基于高海拔地區(qū)的大氣中子單粒子效應(yīng)實時測量試驗研究

張戰(zhàn)剛，雷志鋒,*，黃 云,*，恩云飛，張 毅，童 騰，李曉輝，師 謙，彭 超，何玉娟，肖慶中，李鍵坷，路國光

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 511370；2.中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049)

地球大氣中存在由大量的輻射粒子組成的復(fù)雜輻射環(huán)境，這些輻射粒子主要由空間中存在的銀河宇宙射線和太陽宇宙射線進入地球的中性大氣，與N和O發(fā)生交互作用而形成[1]，主要包括中子、質(zhì)子、電子、γ射線、π介子、μ介子等。由于中子不帶電、穿透能力極強(可穿過建筑物屏蔽、飛機外殼等)且大氣含量高，大氣中子入射航空和地面電子系統(tǒng)引起的單粒子效應(yīng)成為威脅電子設(shè)備安全工作的潛在因素。根據(jù)JESD89A標準[2]，電子器件的大氣中子軟錯誤率(SER)評價方法包括非加速實時測量試驗和地面加速試驗。相比于加速試驗，非加速實時測量試驗具有結(jié)果最真實直接、人為干擾因素少[3]等優(yōu)點，具有不可替代的地位。為了提高試驗效率，實時測量試驗通常選擇在高海拔地區(qū)開展，或采用飛機搭載。此外，大面積器件陣列和長測量周期是實時測量試驗的另一顯著特點，可有效保證試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計性。國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)包括Xilinx、Intel、iRoC、西北核技術(shù)研究院等開展了一系列大氣中子單粒子效應(yīng)實時測量研究工作[3-16]，試驗對象包括靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等，飛機搭載試驗也有少量的報道[17-18]。但實測得到的SER包含了高能中子、環(huán)境熱中子和封裝α粒子的共同貢獻，關(guān)于實測數(shù)據(jù)誘因定量分析和多地推演的報道非常少，不利于實測數(shù)據(jù)的實踐應(yīng)用。

本文基于青藏高原4 300 m海拔試驗點，開展高速大容量SRAM大氣中子單粒子效應(yīng)實時測量試驗，通過搭建大面積存儲陣列和智能遠程測控系統(tǒng)，獲得器件的單位翻轉(zhuǎn)(SBU)和多單元翻轉(zhuǎn)(MCU)SER，對其中高能中子、熱中子和封裝α粒子各自的貢獻進行區(qū)分，演算得到該器件在北京地面和10 km高空應(yīng)用的SBU和MCU失效率(FIT)，并進行特征分析和加固策略優(yōu)化設(shè)計。

1 試驗設(shè)置

高海拔試驗點選擇位于拉薩市的羊八井國際宇宙射線觀測站(30.1°N，90.6°E)，海拔達到4 300 m。搭建了65 nm高速Q(mào)DRII+SRAM大面積存儲陣列及大氣中子單粒子效應(yīng)遠程測控系統(tǒng)，測試容量達到10 Gb，讀寫速度達到120 MHz。被測器件型號為CY7C1663KV18，內(nèi)核和I/O電壓均為1.8 V，單片容量為144 Mb。單粒子效應(yīng)測控系統(tǒng)如圖1所示。其中，實測試驗共使用4塊測試板，每塊板上搭載18只器件。測試過程中，被測器件處于數(shù)據(jù)保持狀態(tài)，測試系統(tǒng)定期對存儲陣列進行巡檢。

圖1 測控系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement and control system

2 大氣中子輻射環(huán)境分析

基于EXPACS工具[19]對高海拔試驗點輻射環(huán)境進行計算和分析，結(jié)果如圖2所示。輻射粒子包括中子、質(zhì)子、μ子、電子、光子等。中子能量范圍較寬，最高可達GeV量級。計算可得，高海拔試驗點處能量大于10 MeV的中子通量為118.6 cm-2·h-1，能量介于1 MeV和10 MeV之間的中子通量為78.4 cm-2·h-1。

對各種航空器飛行高度的中子通量進行計算和分析，計算結(jié)果表明，隨著飛行高度的增大，地面設(shè)備、直升機、客機、浮空氣球面臨的中子輻射環(huán)境惡劣程度各不相同。其中，在15～20 km高度區(qū)域，中子通量最高，達到1 500～2 000 cm-2·h-1。進一步計算了全國各地典型中子通量，其中我國北京、上海、廣州等主要城市的地面中子通量相差不大，由于拉薩市海拔超過3 500 m，其中子通量較沿海城市增大數(shù)10倍。

