《電子技術(shù)應(yīng)用》
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航空輻射環(huán)境SRAM存儲(chǔ)芯片單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)綜述
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
王 鵬1，張道陽(yáng)1，2，薛茜男1
1.中國(guó)民航大學(xué) 天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300； 2.中國(guó)民航大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津300300
摘要： 隨著集成電子器件的快速發(fā)展，應(yīng)用在航空電子系統(tǒng)中的SRAM型存儲(chǔ)器件集成度也越來(lái)越高，尺寸越來(lái)越小，其發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的可能性也越來(lái)越高，對(duì)航空飛行的可靠性和安全性帶來(lái)嚴(yán)重的隱患。針對(duì)國(guó)外已有的SRAM型存儲(chǔ)芯片的地面輻射實(shí)驗(yàn)、航空飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，分析SRAM存儲(chǔ)芯片受單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響以及失效特點(diǎn)。
中圖分類號(hào)： TN409
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.006
中文引用格式： 王鵬，張道陽(yáng)，薛茜男. 航空輻射環(huán)境SRAM存儲(chǔ)芯片單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)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.
Review of single event upset experiences about SRAM memory chips in air radiation environment
Wang Peng1，Zhang Daoyang1，2，Xue Qiannan1
1.Tianjin Key Laboratory for Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance， Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China； 2.College of Safety Science & Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China
Abstract： With the rapid development of integrated electronic devices, the integration of SRAM memory devices which applied in avionics systems grew more and more high, and the sizes became smaller and smaller. It could also lead to the possibility of single event upset happen in SRAM memory become more and more high. The reliability and security of air flight will have serious hidden troubles. In this paper, we will make a summary about SRAM memory chips experiments from the results of the ground radiation experiments and atmospheric flight experiments which have done by foreign institutions. At the last, the paper will analyse the effect and the failure characteristics of SRAM memory chips when they have single event upset.
Key words : single event upset；SRAM；irradiation experiment；flight experiment

0 引言

    近年來(lái)，國(guó)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(dòng)也越來(lái)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(huì)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(jī)上的電腦受到大氣輻射影響產(chǎn)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致飛機(jī)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(jī)組人員受傷，其中1位飛機(jī)服務(wù)員和11位乘客受到嚴(yán)重傷害[3]，單粒子效應(yīng)對(duì)航空飛行的可靠性、安全性以及壽命都有著很大的影響，對(duì)航電系統(tǒng)所產(chǎn)生的危害甚至是致命的。

    上述問(wèn)題使得機(jī)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(wèn)題。研究空間輻射引發(fā)的單粒子效應(yīng)以及對(duì)其采取相應(yīng)的抗輻射加固措施非常有必要。近年來(lái)，國(guó)外對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行了大量的飛行實(shí)驗(yàn)，包括太空輻射環(huán)境和大氣輻射環(huán)境，同時(shí)還開(kāi)展了許多地面模擬實(shí)驗(yàn)。本文主要針對(duì)國(guó)外近些年對(duì)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(shí)驗(yàn)[4]以及地面模擬實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及值得關(guān)注的問(wèn)題。

1 Samsung SRAM芯片抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力測(cè)試

    KM684000LG-5是一款Samsung公司生產(chǎn)的容量為4 Mb的SRAM存儲(chǔ)芯片。在1993年，瑞典愛(ài)立信薩博航空公司對(duì)針該芯片進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)[5]，實(shí)驗(yàn)分為地面輻照實(shí)驗(yàn)和大氣飛行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)CUTE的測(cè)試裝置，用來(lái)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的單粒子翻轉(zhuǎn)。該研究機(jī)構(gòu)此次實(shí)驗(yàn)主要研究商用飛機(jī)在正常飛行高度時(shí)，大氣層中的粒子輻射對(duì)存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)

    地面輻照實(shí)驗(yàn)對(duì)該芯片進(jìn)行三次不同中子源[6]輻射測(cè)試，三個(gè)測(cè)試地點(diǎn)分別為丹麥RNL實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室（TSL），實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果如表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在受到較高能量輻射時(shí)，芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)更容易產(chǎn)生，地面輻照實(shí)驗(yàn)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。

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1.2 Samsung SRAM芯片航空飛行實(shí)驗(yàn)

    薩博航空公司采用北歐航空和法航航空的商用飛機(jī)進(jìn)行航空飛行實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)收集了飛機(jī)1 088小時(shí)飛行時(shí)間的數(shù)據(jù)。飛機(jī)飛行的地理緯度在28°～79°之間。在此次飛行實(shí)驗(yàn)中，共檢測(cè)到489次單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，計(jì)算出的單粒子翻轉(zhuǎn)率為0.12 SEUs/dev/day。

    法航航空的實(shí)驗(yàn)收集了飛機(jī)1 005小時(shí)飛行時(shí)間的數(shù)據(jù)。其中飛機(jī)飛行時(shí)間的5/7在北緯22°N位置，飛行時(shí)間的2/7在北緯60°位置。實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果數(shù)據(jù)低一半，但也是在同樣的量級(jí)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(shí)驗(yàn)闡明了在大氣層中中子輻射對(duì)SRAM存儲(chǔ)芯片有著很重要的影響，中子輻射能夠引起SRAM存儲(chǔ)芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)。從地面輻照實(shí)驗(yàn)和飛行實(shí)驗(yàn)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(gè)器件每天約有0.05～0.12個(gè)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(wú)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(hù)加固措施。

