Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Иондаушы бөлшектің әсерінен болатын күйдің өзгеруі
Change of state caused by an ionizing particle
Бір оқиғаның бұзылуы (SEU), сондай-ақ бір оқиғаның қатесі (SEE) деп аталатын құбылыс, микропроцессор, жартылай өткізгіш жад немесе қуат транзисторлары сияқты жұмыс істеп тұрған микроэлектрондық құрылғының сезімтал түйініне бір иондаушы бөлшек (мысалы, иондар, электрондар, фотондар) тиюі салдарынан болатын күйдің өзгеруі болып табылады. Күйдің өзгеруі логикалық элементтің маңызды түйінінде (мысалы, жадтың "биті") немесе оған жақын жерде иондану арқылы туындаған бос зарядтың нәтижесінде пайда болады. Осы тиюдің нәтижесінде құрылғының жұмысындағы немесе шығысындағы қателік SEU немесе жұмсақ қателік деп аталады. SEU-ның өзі транзисторлардың немесе схемалардың жұмысқа қабілеттілігіне тұрақты зақым келтірмейді, бір оқиғалық тұйықталудан (SEL), бір оқиғалық қақпаның бұзылуынан (SEGR) немесе бір оқиғалық тозудан (SEB) өзгеше. Бұлардың барлығы электрондық құрылғылардағы радиацияның әсерінен туындайтын әсерлердің жалпы класын құрайтын бір оқиға әсерлері (SEE) болып табылады.
A single event upset (SEU), also known as a single event error (SEE), is a change of state caused by one single ionizing particle (e. g. ions, electrons, photons) striking a sensitive node in a live micro electronic device, such as in a microprocessor, semiconductor memory, or power transistors. The state change is a result of the free charge created by ionization in or close to an important node of a logic element (e. g. memory "bit"). The error in device output or operation caused as a result of the strike is called an SEU or a soft error. The SEU itself is not considered permanently damaging to the transistors' or circuits' functionality, unlike the case of single event latch up (SEL), single event gate rupture (SEGR), or single event burnout (SEB). These are all examples of a general class of radiation effects in electronic devices called single event effects (SEEs).
Тарих
Бір оқиғалы тосқауылдар алғаш рет 1954 жылдан 1957 жылға дейін жер үсті ядролық сынақтар кезінде сипатталды, онда электрондық бақылау жабдығында көптеген аномалиялар байқалды. 1960 жылдары ғарыш электроникасында қосымша проблемалар байқалды, бірақ жұмсақ сәтсіздіктерді басқа түрлі кедергілерден ажырату қиын болды. 1972 жылы Hughes спутнигімен байланыс 96 секундқа үзіліп, кейін қайта жаңартылды. Ғалымдар Эдвард Смит, Ал Холман және Дэн Биндер бұл аномалияны бір оқиғаның бұзылуы (SEU) деп түсіндірді және 1975 жылы IEEE Transactions on Nuclear Science журналында SEU туралы алғашқы мақаласын жариялады. 1978 жылы Тимоти С. Мэй мен М. Х. Вудс қаптама материалдарындағы альфа бөлшектерінен туындаған жұмсақ қателердің алғашқы дәлелдерін сипаттады. 1979 жылы IBM-нің Джеймс Зиглері Йель университетінің В. Ланфордпен бірлесіп, теңіз деңгейіндегі ғарыш сәулесінің электроникада бір оқиғалы тосқауылға қалай әкелетінін алғаш рет сипаттады. Сондай-ақ 1979 жылы Лоренс Беркли ұлттық зертханасының 88 дюймдік циклотроны мен Беватронында бөлшектерді үдету қондырғысында әлемдегі алғашқы ауыр ионды "бір оқиға әсерлері" сынағы жүргізілді.
Single event upsets were first described during above ground nuclear testing, from 1954 to 1957, when many anomalies were observed in electronic monitoring equipment. Further problems were observed in space electronics during the 1960s, although it was difficult to separate soft failures from other forms of interference. In 1972, a Hughes satellite experienced an upset where the communication with the satellite was lost for 96 seconds and then recaptured. Scientists Dr. Edward C. Smith, Al Holman, and Dr. Dan Binder explained the anomaly as a single event upset (SEU) and published the first SEU paper in the IEEE Transactions on Nuclear Science journal in 1975. In 1978, the first evidence of soft errors from alpha particles in packaging materials was described by Timothy C. May and M. H. Woods. In 1979, James Ziegler of IBM, along with W. Lanford of Yale, first described the mechanism whereby a sea level cosmic ray could cause a single event upset in electronics. 1979 also saw the world's first heavy ion "single event effects" test at a particle accelerator facility, conducted at Lawrence Berkeley National Laboratory's 88 Inch Cyclotron and Bevatron.
