航空電子設(shè)備大氣輻射環(huán)境的危害影響分析

陳宇，李明，傅耘

航空電子設(shè)備大氣輻射環(huán)境的危害影響分析

陳宇1,2，李明1,2，傅耘1,2

（1. 航空工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028； 2. 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施效能研究重點實驗室，北京 100028）

調(diào)查航空電子設(shè)備在典型民用飛行高度（8 000~12 000 m）下大氣輻射環(huán)境的危害影響。利用14 MeV高能中子源對航空電子設(shè)備用CPU、DSP、FPGA及存儲器開展了輻照試驗，獲取了各試件的單粒子效應(yīng)敏感特性，采用民航高度下大氣中子注量率的典型值6000 n/(cm2·s)，預(yù)計典型航空電子設(shè)備在巡航高度下可能發(fā)生的軟錯誤率。約900 h內(nèi)，該航空電子設(shè)備會由于大氣輻射單粒子效應(yīng)誘發(fā)一次錯誤。在不采取針對性防護(hù)措施的前提下，大氣中子誘發(fā)的單粒子效應(yīng)將嚴(yán)重影響航空電子設(shè)備可靠性、維修性，甚至危及飛行安全。

航空電子設(shè)備；大氣輻射；中子；中子誘發(fā)的單粒子效應(yīng)；軟錯誤率

飛機(jī)必然會遭遇大氣中子、質(zhì)子等次級粒子組成的輻射環(huán)境，大氣中子穿透能力強(qiáng)，會穿透飛機(jī)的蒙皮和機(jī)箱，從而射入航空電子設(shè)備內(nèi)部，誘發(fā)CPU、DSP、FPGA及存儲器等器件發(fā)生SEE（單粒子效應(yīng)）。SEE包括單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、多位翻轉(zhuǎn)（MBU）、單粒子瞬態(tài)（SET）、單粒子功能中止（SEFI）、單粒子?xùn)糯⊿EGR）及單粒子燒毀（SER）等。器件發(fā)生SEE后，可能會進(jìn)一步導(dǎo)致航空電子設(shè)備出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤、數(shù)據(jù)丟失、自動復(fù)位、功能異常、功能喪失、死機(jī)、甚至電路燒毀等軟、硬故障。隨著深亞微米級器件在航空電子設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，大氣中子誘發(fā)的單粒子效應(yīng)已經(jīng)成為航空電子設(shè)備故障的主要原因之一，原本只有航天領(lǐng)域重視的單粒子效應(yīng)及其危害研究，現(xiàn)在乃至未來，在航空領(lǐng)域也已越來越受到重視。在美國聯(lián)邦航空局（FAA）、美國國防部（DoD）、美國國家航空與航天局（NASA）等機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)下，對于大氣輻射環(huán)境探測及建模、中子誘發(fā)SEE機(jī)理、滿足適航要求的SEE防護(hù)要求及防護(hù)技術(shù)等方面已開展了廣泛研究與探索[1-4]?？紤]到航空電子設(shè)備出貨量較大，對成本控制和功耗要求非常嚴(yán)格，且航空高度器件發(fā)生SEE的類型主要是SEU、MBU、SET、SEFI等，其誘發(fā)航空設(shè)備故障類型主要是軟錯誤。軍工和航天領(lǐng)域采用的器件級工藝加固方法不適用于航空電子設(shè)備的SEE防護(hù)設(shè)計，系統(tǒng)級軟錯誤減緩技術(shù)為其首選[5]。在系統(tǒng)級采取SEE減緩措施之前，必須要清楚器件在航空高度下的SEE敏感特性，以便權(quán)衡用于SEE減緩用的資源和速度的開銷成本。文中針對航空電子設(shè)備用CPU、DSP、FPGA及存儲器等SEE敏感器件，開展了14 MeV高能中子輻照試驗，基于試驗數(shù)據(jù)，預(yù)計了典型航空電子設(shè)備在巡航高度下的軟錯誤率。

