SRAM型FPGA的静态与动态单粒子效应试验

静态随机存取存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)在空间电子设备中取得了广泛的应用。但它内部大量的SRAM型存储单元极易发生单粒子软错误,特别是配置存储器中的单粒子翻转,有可能改变整个电路的结构,给其空间应用带来严重的可靠性问题。因此,有必要开展地面加速器模拟试验以评价该器件对单粒子效应的敏感程度,且对系统在空间中的失效行为进行预估。本工作在重离子加速器上对Xilinx的Virtex系列FPGA进行了单粒子效应试验,取得了典型器件的静态单粒子翻转截面曲线。针对3个测试电路进行的动态测试表明,系统的失效率远低于内部存储器发生翻转的频率,也不能简单地用资源占用率来进行估计。     

应用α源评估静态存储器的软错误

存储器的软错误直接关系到产品的可靠性,为比较3种器件的抗软错误能力,实验测量了3种静态存储器(SRAM)的单粒子翻转错误数,计算了单粒子翻转截面和失效率.从单粒子翻转截面角度讲,A166M器件抗α粒子的能力最好,其次为B166M,最差是B200M.从失效率的角度讲,B166M的平均失效率比B200M的小,且两者都比A166M的小.     

65 nm工艺SRAM低能质子单粒子翻转实验研究

基于北京HI-13串列加速器质子源及技术改进工作,获得2～15 MeV低能质子束流。针对商业级65 nm工艺4M×18 bit大容量随机静态存储器（SRAM）,开展了质子单粒子翻转实验研究。实验结果表明,低能质子通过直接电离机制可在存储器中引起显著的单粒子翻转,其翻转截面较核反应机制引起的翻转截面大2～3个数量级。结合实验数据分析了质子翻转机制、LET值及射程、临界电荷及空间软错误率等,分析结果表明,实验器件翻转临界电荷约为0.97 fC,而低能质子超过高能质子成为质子软错误率的主要贡献因素。     

不同特征尺寸SRAM质子单粒子效应实验研究

利用中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器开展了一系列不同特征尺寸双数据速率（DDR）静态随机存储器（SRAM）单粒子效应实验研究。获得了不同能量、不同入射角度下3款SRAM的单粒子翻转（SEU）截面曲线。分析了入射质子能量及角度对不同特征尺寸SRAM的SEU饱和截面的影响和效应规律，并利用蒙特卡罗方法对65 nm SRAM SEU特性进行了模拟。研究结果表明：随特征尺寸的减小，SEU饱和截面会出现不同程度的降低，但降低程度会由于多单元翻转（MCU）的增多而变缓；随入射角度的增加，MCU规模及数量的增加导致器件截面增大；3款SRAM所采用的位交错技术并不能有效抑制多位翻转（MBU）的发生。     

微处理器中子单粒子效应测试系统设计与试验研究

为开展微处理器的空间大气中子单粒子效应研究,以一款TI公司65 nm CMOS工艺的微处理器为研究对象,研制了一套微处理器中子单粒子效应测试系统。该测试系统可实现对被测微处理器的单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子闩锁效应的实时监测。利用加速器中子源,对该微处理器开展14 MeV中子辐照试验。试验结果表明,中子注量累积达3?5×1011 cm-2时,该器件未发生单粒子锁定效应。但总线通信、模数转换等功能模块发生了多次单粒子功能中断,其中集成总线通信接口模块为最敏感单位,试验获得的器件中子单粒子效应截面为6?6×10-11 cm2。     

单粒子效应辐射模拟实验研究进展

应用质子直线加速器进行了静态随机存取存储器(SRAM)的单粒子效应模拟实验研究.采用金箔散射法降低质子束流,研制了弱流质子束测量系统,测量散射后的质子束流,实验测得SRAM质子单粒子翻转截面为10-14 cm2/bit量级.利用重离子加速器和锎源进行了SRAM的单粒子效应实验.研究其单粒子翻转截面与重离子线性能量传输(LET)值的关系,得到了单粒子翻转阈值和饱和截面.实验表明252Cf源单粒子翻转截面与串列加速器的重离子单粒子翻转截面一致,说明对于SRAM,可以用252Cf源替代重离子加速器测量单粒子翻转饱和截面.与中国原子能研究院、东北微电子研究所合作开展了国内首次重离子微束单粒子效应实验.建立了大规模集成电路重离子微束单粒子效应实验方法,找到了国产SRAM的单粒子翻转敏感区.应用14MeV强流中子发生器进行了SRAM单粒子效应实验,测得了64K位至4M位SRAM器件14MeV中子单粒子翻转截面.用α源进行SRAM单粒子效应辐照实验,模拟封装材料中的232Th和238U杂质发射出的α粒子导致的单粒子翻转.测量α粒子射入SRAM导致的单粒子翻转错误数,计算单粒子翻转截面和失效率,比较三种器件的抗单粒子翻转能力,为器件的选型提供依据.并开展了路由器的α粒子辐照实验,复演了路由器在自然环境中的出错情况,为路由器的设计改进提供了依据.     

