系统级单粒子效应试验方法研究

为评估星载电子系统抗单粒子效应敏感性及验证系统级加固方法有效性,本文开展了系统级单粒子效应试验方法的相关研究。验证了采用地面模拟装置以逐一辐照系统中器件方式评估系统功能中断率的可行性,提出可通过多种方式获取器件的敏感性数据,指出直接将系统中器件对应的功能中断截面进行加和求取系统截面曲线的不合理之处,本研究为开展系统级单粒子效应试验提供了技术支撑。

Spacewire通讯路由器单粒子功能中断测试系统研究

随着大规模集成电路在航天器中的广泛应用,器件单粒子效应的抗辐射性能成为了航天器在太空中安全运行的关键性因素.对超大规模集成电路抗辐射性能的评价显得越来越重要.针对一款Spacewire通讯路由器,根据其工作原理,搭建一套单粒子功能中断测试系统,对系统进行了验证,评估了该器件的抗辐射性能.

铁电存储器中高能质子引发的单粒子功能中断效应实验研究

利用中国原子能科学研究院的中高能质子实验平台,针对两款商用铁电存储器开展了中高能质子单粒子效应实验研究,发现其中一款器件在质子辐照下发生了单粒子翻转和单粒子功能中断.本文主要针对单粒子功能中断效应展开了后续实验研究.首先通过改变质子能量对器件进行辐照,发现单粒子功能中断截面随质子能量的提高而增加.为进一步研究器件发生单粒子功能中断的机理,利用激光微束平台开展了辅助实验,对铁电存储器的单粒子功能中断效应的敏感区域进行了定位,最后发现铁电存储器单粒子功能中断是由器件外围电路发生的微锁定导致的.

抗单粒子功能中断的加固技术研究

为降低辐射环境中单粒子功能中断(SEFI)对集成电路的影响,在研究单粒子功能中断原理的基础上,开展了DICE触发器抗单粒子功能中断技术研究。在深入分析单粒子功能中断的诱因的基础上,结合DICE触发器电路结构,设计了包含时钟冗余电路、主DICE锁存器、从DICE锁存器、延时滤波电路、相位转换电路的DICE触发器,得到了具有抗单粒子功能中断能力的加固DICE触发器。在仿真电路中,通过增加模拟单粒子效应(SEE)的电流源,仿真验证单粒子干扰(SED)对DICE触发器的影响。仿真结果表明,该加固DICE触发器具有良好的抗单粒子功能中断能力,可以有效抑制单粒子引起的DICE触发器功能中断。

新型微电子技术单粒子效应研究面临的挑战

随着器件特征尺寸的减小,单粒子效应成为影响CMOS工艺空间辐射环境可靠性的关键因素之一。未来航天和国防系统需要了解新型工艺中的单粒子效应损伤机制及其加固方法,包括在器件几何尺寸和材料方面的改变如何影响到能量淀积、电荷收集、电路翻转、参数退化等等。分析了随着特征尺寸减小,在高速数字电路中的单粒子瞬态效应SET的影响,包括由质子的直接电离作用产生的单粒子效应、粒子能量效应和非直接电离对单粒子效应的影响。对可能替代体硅器件的新型器件单粒子能力进行了简要介绍。

直接数字式频率合成器单粒子效应实验研究

在直接数字式频率合成器(DDS)单粒子效应失效现象的基础上,研制了具备寄存器读写、功耗电流测试和输出效应波形捕获功能的DDS辐射效应在线测试系统,开展了DDS单粒子效应实验研究。结果表明,单粒子效应会导致DDS输出波形扰动,波形功能中断,功耗电流陡然增大。分析认为:DDS内部PLL模块发生单粒子瞬态和单粒子翻转,是引发波形扰动的主要原因;内置DAC的主要功能寄存器翻转引发了输出波形功能中断;电流增大是单粒子闭锁引起的。本项研究为国产DDS器件的加固和考核提供了一定的参考。