1 受試件

1.1 受試器件

針對某航空電子設(shè)備中的SEE敏感器件開展試驗，受試件的選擇及其信息見表1。

表1 受試件信息

1.2 測試的SEE敏感區(qū)

各受試件的測試區(qū)及容量大小見表2。

表2 各器件的測試區(qū)域

2 試驗方法

試驗按照J(rèn)EDEC DESD89A標(biāo)準(zhǔn)[6]進(jìn)行，試驗用的輻射源為氘-氚中子發(fā)生器，中子能量為14 MeV。試驗期間，中子注量率的范圍控制在1×105~1×107之間。在輻照期間，各試驗件均在室溫下暴露于中子束，中子束平行芯片法向方向入射。

1）PC 7448工作電壓加載額定值，內(nèi)核為1 V，I/O口為2.5 V，測試類型為靜態(tài)，測試模式執(zhí)行棋盤算法。試驗件通過JTAG口與freescale powerpc仿真器相連接，仿真器通過USB接口連接上位機(jī)電腦。上位機(jī)利用CodeWarrior for PowerPC軟件中的CPU及周邊寄存器、存儲器、變量及堆棧等窗口，實時查看試驗過程中受中子輻照影響而修改的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)數(shù)的統(tǒng)計。

2）TMS320C6418工作電壓加載額定值，內(nèi)核為1.2 V，I/O口為3.3 V，測試類型為靜態(tài)，測試模式執(zhí)行棋盤算法。試驗件通過JTAG口與TI DSP USB仿真器相連接，仿真器通過USB接口連接到上位機(jī)電腦。上位機(jī)利用CCS（Code Composer Studio）軟件查看CPU寄存器及Cache，實時查看試驗過程中受中子輻照影響而修改的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)數(shù)的統(tǒng)計。

3）XC4VLX60工作電壓加載額定值，內(nèi)核為1.2 V，I/O口為3.3 V，測試類型為靜態(tài)。試驗件通過Xilinx Parallel IV配置電纜進(jìn)行配置，該電纜連接到運(yùn)行Xilinx IMPACT軟件的上位機(jī)電腦。IMPACT在每次輻照前配置器件，在輻射后再次檢驗配置數(shù)據(jù)，統(tǒng)計檢測到的錯誤數(shù)量。每次驗證期間，自動保存器件的配置比特流，以便在試驗后進(jìn)行更深入的分析。

4）GVT71128G36型SRAM工作電壓加載額定值，工作電壓為3.3 V，測試類型為靜態(tài)，測試模式執(zhí)行棋盤算法。試驗件與TMS320C6418 DSP相連接，通過TMS320C6418 DSP對GVT71128G36型SRA進(jìn)行讀寫操作，查看試驗過程中GVT71128G36型SRAM受中子輻照影響而修改的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)數(shù)的統(tǒng)計。

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)

試驗原始數(shù)據(jù)見表3。

表3 單粒子效應(yīng)試驗數(shù)據(jù)

3.2 單粒子翻轉(zhuǎn)截面計算

單粒子翻轉(zhuǎn)敏感截面計算如式（1）和式（2）所示：

式中：bit為每存儲位（bit）的單粒子翻轉(zhuǎn)截面值，cm2/bit；為翻轉(zhuǎn)數(shù)；為試驗中子總注量， cm-2；bit為受試bit總數(shù)。

式中：device為器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面值，cm2/device。

根據(jù)式（1）和（2），計算得出4種被試件的單粒子效應(yīng)截面，見表4。

表4 單粒子效應(yīng)試驗數(shù)據(jù)