利用Geant4模拟研究中子在半导体中引发的单粒子翻转效应

静态随机存储器在反应堆中子辐射环境中会发生单粒子翻转(Single event upset,SEU)。钨和铜等重金属作为局部互联,在半导体中已得到广泛应用,这些重金属对中子在半导体中的单粒子翻转截面会产生影响。不同条件下单粒子翻转截面与临界能量的关系可作为器件设计和使用时的参考,利用Geant4对特定中子能谱在CMOS(Complementary metal oxide semiconductor)器件中的能量沉积进行模拟,给出特定能谱下翻转截面σ与临界能量Ec的关系:σ=exp[-18.7×Ec-32.3],其中能量单位为Me V,截面单位为cm2。并且模拟了1-14 Me V的单能中子在含有互联金属钨及不含钨的CMOS中的沉积能量及单粒子翻转截面,得出在1-14 Me V内单粒子翻转截面随中子能量而增大,且钨的存在会增加α粒子的产额,从而增大了1-3 Me V中子的单粒子翻转截面,而对4-14 Me V中子基本不会产生影响。     

空间单粒子效应加速器模拟试验技术及应用

空间环境中存在大量的高能粒子，单个高能粒子穿过航天器壳体轰击到电子器件，引发器件逻辑状态翻转、功能异常等单粒子效应，进而影响航天器的可靠运行和任务达成。基于地面加速器辐照试验模拟空间单粒子效应是评估电子器件在空间应用时发生单粒子错误风险的重要手段，只有其抗单粒子效应的指标符合宇航应用要求的器件才能在航天器中使用。航天器面临的空间辐射粒子主要是重离子和质子，它们诱发的单粒子效应也最为显著。开展宇航器件单粒子效应地面模拟试验主要依托重离子加速器和质子加速器，为满足单粒子试验需求，需要研发大面积束流扩束及均匀化、高精度束流快速诊断等技术，以及满足大批量试验任务需求的高效试验终端，重点介绍中国原子能科学研究院的基于加速器的重离子单粒子效应模拟试验技术、质子单粒子效应模拟试验技术和用于器件辐射损伤敏感区识别的重离子微束技术，以及上述技术在宇航器件单粒子效应风险评估中的应用。     

65 nm双阱CMOS静态随机存储器多位翻转微束及宽束实验研究

利用微束和宽束辐照装置分别对两款65 nm双阱CMOS静态随机存储器(SRAM)进行重离子垂直辐照实验，将多位翻转（multiple-cell upset, MCU）类型、位置、事件数与器件结构布局相结合对单粒子翻转（single-event upset, SEU）的截面、MCU机理进行深入分析。结果表明，微束束斑小且均匀性好，不存在离子入射外围电路的情况；NMOS晶体管引发的MCU与总SEU事件比值高达32%，NMOS晶体管间的电荷共享不可忽略；实验未测得PMOS晶体管引发的MCU，高密度阱接触能有效抑制PMOS晶体管间的电荷共享；减小晶体管漏极与N阱/P阱界面的间距能降低SRAM器件SEU发生概率；减小存储单元内同类晶体管漏极间距、增大存储单元间同类晶体管漏极间距，可减弱电荷共享，从而减小SRAM器件MCU发生概率。     

质子和中子的单粒子效应等效性实验研究

通过实验方法确定了高能质子和中子引起的单粒子效应等效关系，实验中采用金箔散射法降低了质子束流强度，并利用热释光剂量计（TLD）进行质子注量的监测，采用新研制的存储器长线实时监测系统，进行了64K位至4M位的SRAM器件单粒子效应实验，确定了两种粒子引起单粒子效应等效关系。     

22 nm FDSOI工艺SRAM单粒子效应的重离子实验研究

针对22 nm全耗尽绝缘体上硅（FDSOI）工艺静态随机存储器（SRAM）开展了重离子实验,对比了不同加固设计的FDSOI SRAM的抗单粒子翻转（SEU）和多单元翻转（MCU）能力,分析了读写错误致存储阵列MCU的效应表征和作用机制,揭示了衬底偏置对FDSOI SRAM SEU敏感性的影响机理。研究结果表明：对5款被测FDSOI SRAM而言,抗SEU能力由弱到强依次为八管加固型SRAM2、冗余加固型SRAM1、双互锁结构（DICE）型SRAM3或SRAM4、双DICE型SRAM5;3款DICE型FDSOI SRAM的存储阵列自身抗MCU性能优于其他两款SRAM;虽然DICE型FDSOI SRAM的存储阵列自身抗MCU能力强,但读写错误致存储阵列MCU的影响不可忽略,且该影响随SRAM工作频率的提高愈加严重;衬底偏置通过对寄生双极放大效应的控制来影响FDSOI SRAM的SEU敏感性。     

