大氣中子單粒子效應(yīng)（NSEE）對機載電子設(shè)備影響的評估方法討論

陳宇，李明，張峰

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大氣中子單粒子效應(yīng)（NSEE）對機載電子設(shè)備影響的評估方法討論

陳宇1，李明1，張峰2

（1.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.中航工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，西安 710089）

針對中子單粒子效應(yīng)（NSEE）對機載電子設(shè)備的影響進行了深入研究，明確了對NSEE敏感的器件類型、失效模式以及典型機載電子設(shè)備受NSEE影響誘發(fā)的故障現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，初步提出NSEE影響評估方法及程序，進一步對NSEE影響評估的目的、評估過程中的內(nèi)容及輸入和輸出信息進行深入探討。

機載電子設(shè)備；中子單粒子效應(yīng)；NSEE影響評估

飛機在適航高度會遭遇惡劣的大氣輻射環(huán)境，使機載設(shè)備出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤、功能異常及死機等故障，而大氣輻射環(huán)境中對機載電子設(shè)備影響最大的成分是大氣中的高能中子[1]。大氣中子入射半導(dǎo)體器件將誘發(fā)各種擾動或損傷現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為中子單粒子效應(yīng)（NSEE）。NSEE嚴(yán)重影響機載電子設(shè)備的可靠性、維修性，甚至危及飛機的安全性這一事實已經(jīng)受到國內(nèi)外航空界廣泛關(guān)注和重視。如美國、澳大利亞及歐洲等國家已在相關(guān)適航認(rèn)證文件[2—4]中增加了關(guān)于NSEE不能危及飛機安全的要求，美軍用飛機的適航認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[5]中也明確規(guī)定了關(guān)于NSEE的減緩要求。針對機載電子設(shè)備如何開展試驗以確定其對NSEE的敏感程度，國外已經(jīng)形成較為完善的試驗方法[6]，國內(nèi)機載電子設(shè)備生產(chǎn)廠家和飛機總體單位也逐步認(rèn)識到NSEE的影響危害。在某型號飛機上針對關(guān)鍵核心共40多件機載電子設(shè)備開展了NSEE試驗，試驗結(jié)果表明，80%受試機載電子設(shè)備對單粒子效應(yīng)非常敏感，但是NSEE對設(shè)備的影響評估方法相關(guān)報道較少，同時也缺少NSEE試驗考核定量要求的制定方法。文中給合某型飛機開展NSEE工作的實際情況，對NSEE的影響進行深入研究，初步提出了NSEE影響評估方法及程序。

1 NSEE對機載電子設(shè)備的影響

1.1 受NSEE影響的器件和機載電子設(shè)備

由于器件結(jié)構(gòu)及工藝特點的不同，發(fā)生單粒子效應(yīng)的類型也不同，受NSEE影響的器件及其失效模式見表1[7—10]。

機載電子設(shè)備大量采用表1所述的CPU、FPGA、DSP、光耦、存儲器、MOSFET以及模擬線性電路等器件，導(dǎo)致機載電子設(shè)備受NSEE誘發(fā)各種故障，易受NSEE影響的典型機載電子設(shè)備及其失效現(xiàn)象見表2[11—15]。

表1 受NSEE影響的器件及失效模式

表2 受NSEE影響的機載電子設(shè)備及故障模式

1.2 NSEE敏感性的定量表征

器件NSEE敏感性是指器件在單位粒子注量照射下發(fā)生單粒子效應(yīng)的概率，其表征參數(shù)是截面，一般用表示，單位為cm2/device或cm2/bit。器件SEU的截面計算公式分別為式（1）和（2）。

式中：為NSEE截面；為發(fā)生SEU的數(shù)量；fluence為中子注量（單位面積內(nèi)法線方向上通過中子的個數(shù)）。

(2)

式中：total為器件中比特位的總數(shù)量。

SEE率是指在飛行任務(wù)期間器件單位時間內(nèi)發(fā)生NSEE的次數(shù)。IEC航空電子系統(tǒng)大氣輻射效應(yīng)系列標(biāo)準(zhǔn)[1,6]中推薦了一種計算過程較為簡單但結(jié)果偏保守的SEE率計算公式，見公式（3）：