3 關(guān)鍵試驗技術(shù)

高海拔地區(qū)的試驗環(huán)境惡劣，存在高寒、雷擊、積雪等影響因素。在153 d的高海拔試驗過程中，大面積存儲陣列長時間帶電運行，對試驗條件和技術(shù)有嚴苛的要求，包括大面積存儲陣列的長期運行和自動控制可靠性、高功率電源系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性、環(huán)境條件變化影響(包括溫濕度、氣壓、建筑物/積雪屏蔽等)、異地數(shù)據(jù)信號采集等。此外，大氣中子在被測器件中產(chǎn)生效應(yīng)的同時，也可能影響控制系統(tǒng)的運行，需進行效應(yīng)甄別，并解決中子導(dǎo)致的控制系統(tǒng)故障。

3.1 被測器件軟錯誤甄別技術(shù)

使用該方法，可實現(xiàn)被測器件、測試板其他敏感器件(如FPGA、存儲器等)、測試設(shè)備等發(fā)生的單粒子效應(yīng)的有效甄別，準確獲得被測器件的軟錯誤率。測試系統(tǒng)具備對被測器件進行寫、讀出、比對、修正錯誤、重置、斷電重啟等操作的功能。發(fā)現(xiàn)錯誤時，詳細記錄和上報錯誤信息，包括發(fā)生時間、發(fā)生位置、錯誤數(shù)據(jù)等。檢測到錯誤時開展以下甄別措施。

1)對錯誤的詳細信息進行分析，判斷錯誤地址是否位于被測器件內(nèi)，如否，則認為該錯誤不是被測器件中產(chǎn)生的輻射效應(yīng)。

2)對發(fā)生的錯誤執(zhí)行修正錯誤操作，即將錯誤發(fā)生位置處的數(shù)據(jù)重新改寫為初始數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行讀出和比對操作，判斷錯誤是否還存在，如否，則認為該錯誤是被測器件中產(chǎn)生的輻射效應(yīng)。對被測器件依次執(zhí)行重置、寫、讀出和比對操作，判斷錯誤是否還存在，如是，則認為該錯誤不是被測器件中產(chǎn)生的輻射效應(yīng)。對被測器件依次執(zhí)行斷電重啟、寫、讀出和比對操作，判斷錯誤是否還存在，如是，則認為該錯誤不是被測器件中產(chǎn)生的輻射效應(yīng)，如否，則認為該錯誤是被測器件中產(chǎn)生的輻射效應(yīng)。

3)根據(jù)該方法可判斷錯誤在被測器件中發(fā)生的位置。若對發(fā)生的錯誤執(zhí)行修正錯誤操作，然后執(zhí)行讀出和比對操作，發(fā)現(xiàn)錯誤消失，則可判定錯誤發(fā)生在被測器件存儲區(qū)。若對發(fā)生的錯誤執(zhí)行修正錯誤操作，然后執(zhí)行讀出和比對操作，發(fā)現(xiàn)錯誤仍然存在，繼續(xù)對被測器件依次執(zhí)行重置、寫、讀出和比對操作或斷電重啟、寫、讀出和比對操作，發(fā)現(xiàn)錯誤消失，則可判定錯誤發(fā)生在被測器件外圍電路。

3.2 輻射效應(yīng)異地智能測控技術(shù)

高原地區(qū)存在氣候惡劣、基礎(chǔ)設(shè)施差、交通不便等缺點，因此，本次試驗使用了一種輻射效應(yīng)異地智能測控技術(shù)，通過搭建輻射效應(yīng)異地智能測控設(shè)備，使用自動模式和手動模式，可實現(xiàn)實時測量試驗的異地智能測試和控制，解決上述問題。輻射效應(yīng)異地智能測控設(shè)備由輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)視模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、異地控制計算機和控制軟件構(gòu)成。測試模式包括自動模式和手動模式。自動模式是指測試系統(tǒng)實現(xiàn)被測器件輻射效應(yīng)的自動測量和數(shù)據(jù)上傳，發(fā)生異常時可自行退出自動模式并進入診斷模式，其工作流程如圖3所示。啟動系統(tǒng)，寫入測試程序后，設(shè)定自動模式的退出條件，包括：1)測試系統(tǒng)工作異常，如數(shù)據(jù)通訊中斷、無法對被測器件進行控制和操作等；2)溫度超出設(shè)定范圍，此處的溫度包括環(huán)境溫度、被測器件溫度、測試板主控芯片溫度等；3)測試數(shù)據(jù)異常，如單次測試中錯誤數(shù)量超過設(shè)定值、錯誤無法修正等。

