM存儲芯片。在1993年，瑞典愛立信薩博航空公司對針該芯片進(jìn)行過相關(guān)研究實驗[5]，實驗分為地面輻照實驗和大氣飛行實驗，實驗采用一個CUTE的測試裝置，用來檢測實驗中產(chǎn)生的單粒子翻轉(zhuǎn)。該研究機構(gòu)此次實驗主要研究商用飛機在正常飛行高度時，大氣層中的粒子輻射對存儲芯片所產(chǎn)生的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。
1.1 Samsung SRAM芯片中子輻照實驗
地面輻照實驗對該芯片進(jìn)行三次不同中子源[6]輻射測試，三個測試地點分別為丹麥RNL實驗室、瑞典哥德堡查爾摩斯工學(xué)院（CTH）、瑞典烏普薩拉斯維德貝格實驗室（TSL），實驗測得結(jié)果如表1。實驗結(jié)果表明在受到較高能量輻射時，芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)更容易產(chǎn)生，地面輻照實驗得到該款芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)率范圍在0.08 SEUs/dev/day至0.1 SEUs/dev/day之間。
1.2 Samsung SRAM芯片航空飛行實驗
薩博航空公司采用北歐航空和法航航空的商用飛機進(jìn)行航空飛行實驗，飛行高度在8.84 km～11.9 km之間，飛行的緯度22°～79°之間。
北歐航空的實驗收集了飛機1 088小時飛行時間的數(shù)據(jù)。飛機飛行的地理緯度在28°～79°之間。在此次飛行實驗中，共檢測到489次單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，計算出的單粒子翻轉(zhuǎn)率為0.12 SEUs/dev/day。
法航航空的實驗收集了飛機1 005小時飛行時間的數(shù)據(jù)。其中飛機飛行時間的5/7在北緯22°N位置，飛行時間的2/7在北緯60°位置。實驗一共觀察到222次單粒子翻轉(zhuǎn)，得到的單粒子翻轉(zhuǎn)率為0.055 SEUs/dev/day。
研究人員表明此次飛行緯度對于單粒子翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)生有著很大的關(guān)系，不同緯度地區(qū)，由于不同緯度的中子通量也不同[7-8]，電子器件的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)也不相同，一般情況緯度低，粒子輻射能量高，單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)越敏感，因此雖然法航比北歐航空飛行實驗得出的結(jié)果數(shù)據(jù)低一半，但也是在同樣的量級上，與期望結(jié)果是一致的。
1.3 Samsung SRAM芯片抗輻照性能分析
薩博航空公司的實驗闡明了在大氣層中中子輻射對SRAM存儲芯片有著很重要的影響，中子輻射能夠引起SRAM存儲芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)。從地面輻照實驗和飛行實驗數(shù)據(jù)可以看出，該款芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)率比較高，一個器件每天約有0.05～0.12個翻轉(zhuǎn)故障產(chǎn)生。航空電子器件屬于高可靠性設(shè)備，如果要用在航空電子系統(tǒng)中，是無法滿足民用航空適航和安全性要求的，需要采取一定的防護加固措施。
2 NEC SRAM存儲芯片抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力測試
NEC D43256A6U-15LL是一款1.3 μm CMOS制作工藝的SRAM存儲芯片，該芯片的容量為256 Kb。丹麥核安全研究部門研究大氣中子輻射對存儲芯片的影響，選取該款芯片進(jìn)行了單粒子翻轉(zhuǎn)相關(guān)的地面輻照實驗和大氣飛行實驗[9]。
2.1 NEC SRAM地面輻照實驗
地面輻照實驗在RNL實驗室進(jìn)行，研究人員使用Pu-Be中子源對D43256芯片進(jìn)行輻照實驗，芯片受到輻射的中子通量為830 n/cm2/sec。此次輻照實驗用電腦記錄SRAM中單粒子翻轉(zhuǎn)情況，實驗過程中每隔30 s對SRAM內(nèi)存儲信息進(jìn)行掃描，當(dāng)芯片內(nèi)出現(xiàn)位翻轉(zhuǎn)時，對翻轉(zhuǎn)位進(jìn)行記錄。
在中子輻照實驗進(jìn)行的30.72天中總共發(fā)現(xiàn)112個SEUs現(xiàn)象，實驗中電腦實際測試位數(shù)為4.01×106 bit，最后計算得到該芯片在中子輻射中的單粒子翻轉(zhuǎn)率為9.09×10-7 SEUs/bit/day，即3.65 SEUs/dev/day實驗結(jié)果如表2。這個值表明D43256A6U-15LL該芯片對單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)是非常敏感的，也就是說在受到粒子輻射時，平均每天每個器件會產(chǎn)生3.65個單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，非常容易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
2.2 NEC SRAM飛行實驗
D43256芯片的飛行實驗由商用飛機攜帶飛行進(jìn)行實驗，飛機的飛行高度為10 km，根據(jù)UNSCEAR[10]表明10 km高度的大氣中子通量為2-3 n/cm2/sec，實驗階段總共攜帶飛行時間為六個月，總共的測試位為3.11×106 bit。實驗過程中測試系統(tǒng)在飛機正常飛行階段對芯片內(nèi)部測試位進(jìn)行監(jiān)測，并且記錄測試位的位翻轉(zhuǎn)。實驗結(jié)束后實驗人員結(jié)合敏感體積、爆裂生成率、中子通量以及總共的測試位數(shù)，計算出此次飛行實驗單粒子翻轉(zhuǎn)率為2.4×10-8 SEUs/bit/day，即7.46×10-2 SEUs/dev/day。由于輻照實驗采用的中子通量比大氣層中的中子通量高出兩個數(shù)量級，因此飛行實驗得到單粒子翻轉(zhuǎn)率與預(yù)期一致。
2.3 NEC SRAM抗輻照能力分析
通過對以上的實驗分析，可以得到以下結(jié)論：
(1)地面模擬輻射實驗采用中子輻射，針對大氣層中輻射較多的中子進(jìn)行實驗，并且通過與飛行實驗的對比，可以看出實驗結(jié)果具有較高的可信度，也表明了在大氣中中子輻射對芯片的影響很大；
(2)地面輻照實驗得到的單粒子翻轉(zhuǎn)率為3.65 SEUs/dev/day，飛行實驗得到的單粒子翻轉(zhuǎn)率為7.46×10-2 SEUs/dev/day，兩個實驗得到的失效率都非常的高[11]，說明該款芯片在航空飛行的環(huán)境下非常容易出錯，如果該芯片應(yīng)用在航空器上，會給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的危害；