式中：SEE為SEE率；為任務(wù)期間中子平均注量率（單位時間、單位面積內(nèi)法線方向上通過中子的個數(shù)）。

1.3 影響機載電子設(shè)備NSEE敏感性的因素

機載電子設(shè)備NSEE敏感性除了與入射粒子在半導(dǎo)體材料中沉積的能量及數(shù)量相關(guān)外，還取決于器件特征尺寸、單元密度、Bit數(shù)量、工作電壓、工作電流、時鐘頻率、環(huán)境溫度等因素。例如隨著器件特征尺寸的減小，器件對SEU越來越敏感。相關(guān)研究表明[7]：特征尺寸為深亞微米級的器件SEU特別敏感。表3給出了工藝結(jié)構(gòu)、工作條件及環(huán)境溫度等因素對機載電子設(shè)備NSEE敏感性的影響規(guī)律。

表3 影響因素及其對機載電子設(shè)備NSEE的影響規(guī)律

1.4 NSEE影響的特點

與傳統(tǒng)失效故障相比，NSEE最突出且值得引起注意的特點是不可復(fù)現(xiàn)性[7]。在飛行任務(wù)期間，機載電子設(shè)備受NSEE影響誘發(fā)的故障大多數(shù)為軟故障，這類故障可通過復(fù)位或斷電重啟恢復(fù)正常。一般在地面檢修過程中不易復(fù)現(xiàn)飛行期間發(fā)生的這類故障現(xiàn)象，但是NSEE誘發(fā)的故障卻嚴(yán)重影響機載電子設(shè)備的可靠性、維修性及安全性指標(biāo)要求。

2 NSEE的影響評估方法

2.1 目的

開展NSEE影響評估工作的目的是驗證系統(tǒng)抗NSEE的能力或采取的防護/減緩措施是否可以滿足相關(guān)要求，該要求來自于可靠性、維修性或安全性等定量指標(biāo)要求。通過NSEE影響評估與設(shè)計改進的反復(fù)迭代，最終確保NSEE不會對系統(tǒng)的可靠性、維修性或安全性等指標(biāo)要求造成影響。NSEE減緩措施可以是架構(gòu)層設(shè)計考慮、軟件設(shè)計考慮、元器件選擇、或組合等措施。

2.2 程序

NSEE的影響評估一般在產(chǎn)品的詳細設(shè)計與試驗驗證階段進行。由于在詳細設(shè)計階段，此時的設(shè)計架構(gòu)策略、器件選型等詳細信息已經(jīng)明確，可開展器件NSEE敏感性分析、設(shè)備NSEE率定量計算等工作。通過比較NSEE率與分配的允許最大故障發(fā)生概率，驗證系統(tǒng)抗NSEE的能力或采取的防護/減緩措施是否可滿足相關(guān)要求。NSEE的影響評估的程序如圖1所示。

圖1 NSEE的影響評估流程

2.3 主要工作內(nèi)容

1）抗NSEE防護/減緩設(shè)計目標(biāo)確定。設(shè)備抗NSEE防護/減緩設(shè)計目標(biāo)是確保NSEE不會對設(shè)備的可靠性、維修性或安全性等指標(biāo)要求造成影響。一般認(rèn)為，設(shè)備NSEE率小于各種故障狀態(tài)最大允許發(fā)生故障概率（FEMA率）的1/10，即達到NSEE防護/減緩設(shè)計目標(biāo)，該目標(biāo)也作為驗證試驗考核的依據(jù)。圖1中的虛線框內(nèi)給出了從系統(tǒng)至設(shè)備各種故障狀態(tài)最大允許發(fā)生概率的分析程序及常用方法，涉及的常用方法包括功能危害分析（FHA）、故障樹分析（FTA）、故障模式影響分析（FMEA）等。

2）器件NSEE敏感性分析。收集設(shè)備選用的器件清單，針對表1提及的器件種類，檢索相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1,6]推薦的數(shù)據(jù)或NASA輻射中心等權(quán)威機構(gòu)發(fā)布的試驗數(shù)據(jù)，填寫表4中的“NSEE”和“截面”列。如果沒有歷史試驗數(shù)據(jù)，按照表4中的第2列至第10列的項目內(nèi)容收集相關(guān)信息，再參考同類器件試驗數(shù)據(jù)，按照表3規(guī)定的原則進行NSEE敏感性分析，給出會發(fā)生的NSEE類別及其截面的保守估計值。