2 NEC SRAM存儲(chǔ)芯片抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力測(cè)試

    NEC D43256A6U-15LL是一款1.3 μm CMOS制作工藝的SRAM存儲(chǔ)芯片，該芯片的容量為256 Kb。丹麥核安全研究部門(mén)研究大氣中子輻射對(duì)存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)和大氣飛行實(shí)驗(yàn)[9]。

2.1 NEC SRAM地面輻照實(shí)驗(yàn)

    地面輻照實(shí)驗(yàn)在RNL實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，研究人員使用Pu-Be中子源對(duì)D43256芯片進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，芯片受到輻射的中子通量為830 n/cm2/sec。此次輻照實(shí)驗(yàn)用電腦記錄SRAM中單粒子翻轉(zhuǎn)情況，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每隔30 s對(duì)SRAM內(nèi)存儲(chǔ)信息進(jìn)行掃描，當(dāng)芯片內(nèi)出現(xiàn)位翻轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)翻轉(zhuǎn)位進(jìn)行記錄。

    在中子輻照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的30.72天中總共發(fā)現(xiàn)112個(gè)SEUs現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)中電腦實(shí)際測(cè)試位數(shù)為4.01×106 bit，最后計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。這個(gè)值表明D43256A6U-15LL該芯片對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)是非常敏感的，也就是說(shuō)在受到粒子輻射時(shí)，平均每天每個(gè)器件會(huì)產(chǎn)生3.65個(gè)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。

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2.2 NEC SRAM飛行實(shí)驗(yàn)

    D43256芯片的飛行實(shí)驗(yàn)由商用飛機(jī)攜帶飛行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，飛機(jī)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(shí)驗(yàn)階段總共攜帶飛行時(shí)間為六個(gè)月，總共的測(cè)試位為3.11×106 bit。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試系統(tǒng)在飛機(jī)正常飛行階段對(duì)芯片內(nèi)部測(cè)試位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且記錄測(cè)試位的位翻轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后實(shí)驗(yàn)人員結(jié)合敏感體積、爆裂生成率、中子通量以及總共的測(cè)試位數(shù)，計(jì)算出此次飛行實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用的中子通量比大氣層中的中子通量高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此飛行實(shí)驗(yàn)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(guò)對(duì)以上的實(shí)驗(yàn)分析，可以得到以下結(jié)論：

    (1)地面模擬輻射實(shí)驗(yàn)采用中子輻射，針對(duì)大氣層中輻射較多的中子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且通過(guò)與飛行實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的可信度，也表明了在大氣中中子輻射對(duì)芯片的影響很大；

    (2)地面輻照實(shí)驗(yàn)得到的單粒子翻轉(zhuǎn)率為3.65 SEUs/dev/day，飛行實(shí)驗(yàn)得到的單粒子翻轉(zhuǎn)率為7.46×10-2 SEUs/dev/day，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得到的失效率都非常的高[11]，說(shuō)明該款芯片在航空飛行的環(huán)境下非常容易出錯(cuò)，如果該芯片應(yīng)用在航空器上，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)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(yùn)行的航電系統(tǒng)，比在地面要危險(xiǎn)得多，對(duì)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(cè)試

    波音國(guó)防和航天集團(tuán)對(duì)RAM型存儲(chǔ)芯片進(jìn)行過(guò)航空飛行實(shí)驗(yàn)，研究大氣中子通量引起的單粒子效應(yīng)對(duì)飛機(jī)航空電子器件的影響[12]。實(shí)驗(yàn)針對(duì)IMS公司的64 k SRAM存儲(chǔ)芯片，由軍用飛機(jī)攜帶飛行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，飛機(jī)的飛行高度為29 000英尺和65 000英尺。實(shí)驗(yàn)使用NASA ER-2飛機(jī)和Boeing E-3飛機(jī)，SRAM被攜帶飛行接近60次航班，累計(jì)飛行達(dá)到300飛行小時(shí)，總共發(fā)現(xiàn)大約75次單粒子翻轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)得到的單粒子翻轉(zhuǎn)率情況如表3。

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    從飛行實(shí)驗(yàn)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(jí)，若該芯片直接應(yīng)用在航空電子設(shè)備中，對(duì)設(shè)備的安全性和可靠性有著很大的影響；

    (2)E-3飛機(jī)飛行高度為29 000英尺，ER-2飛機(jī)飛行高度為65 000英尺，隨著飛機(jī)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(chǔ)芯片抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力分析

    目前CMOS工藝的SRAM存儲(chǔ)芯片，其對(duì)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(wú)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(shí)際飛行數(shù)據(jù)，在大氣層10 km高度附近SRAM型存儲(chǔ)芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)率在10-8 SEUs/bit/day量級(jí)，已嚴(yán)重威脅航電系統(tǒng)的安全運(yùn)行；

    (2)結(jié)合地面輻照實(shí)驗(yàn)和航空飛行實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)大氣中中子輻射對(duì)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(chǔ)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(yùn)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(hù)；

    (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(wèn)題，但是單單從器件本身的加固技術(shù)來(lái)看，尚不能滿足器件安全運(yùn)行的要求。

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