(3)在正常飛行高度的中子通量是地平面的200-400倍，因此在高空運行的航電系統(tǒng)，比在地面要危險得多，對于應(yīng)用在航空中的系統(tǒng)，一定要采取相應(yīng)的防單粒子翻轉(zhuǎn)的加固措施。
3 IMS SRAM芯片航空飛行抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力測試
波音國防和航天集團對RAM型存儲芯片進(jìn)行過航空飛行實驗，研究大氣中子通量引起的單粒子效應(yīng)對飛機航空電子器件的影響[12]。實驗針對IMS公司的64 k SRAM存儲芯片，由軍用飛機攜帶飛行進(jìn)行實驗，飛機的飛行高度為29 000英尺和65 000英尺。實驗使用NASA ER-2飛機和Boeing E-3飛機，SRAM被攜帶飛行接近60次航班，累計飛行達(dá)到300飛行小時，總共發(fā)現(xiàn)大約75次單粒子翻轉(zhuǎn)，實驗得到的單粒子翻轉(zhuǎn)率情況如表3。
從飛行實驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以分析得到：
(1)該款芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)率在10-8 SEUs/bit/day至10-7 SEUs/bit/day量級，若該芯片直接應(yīng)用在航空電子設(shè)備中，對設(shè)備的安全性和可靠性有著很大的影響；
(2)E-3飛機飛行高度為29 000英尺，ER-2飛機飛行高度為65 000英尺，隨著飛機飛行海拔高度的增加，芯片受到的輻射能量隨之升高，產(chǎn)生的單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象也更加明顯。
4 航空輻射環(huán)境SRAM存儲芯片抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力分析
目前CMOS工藝的SRAM存儲芯片，其對單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)是非常敏感的，若不采取相關(guān)的輻射加固措施，其失效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足航空電子設(shè)備安全性的要求。
1)綜合上述各款SRAM芯片的實際飛行數(shù)據(jù)，在大氣層10 km高度附近SRAM型存儲芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)率在10-8 SEUs/bit/day量級，已嚴(yán)重威脅航電系統(tǒng)的安全運行；
(2)結(jié)合地面輻照實驗和航空飛行實驗，可以發(fā)現(xiàn)大氣中中子輻射對芯片的影響比較大，SRAM芯片的單粒子效應(yīng)更主要是由中子輻射引起的；
(3)在大氣層中飛行高度越高，SRAM型存儲芯片受到輻射能量越大，單粒子效應(yīng)越明顯，越容易產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)；
(4)由于地理緯度的不同，大氣中的中子能量也有所不同，一般緯度低的區(qū)域中子通量比較高，SRAM芯片受到的輻射能量也比較大，因此運行在低緯度區(qū)域的航空器，其電子設(shè)備要受到額外的防護；
(5)盡管器件生產(chǎn)廠商已經(jīng)注意到單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)問題，但是單單從器件本身的加固技術(shù)來看，尚不能滿足器件安全運行的要求。
參考文獻(xiàn)
[1] TANAY K，SENIOR M.Characterization of soft errors caused by single event upsets in CMOS processes[J].Dependable and Secure Computing，2004，1(2)：128-143.
[2] Microsemi.Neutron-Induced Single Event Upset(SEU) FAQ.
[3] Aviation Occurrence Investigation.In-flight upset 154 km west of Learmonth，WA 7 October 2008 VH-QPA Airbus A330-303.
[4] GOSSETT C A，HUGHLOCK B W.Single Event Phenomena in Atmospheric Neutron Environments[J].Nuclear Science，1993，40(6)：1845-1852.
[5] JOHANSSON K，DYREKLEV P，GRANBOM B，et al.Inflight and ground testing of single event upset sensitivity in static RAMs[J].Nuclear Science，1998，45(3)：1628-1632.
[6] NORMAND E，WERT J L，DOHERTY W R.Use of Pu-Be source to simulate neutron-induced single event upsets in static RAMS[J].Nuclear Science，1988，35(6)：1523-1528.
[7] NORMAND E，BAKER T J.Altitude and latitude variations in avionics SEU and atmospheric neutron flux[J].Nuclear Science，1993，40(6)：1484-1490.
[8] HUBERT G，TROCHET P，RIANT O，et al.A neutron spectrometer for avionic environment investigations[J].Nuclear Science，2004，51(6)：3452-3456.
[9] OLSEN J，BECHER P E，F(xiàn)YNBO P B，et al.Neutroninduced single event upsets in static RAMS observed at 10 KM flight altitude[J].Nuclear Science，1993，40(2)：74-77.
[10] UNSCEAR(United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation).Ionizing Radiation：Sources and Biological Effects.New York：United Nations，1982.
[11] Actel.Single-Event Effects in FPGAs.2007.
[12] NORMAND E.Single-Event Effects in Avionics[J].Nuclear Science，1996，43(2)：461-474.