Single Event Upsets in RAMs Induced by Protons at 4.2 GeV and Protons and Neutrons below 100 MeV

Several different types of random-access-memories (RAMs) have been tested for soft upset susceptibility under a variety of different particle bombardments including thermal neutrons, GeV protons, and protons and neutrons below 100 MeV and with few exceptions found to suffer single event upsets. Devices tested included 4K, 16K and 64K dynamic RAMs and 4K NMOS and 256×4 CMOS static RAMs. Mean upset fluences varied from 106 particles/cm2-upset for 64K dynamic RAMs up to no upsets observed for the 256×4 CMOS RAM. No thermal neutron induced upsets are believed to have occurred. GeV protons, simulating primary cosmic rays, caused upsets at levels of 107 particles/cm2-upset.     

Neutron-induced single event upsets in static RAMS observed a 10 kmflight attitude

Observations of 14 neutron-induced single event upsets (SEUs) in static memory devices (SRAMs) at commercial aircraft flight altitudes are described. The observed SEU rate at a 10 km flight altitude based on an exposure of 160 standard 256 kb CMOS SRAMs is 4.8×10^-8 upsets/b/day. In the laboratory, 117 SRAMs of two different brands were irradiated with fast neutrons from a Pu-Be source. A total of 176 SEUs have been observed, including two SEU pairs. The upset rates from the laboratory tests are compared to those found in the airborne SRAMs     

Predictive approach of SEU occurrence induced by neutron in SRAM and EEPROM

A simulation approach is developed to obtain the linear energy transfer(LET) spectrum of all secondary ions and predict single event upset(SEU) occurrence induced by neutron in memory devices. Neutron reaction channels, secondary ion species and energy ranges, and LET calculation method are introduced respectively. Experimental results of neutron induced SEU effects on static random access memory(SRAM) and programmable read only memory(EEPROM) are presented to confirm the validity of the simulation results.     

Fault Tolerant Memories for Single Particle Radiation Effects

Fault tolerant memory mechanizations are presented in this paper which combine standard Error Detection and Correction (EDAC) techniques with unique memory electrical/spacial organizations and computer protocols which account for single particle radiation effects and significantly reduce their impact on the memory system. The mechanizations also enhance reliability and increase survivability to macroscopic radiation effects including total dose failure and dose rate upset. Standard EDAC mechanizations allow the memory designer to reduce susceptibility to single particle soft upsets at the system level by orders of magnitude. The memory organization and computer protocols presented herein extend this susceptibility reduction to latchup and multiple soft or hard errors in a common word. The mechanizations are compatible with implementation on auxiliary LSI chip sets or partially in VHSIC RAM device structures themselves. They are also compatible with fault tolerant computer mechanizations which account for failure or upset of non RAM device logic circuitry (Processor and Memory).     

Measurement of single event effects induced by alpha particles in the Xilinx Zynq-7010 System-on-Chip

Single event effect susceptibility of the Xilinx Zynq-7010 System-on-Chip (SoC) was investigated. Seven hardware blocks in the Zynq-7010 SoC were tested for single event effects using americium-241 alpha radiation source. Four error types, data error, single event upset and functional interrupt events, time-out, and system halt, were observed in different blocks under test. The dynamic cross sections of the different blocks were obtained and the reasons of some critical error types were analyzed.     

基于概率统计的单粒子多单元翻转信息提取方法

航空航天电子系统对电子器件选型评估时需考虑器件的多单元翻转（MCU）情况,而MCU信息提取面临的最主要困难是缺少器件的版图信息。本文提出一种基于概率统计的单粒子MCU信息提取方法,其可在无版图信息条件下以较高精度提取单粒子翻转（SEU）实验数据中的MCU信息。该方法通过统计分析SEU实验数据中不同翻转地址间的按位异或和汉明距离以提取MCU模板,然后利用该模板提取MCU信息。采用一款位交错SRAM器件的重离子实验数据对上述方法进行了验证,结果表明,该方法能以较高的精度提取实验数据中的MCU信息。该方法可省去对器件进行逆向工程的时间和成本,提高科学研究和航空航天器件选型效率。