3）設(shè)備NSEE率定量計算。設(shè)備NSEE率是所選用器件發(fā)生NSEE率的總和，NSEE率的計算見式（3），其中截面值由表4提供，大氣中子注量則需根據(jù)任務(wù)剖面（飛行高度、緯度等參數(shù)）代入大氣中子分布模型中計算求得。由于架構(gòu)層設(shè)計考慮、軟件設(shè)計、元器件選擇或組合等NSEE減緩措施的應(yīng)用，器件NSEE有可能不會傳遞至設(shè)備層表現(xiàn)出故障，所以計算設(shè)備NSEE率時應(yīng)考慮器件級和架構(gòu)層次上的NSEE減緩措施，并對其有效性進行評估。評估工作可實現(xiàn)兩個目的：其一，明確設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)；其二，比較各種減緩措施的優(yōu)劣，為設(shè)計改進提供輸入。器件級NSEE減緩措施的選用視器件類別而定，如FPGA可采用刷新、校驗碼、重要位保護、冗余、表決等，架構(gòu)層次上的減緩措施一般包括冗余、電流保護、復(fù)位重啟等。針對所采用的減緩措施的具體應(yīng)用，結(jié)合電路信息碼流的實際情況，綜合評估措施的有效性，按表5規(guī)定的內(nèi)容進行填寫。

表4 器件NSEE敏感性分析

表5 設(shè)備NSEE定量計算

3 結(jié)語

機載電子設(shè)備選用的器件功能越來越復(fù)雜，集成度越來越高，工藝尺寸越來越小，導(dǎo)致NSEE已成為誘發(fā)機載電子設(shè)備故障發(fā)生的主要因素。在研的新型機載電子設(shè)備及現(xiàn)場故障反饋信息中已經(jīng)存在不可復(fù)現(xiàn)故障類型的應(yīng)開展NSEE影響評估，明確并消除設(shè)計中的NSEE防護薄弱環(huán)節(jié)，必要時根據(jù)NSEE評估工作中確定的NSEE防護設(shè)計要求開展驗證試驗。

[1] IEC 62396-1, Process Management for Avionics: Atmospheric Radiation Effects. Part 1: Accommodation of Atmospheric Radiation Effects Via Single Event Effects within Avionics Electronic Equipment[S].

[2] EASA Proposed CM-SWCEH-001 Issue: 01. Development Assurance of Airborne Electronic Hardware[EB]. EASA, 2012.

[3] EASA Proposed CM-AS-004 Issue: 01. Single Event Effects (SEE) Caused by Atmospheric Radiation[EB]. EASA, 2014.

[4] Advisory Circular 21-50. Approval of Software and Electronic Hardware Parts[EB]. CASA, 2014.

[5] MIL-HDBK-516B, Airworthiness Certification Criteria [S].

[6] IEC 62396-2, Process Management for Avionics: Atmospheric Radiation Effects. Part 2: Guidelines for Single Event Effects Testing for Avionics Systems[S].

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Assessment Methods for Influences of Atmospheric Neutron Single Event Effect (NSEE) on Airborne Electronic Equipment

CHEN Yu1, LI Ming1, ZHANG Feng2

(1.AVIC China Aero Polytechnology Establishment, Beijing 100028, China;2.AVIC The First Aircraft Design and Research Institute, Xi’an 710089, China)

The effect of neutron single event effect (NSEE) on airborne electronic equipment was investigated in the paper. Type and failure mode of device that is susceptive to NSEE and faults of typical airborne electronic equipment induced by NSEE equipment were defined. On this basis, assessment method and procedure of NSEE effect evaluation were proposed to have in-depth discussion on the purpose of NSEE effect evaluation as well as content, information input and output in evaluation.

airborne electronic equipment; neutron single event effect; NSEE effect evaluation

10.7643/ issn.1672-9242.2017.06.009

TJ01

A

1672-9242(2017)06-0038-05

2017-02-14；

2017-03-14

陳宇（1981—），男，江西都昌人，碩士，高級工程師，主要研究方向為環(huán)境工程。