開始測試后，測試系統(tǒng)對待測器件進行周期性自動巡檢。發(fā)現(xiàn)軟錯誤時，將自動上傳數(shù)據(jù)；軟錯誤數(shù)量達到預(yù)設(shè)值后，自動結(jié)束試驗。在任何時刻，當檢測到滿足自動模式的退出條件時，說明測試系統(tǒng)或測試環(huán)境發(fā)生異常，將退出自動模式，進入診斷模式。在診斷模式中，需測試人員進行現(xiàn)象分析和故障排除。然后，通過控制軟件進行異地重啟，繼續(xù)測試。

測試系統(tǒng)應(yīng)具備手動模式的測試功能，用于測試系統(tǒng)的調(diào)試、測試數(shù)據(jù)的深入分析、自動模式的補充備選等。手動模式要求控制軟件具備對測試系統(tǒng)進行全面控制的能力，包括斷電重啟、重新配置、數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)讀出和比對、溫度監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理和分析等。測試人員遠程啟動系統(tǒng)，寫入測試程序后，開始異地測試。軟錯誤數(shù)量達到預(yù)設(shè)值后，結(jié)束試驗。發(fā)現(xiàn)異常時，進行故障診斷和恢復(fù)，然后繼續(xù)測試。

4 試驗結(jié)果分析與討論

4.1 試驗結(jié)果

在153 d的試驗時間內(nèi)共觀測到錯誤43次，其中器件內(nèi)單粒子翻轉(zhuǎn)39次[20]。本文主要針對SBU和MCU占比、誘因定量分析和各地軟錯誤率推演等進行研究。表1列出了觀測到的翻轉(zhuǎn)類型，由表1可見，65 nm工藝SRAM中的SBU占比最大，為77%，最大的MCU為9位，其占比為3%。根據(jù)發(fā)生的總錯誤數(shù)(NSEU)、工作時間(T)和總測試容量(Nbit，單位為Mb)可計算得到，65 nm工藝SRAM在4 300 m海拔試驗點的軟錯誤率(SER)為2 356 FIT/Mb。其中，總測試容量為10.13 Gb，由于長期測量過程中部分測試板出現(xiàn)過故障，故實際的總工作時間小于153 d。SBU對應(yīng)的軟錯誤率為1 812.3 FIT/Mb，MCU對應(yīng)的軟錯誤率為543.7 FIT/Mb。

SER=NSEU×109/TNbit

(1)

上述軟錯誤率包含了高能中子、熱中子(E<0.4 eV)和封裝α粒子的共同貢獻。對于封裝α粒子，該器件的放射性α粒子主要來自于模塑料，其發(fā)射率為0.001 cm-2·h-1，結(jié)合241Am人工放射源輻照試驗獲得的SEU截面，計算得到的封裝α粒子引起的軟錯誤率為303 FIT/Mb，且由于封裝α粒子電離能力較弱，引起的翻轉(zhuǎn)類型均為SBU[21]。對于熱中子，開展了散裂中子源輻照試驗，發(fā)現(xiàn)束流中是否包含熱中子對試驗結(jié)果沒有影響。進一步開展了二次離子質(zhì)譜(SIMS)測量和分析，未在器件中發(fā)現(xiàn)10B元素成分，表明該類器件對熱中子不敏感，所以熱中子對實時軟錯誤率沒有貢獻[22]。表2列出了高能中子、熱中子和α粒子引起的各種翻轉(zhuǎn)類型的FIT值。高能中子引起的總體軟錯誤率為2 053 FIT/Mb，占比為87%，遠高于封裝α粒子的13%，MCU均由高能中子入射被測器件產(chǎn)生。

表2 高能中子、熱中子和α粒子引起的各種翻轉(zhuǎn)類型的軟錯誤率Table 2 SER of various upset types caused by high energy neutron,thermal neutron and alpha particle