3.3 軟錯誤率預(yù)計

航空電子設(shè)備大氣中子誘發(fā)的軟錯誤數(shù)跟入射的中子數(shù)量、選用器件單粒子效應(yīng)敏感特性以及器件級單粒子效應(yīng)至設(shè)備級故障的傳遞率等因素息息相關(guān)。計算公式見式（3），其入射的中子注量率取決于飛行高度、經(jīng)緯度以及太陽活動情況。文中采用IEC62396大氣輻射影響系列標(biāo)準(zhǔn)[7]的推薦值：在緯度45°、高度12 000 m處，大氣中子典型值為6000 /(cm2·h)。

式中：SER為航空電子設(shè)備的軟錯誤率；為選用的器件系列編號；為器件總數(shù)；device為第個器件的單粒子翻轉(zhuǎn)飽和截面；FLUX為大氣中子注量率；為器件級單粒子效應(yīng)至設(shè)備級故障的傳遞率。

該航空電子設(shè)備在飛行高度下發(fā)生軟錯誤率的預(yù)計結(jié)果見表5。目前的取值還沒有建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)模型，工程上較能接受的經(jīng)驗值為0.1[8-10]，即器件發(fā)生10個位翻轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)級層面會輸出1個錯誤。文獻(xiàn)[11]研究表示，對于深亞微米級器件14 MeV試驗獲得的翻轉(zhuǎn)截面已接近器件的飽和截面，故文中采用的飽和截面為14 MeV中子輻照試驗所獲得的數(shù)值。計算結(jié)果表明，取值為0.1時，該航空電子設(shè)備約900 h內(nèi)會發(fā)生1次錯誤。如果該設(shè)備為航空A類安全設(shè)備，不采取針對性SEE減緩措施的情況下，遠(yuǎn)不能滿足適航安全要求[12]錯誤率小于1×10-9次/h的指標(biāo)。

表5 典型飛行高度下的航空電子設(shè)備軟錯誤率預(yù)計

4 結(jié)論

通過對航空用典型器件開展高能中子輻照試驗，并基于試驗數(shù)據(jù)，預(yù)計航空電子設(shè)備在飛行高度下的軟錯誤率。與適航安全要求對比分析可以得出：采用深亞微米級器件的航空電子設(shè)備受大氣輻射環(huán)境影響嚴(yán)重，在不采取針對性防護(hù)措施的前提下，將不能滿足適航的相關(guān)要求。由于文中采用的是器件級靜態(tài)SEE數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)至設(shè)備級故障率傳遞關(guān)系過程簡單，預(yù)計結(jié)果偏保守，器件級至設(shè)備級的嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)傳遞關(guān)系尚未建立，還有待基于設(shè)備級動態(tài)對比試驗進(jìn)一步研究探索。

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Hazard Effects of Atmospheric Radiation Environment on Avionics

CHEN Yu1,2, LI Ming1,2, FU Yun1,2

(1. AVIC China Aero-polytechonlogy Establishment, Beijing 100028, China; 2. Key Laboratory of Quality Infrastructure Efficacy Research, AQSIQ, Beijing 100028, China)

To investigate the hazard effects of atmospheric radiation environment on avionics at typical civil flight altitudes (8 000 m to 12 000 m).The 14 MeV high-energy neutron source was used to conduct irradiation tests on CPU, DSP, FPGA and memory for avionics. The single event effect sensitivity of each test piece was obtained. The typical value (6000 n/(cm2·s)) of the atmospheric neutron flux at the altitude of civil aviation was adopted to estimate the single event effect rate of typical avionics at cruising altitude.The avionics would cause a single particle effect of atmospheric radiation within about 900 hours.Under the premise of not taking targeted protective measures, the single event effect induced by atmospheric neutrons will seriously affect the reliability and maintainability of avionics and even endanger flight safety.

avionics; atmospheric radiation; neutron; neutron induced single event effect; soft error rate

10.7643/ issn.1672-9242.2019.09.020

V216

A

1672-9242(2019)09-0109-04

2019-03-05；

2019-04-30

陳宇（1981—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為輻射效應(yīng)防護(hù)與實驗。