利用脉冲激光的片上系统芯片单粒子效应试验

为评估脉冲激光试验对研究SoC(片上系统芯片)单粒子效应的有效性,构建了一个65 nm SoC的脉冲激光试验系统,并进行了试验。提出并采用坐标定位法、有源区聚焦法、ΔZ补偿法等针对大规模倒装焊集成电路的试验方法。对SoC的片上存储器、寄存器文件、RapidIO、DICE触发器等部件进行了脉冲激光试验和分析。结果表明:片上存储器对脉冲激光最为敏感,部件的激光试验与相应的重离子试验现象吻合,利用脉冲激光试验可有效研究纳米工艺下大规模集成电路的单粒子效应。

SRAM型FPGA单粒子效应敏感性分析研究

首先描述了典型的SRAM型FPGA内部通常包含的三类基本资源,并分析三类基本资源内部不同功能的电路单元对单粒子效应的敏感性,归纳出Virtex系列SRAM型FPGA中6种类型的单粒子效应敏感结构单元,并得出这些敏感结构单元的单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子闩锁的检测方式,最后对SRAM型FPGA单粒子效应评估研究的发展趋势做了简要总结。

SRAM型FPGA单粒子效应测试方法及试验验证

针对空间用SRAM型FPGA器件抗单粒子效应性能全面测试评估的要求,研究内部不同资源电路结构的单粒子效应敏感性及测试方法,利用重离子加速器开展抗辐射加固SRAM型FPGA单粒子效应模拟辐照试验,对配置存储器、块存储器、触发器等敏感单元的单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子锁定特性进行研究。试验结果表明,所提出测试方法能有效地覆盖测试SRAM型FPGA单粒子效应敏感资源,所测试抗辐射加固SRAM型FPGA器件具有良好的抗单粒子锁定性能,但对单粒子翻转和单粒子功能中断非常敏感,静态测试模式下对单粒子翻转更为敏感。有关测试方法和结果可以为SRAM型FPGA的单粒子效应评估及防护提供参考。

国产先进工艺SoC器件空间单粒子效应试验研究

国产某型号导航SoC器件采用55 nm商用工艺生产。针对该型器件的辐射敏感性分析表明其易受单粒子效应影响,为此利用重离子加速器完成空间单粒子辐照的地面模拟试验,考查器件的单粒子效应,为其空间应用提供数据支撑。结果表明:器件抗单粒子锁定的LET阈值大于81.4 MeV·cm^(2)/mg,满足空间应用指标要求;但器件对单粒子翻转和单粒子功能中断较为敏感。利用ForeCAST软件计算得到GEO、Adams 90%最坏环境模型,3 mm(Al)屏蔽条件下器件的DFT模式单粒子翻转率为6.80×10^(-8) d^(-1)·bit^(-1),SRAM模式单粒子翻转率为5.61×10^(-11) d^(-1)·bit^(-1),单粒子功能中断率为5.24×10^(-5) d^(-1),在轨应用时需要采取相应的防护措施。

铁电储存器中子单粒子效应的蒙特卡罗模拟

大气辐射环境中高通量中子对铁电存储器的单粒子效应不容忽视.该文利用蒙特卡罗方法研究了铁电存储器的中子单粒子效应.中子入射在铁电存储器灵敏区域造成的总能量沉积随中子能量的增大而增加,且在灵敏区域内部的总能量沉积值略大于在边界处的.中子能量为1~5MeV时,铁电存储器中没有发现单粒子翻转.中子能量为6~16MeV时,铁电存储器会发生单粒子翻转.当中子能量从6MeV增大到8MeV时,单粒子翻转截面从6×10^-16cm^2增大到6×10^-15cm^2,增大约1个数量级;当中子能量从8MeV增大到16MeV时,单粒子翻转截面从6×10^-15cm^2增大至1.8×10^-14cm^2,只增大到3倍左右.中子还会导致铁电存储器出现单粒子功能中断,其单粒子功能中断错误数随功能中断线性能量传递(linearenergytransfer,LET)阈值的增大呈指数形式减小.同时,铁电存储器的功能中断LET阈值越大,其单粒子功能中断错误截面受中子能量的影响越不明显.