4.2 數(shù)據(jù)推演

獲得不同粒子引起的軟錯誤率數(shù)據(jù)后，即可將高海拔試驗數(shù)據(jù)推演到其他應(yīng)用地點。首先，計算實時測量試驗地點與應(yīng)用地點的高能中子通量比例因子μ：

μ=Fn,實測/Fn,應(yīng)用

(2)

其中：Fn,實測為實時測量試驗地點的高能中子通量；Fn,應(yīng)用為應(yīng)用地點的高能中子通量。應(yīng)用地點處高能中子引起的軟錯誤率(SER應(yīng)用)通過式(3)計算得到：

SER應(yīng)用=SER實測/μ

(3)

其中，SER實測為實時測量試驗地點處高能中子引起的軟錯誤率。封裝α粒子引起的軟錯誤率與所處地點沒有關(guān)系，固定不變。

以北京地面和北京10 km高空為典型應(yīng)用場合，圖4為羊八井、北京地面和10 km高空的中子能譜圖(使用EXPACS軟件計算得到)?？煽闯觯?處的中子能譜形狀十分相近，中子能量最高可達GeV以上。隨中子能量的增大，中子通量呈下降趨勢。圖4結(jié)果與國外已開展的機載[23-24]和地面[25]大氣中子測量結(jié)果一致。

圖4 羊八井、北京地面和10 km高空的中子能譜Fig.4 Neutron spectra of Yangbajing,Beijing and 10 km above ground

羊八井地區(qū)的E>10 MeV中子通量(118.6 cm-2·h-1)比北京地面(7.3 cm-2·h-1)高16.3倍。需要說明的是，此處計算通量比例因子使用的數(shù)據(jù)為E>10 MeV的中子通量；雖然軟錯誤中同樣有1～10 MeV中子的貢獻，但該能量段中子的通量比例因子與E>10 MeV中子是相同的(圖4)，故對推演結(jié)果沒有影響。由此可計算得到該65 nm SRAM在北京地面使用時高能中子引起的軟錯誤率為126 FIT/Mb，加上封裝α粒子引起的303 FIT/Mb，故該65 nm SRAM在北京地面使用時的軟錯誤率為429 FIT/Mb，具體數(shù)據(jù)列于表3。相比于高海拔試驗點，北京地面處高能中子引起的總體軟錯誤率從87%降為29%，封裝α粒子成為地面軟錯誤的主要誘因，MCU總體占比為8%。

羊八井地區(qū)的E>10 MeV中子通量(118.6 cm-2·h-1)比北京10 km高空(1 068 cm-2·h-1)小9倍，可計算得到北京10 km高空的軟錯誤率數(shù)據(jù)(表4)。對比表3、4可發(fā)現(xiàn)，相比于北京地面，北京萬米高空應(yīng)用的總體軟錯誤率增大約44倍，其中，MCU對應(yīng)的FIT值明顯增大，其占比由8%增大至26%。該數(shù)據(jù)對SRAM航空應(yīng)用的軟錯誤加固策略制定具有重要意義。

表3 北京地面應(yīng)用的軟錯誤率數(shù)據(jù)Table 3 Soft error rate data for ground application in Beijing

表4 北京萬米高空應(yīng)用的軟錯誤率數(shù)據(jù)Table 4 Soft error rate data for 10 km flight height in Beijing

4.3 方法驗證

將采用本文試驗結(jié)果和推演方法得到的紐約海平面中子軟錯誤率與國外報道的試驗結(jié)果進行對比，達到驗證試驗結(jié)果和推演方法準確性的目的。根據(jù)本文被測器件的產(chǎn)品手冊，該款器件的軟錯誤率為197 FIT/Mb(紐約海平面)[26]。該數(shù)據(jù)由CYPRESS公司基于散裂中子源輻照試驗結(jié)果計算得到。本文基于羊八井地區(qū)4 300 m高海拔試驗點測量達到的中子軟錯誤率為2 053 FIT/Mb。羊八井地區(qū)的E>10 MeV中子通量(118.6 cm-2·h-1)比紐約海平面(11.9 cm-2·h-1)高約10倍。故推演可得紐約海平面的中子軟錯誤率為205 FIT/Mb。該結(jié)果與CYPRESS公司報道的被測器件中子軟錯誤率FIT值差別小于4%。