基于Xilinx型FPGA系统单粒子效应评估方法研究

Virtex-5系列芯片没有官方提供的专用软错误缓解(Soft Error Mitigation,SEM)IP核,需自行设计故障注入系统.本文选用XC5VFX130T型现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片利用单帧部分重构功能达到等同于SEM IP故障注入效果,实现对FPGA电路系统的抗单粒子翻转能力评估测试.利用逐位注入故障模式对XC5VFX130T型FPGA的配置位逐个注入故障,获得待评估电路的敏感配置位信息;对待测电路进行三模冗余防护加固,利用累积故障注入模式连续随机注入模拟单粒子辐照试验环境,得到待评估电路的功能中断截面,进而实现对基于XC5VFX130T型FPGA系统的抗单粒子翻转加固效果的评估.研究表明,基准电路(移位寄存器链等)评估得到的功能中断截面与实际辐照试验中的功能中断截面曲线变化一致,为机载电子的单粒子效应适航评估提供了支持.

DSP大气中子单粒子效应试验研究

利用14Me V快中子辐照源,开展了数字信号处理器(DSP)大气中子单粒子效应地面模拟试验研究。设计了地面模拟的试验方法,包括单粒子效应监测方法、试验系统布局、试验程序及其判据等。获得了SMJ320F2812、SMJ320C6415、TMS320C6416、TMS320C6418等多款型号DSP器件的中子单粒子效应的翻转错误数试验数据,分析计算得到14Me V中子辐照源下的敏感截面。结果显示,DSP器件的主要敏感现象为单粒子翻转(SEU),部分器件还发生了单粒子功能中断效应(SEFI)。相同工艺的被测DSP器件的中子单粒子效应敏感截面具有相同的数量级,验证了本文使用的地面模拟试验方法的可行性,为航空电子设备的可靠性与安全性评估提供了大气中子单粒子效应的器件级基础数据。

星载65nm抗辐射GNSS接收机ASIC的SEFI实验方法

在抗辐射GNSS接收机的研发过程中,由于Xilinx 600万门FPGA在轨单粒子翻转(Single Event Upset,SEU)效应严重,而自主研发抗辐射GNSS接收机ASIC是最有效的解决办法。以航天五院重点型号项目"XX-2"项目为依托,在国内首次采用65 nm抗辐射工艺,用单个ASIC芯片实现了1 200万门规模的星载抗辐射GNSS接收机ASIC。但是,对此款新工艺/大规模/功能复杂的ASIC芯片进行单粒子功能中断测定是一个难题。通过在FPGA上模拟GNSS数字中频信号和DSP配置输入,然后由芯片的EMIF接口实时读取芯片内部关键数据来进行SEU/SEFI的判断,并设计了SEFI判断准则和相应的辐照实验实现方案。

星载高性能DSP加固设计方法研究

分析了高性能数字信号处理器程序存储区的位翻转、数据存储区的位翻转、外设控制寄存器的功能中断、中断控制寄存器的单粒子功能中断、程序Cache的位翻转、JATAG逻辑的功能中断等原因引起的失效模式,给出了软件设计中的几个有效的加固方法。这些方法应用于某卫星通信载荷设计中,试验证明,这些方法可以有效地对付由单粒子翻转和单粒子功能中断等辐射效应引起的DSP故障或者失效。

Xilinx FPGA抗辐射设计技术研究

针对Xilinx FPGA在航天应用中的可行性,文章分析了Xilinx FPGA的结构以及空间辐射效应对FPGA的影响,结合实际工程实践给出了提高其可靠性的一些有用办法和注意事项,如冗余设计、同步设计、自检等。表明配置信息的周期刷新和三模冗余设计是减轻单粒子效应的有效方法。