4.4 機理分析

結(jié)合器件版圖布局、翻轉(zhuǎn)特性分析等，進一步研究MCU的產(chǎn)生機理和特征。圖5為被測器件存儲單元和靈敏區(qū)(六管存儲單元“關(guān)”態(tài)NMOS管的漏區(qū))的布局圖。由圖5可見，靈敏區(qū)之間的橫向間距約為0.3 μm，縱向間距約為0.1 μm和1.5 μm。靈敏區(qū)表現(xiàn)出明顯的集聚特點，導(dǎo)致該器件在試驗中出現(xiàn)大量的MCU。該橫縱間距的特征與MCU的圖形特性[20]相吻合，即對于兩單元翻轉(zhuǎn)，MCU圖形以縱向為主，而對于更大的MCU，橫向特征更明顯。

圖5 被測器件靈敏區(qū)布局圖Fig.5 Layout of sensitive volume of device under test

表5列出了被測器件最大MCU的詳細信息，包括翻轉(zhuǎn)序號、翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和翻轉(zhuǎn)極性，該MCU橫跨5個存儲單元。由于被測器件內(nèi)嵌交錯架構(gòu)，故該9單元翻轉(zhuǎn)中的9個錯誤均分布在不同的字內(nèi)，可被具備“糾一檢二”功能的校驗碼有效修正。

表5 最大MCU的詳細信息Table 5 Detail of the largest MCU

4.5 加固策略

1)加固方法

2)試驗驗證

將上述加固方法在本文試驗中進行應(yīng)用驗證，驗證場景選擇北京10 km高空航空應(yīng)用。首先，確定器件在實際應(yīng)用環(huán)境下的軟錯誤率指標。表6列出了美國航空無線電技術(shù)委員會DO-254文件對飛行系統(tǒng)安全等級的劃分及軟錯誤率指標要求，表6中的FIT值針對系統(tǒng)級。工程實踐中認為，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[27-29]。據(jù)此可確定航空應(yīng)用場景下，不同等級對應(yīng)的器件級軟錯誤率指標。

表6 DO-254飛行系統(tǒng)安全等級Table 6 Flight system security level in DO-254

其次，根據(jù)本文試驗結(jié)果，確定器件在北京10 km高空應(yīng)用時的實際軟錯誤率。文中被測器件采用65 nm工藝，對多位翻轉(zhuǎn)十分敏感，因此器件內(nèi)嵌交錯架構(gòu)。經(jīng)分析，由于交錯架構(gòu)的存在，所有MCU內(nèi)的多個翻轉(zhuǎn)位均位于不同的字內(nèi)，可被具備糾正字內(nèi)單位錯誤的校驗碼糾正。據(jù)此計算可得，器件在北京10 km高空應(yīng)用時，系統(tǒng)級總體軟錯誤率為2.7×105FIT，且全部可被具備糾正字內(nèi)單位錯誤的校驗碼糾正。結(jié)合軟錯誤率指標和實際軟錯誤率可得到：當器件航空應(yīng)用時，若系統(tǒng)等級為D或E，則無需采用加固措施；若系統(tǒng)等級為A、B或C，則需進行校驗碼加固，采用具備糾正字內(nèi)單位錯誤的校驗碼。

5 結(jié)論與展望

本文基于青藏高原4 300 m海拔試驗點開展大氣中子單粒子效應(yīng)實時測量，針對65 nm高速大容量QDRII+SRAM，搭建大面積存儲陣列和單粒子效應(yīng)測控系統(tǒng)，突破軟錯誤甄別、異地智能測控等關(guān)鍵技術(shù)，獲得了65 nm工藝SRAM器件的單位翻轉(zhuǎn)和多位翻轉(zhuǎn)FIT值詳細數(shù)據(jù)。對高海拔試驗點及全國各地的大氣輻射環(huán)境進行了計算，結(jié)合被測器件的熱中子和α粒子軟錯誤敏感性分析，推演得到了實測地、北京地面和北京10 km高空的SBU和MCU軟錯誤率及其誘因占比。相比于地面應(yīng)用，航空飛行高度的MCU FIT值增大18%，源于高能中子通量的增高。

下一步工作將針對28 nm、14 nm FinFET工藝器件開展二期高海拔試驗，并結(jié)合散裂中子源試驗、封裝α粒子試驗深入分析軟錯誤率敏感性。

本文的高海拔試驗是在位于拉薩市的羊八井國際宇宙射線觀測站進行的，感謝俞連愛等研究工作人員對試驗的支持和幫助。