Себеп
Жердегі СЭУ атмосферадағы атомдармен ғарыш бөлшектерінің соқтығысуынан туындайды, нәтижесінде нейтрондар мен протондардың каскадтары немесе жауын-шашындары пайда болады, олар өз кезегінде электрондық тізбектермен әрекеттесе алады. Өте кішкентай (субмикрондық) геометрияда бұл атмосферадағы жартылай өткізгіш құрылғыларға әсер етеді. Ғарышта табиғи фонның бір бөлігі ретінде галактикалық ғарыш сәулелері (ГКЖ) деп аталатын жоғары энергиялы иондаушы бөлшектер бар. Күн сәулелерінің шарықталуы және Жердің магнитосферасындағы (Ван Аллен сәулелендіру белдеулері) тұтқындалған жоғары энергиялы протондар бұл мәселені одан әрі ушықтырады. Ғарыш бөлшектерінің ортасындағы бұл құбылысқа байланысты жоғары энергиялар, әдетте, ғарыш кемелерін қосымша қорғауды СЭУ-ді және апатты жекелеген оқиғаларды (мысалы, бұзылатын тұйықталуды) болдырмау үшін тиімсіз етеді. Ғарыш сәулелерінен туындаған атмосфералық екіншілік нейтрондар, сондай-ақ, полюстер үстінен немесе жоғары биіктікте ұшатын ұшақтардағы электроникада СЭУ тудыру үшін жеткілікті энергияға ие болуы мүмкін. Чиптердегі радиоактивті элементтердің шамалы мөлшері де СЭУ-ға себеп болады.
Terrestrial SEUs arise due to cosmic particles colliding with atoms in the atmosphere, creating cascades or showers of neutrons and protons, which in turn may interact with electronic circuits. At deep sub micron geometries, this affects semiconductor devices in the atmosphere. In space, high energy ionizing particles exist as part of the natural background, referred to as galactic cosmic rays (GCRs). Solar particle events and high energy protons trapped in the Earth's magnetosphere (Van Allen radiation belts) exacerbate this problem. The high energies associated with the phenomenon in the space particle environment generally render increased spacecraft shielding useless in terms of eliminating SEUs and catastrophic single event phenomena (e. g. destructive latch up). Secondary atmospheric neutrons generated by cosmic rays can also have sufficiently high energy for producing SEUs in electronics on aircraft flights over the poles or at high altitudes. Trace amounts of radioactive elements in chip packages also lead to SEUs.
SEU сезімталдығын тексеру
Құрылғының SEU-ға сезімталдығын циклотрон немесе басқа бөлшектерді үдеткіш құрылымдағы бөлшектер ағынына сынақ құрылғысын орналастыру арқылы эмпирикалық түрде бағалауға болады. Бұл сынақ әдістемесі әсіресе белгілі ғарыш ортасында SER (жұмсақ қателік деңгейі) болжау үшін тиімді, бірақ нейтрондардан жердегі SER-ді бағалауда қиындықтар тудыруы мүмкін. Мұндай жағдайда, нақты қателік деңгейін анықтау үшін, әртүрлі биіктікте көптеген құрылғыларды сынау қажет. SEU-ға төзімділікті эмпирикалық бағалаудың тағы бір жолы – цезий-137 сияқты белгілі сәулелену көзі бар, сәулеленуден қорғалған камераны пайдалану. Микропроцессорларды SEU-ға сынағанда, құрылғыны сынау үшін қолданылатын бағдарламалық жасақтаманы да бағалау қажет, SEU пайда болған кезде құрылғының қандай бөлімдері жұмыс істегенін анықтау үшін.
The sensitivity of a device to SEU can be empirically estimated by placing a test device in a particle stream at a cyclotron or other particle accelerator facility. This particular test methodology is especially useful for predicting the SER (soft error rate) in known space environments but can be problematic for estimating terrestrial SER from neutrons. In this case, a large number of parts must be evaluated, possibly at different altitudes, to find the actual rate of upset. Another way to empirically estimate SEU tolerance is to use a chamber shielded from radiation, with a known radiation source, such as Caesium 137. When testing microprocessors for SEU, the software used to exercise the device must also be evaluated to determine which sections of the device were activated when SEUs occurred.
SEU және контурлар құрылысы
Анықтамасы бойынша, SEU-лар қатысатын тізбектерді бұзбайды, бірақ қателерге себеп болуы мүмкін. Ғарышқа негізделген микропроцессорларда ең осал бөліктердің бірі – 1-ші және 2-ші деңгейлі кэш жады, себебі олар өте кішкентай және өте жоғары жылдамдықты болуы керек, демек, көп зарядты сақтамайды. Егер жердегі конструкциялар SEU-дан қорғалу үшін конфигурацияланса, мұндай кэштер көбінесе өшіріледі. Тағы бір осал тұс – микропроцессорды басқару тізбегіндегі күй машинасы, себебі «өлі» күйге (шығу жолы жоқ) түсу қаупі бар. Алайда, осы тізбектер процессордың барлық бөлігін басқаруы керек болғандықтан, оларда салыстырмалы түрде үлкен транзисторлар орналасқан, олар жеткілікті электр тогын қамтамасыз етеді және ойлағандай осал емес. Процессордың тағы бір осал компоненті – RAM, әсіресе кэш жадында қолданылатын статикалық RAM (SRAM). SRAM жады әдетте бірлік ауданына максималды сандағы биттерді орналастыру үшін технологиямен рұқсат етілген ең кішкентай транзистор өлшемдерімен жобаланады. Транзисторлардың кішкентай өлшемдері мен жоғары биттік тығыздығы жадыны SEU-ға ең сезімтал компоненттердің біріне айналдырады. SEU-ға төзімділікті қамтамасыз ету үшін қателерді түзету жады жиі қолданылады, сонымен қатар, қателерді түзету тізбегіне жете алмас бұрын, жадтан қателерді мерзімді түрде оқу (түзетуге әкелетін) немесе тазалау (егер оқу түзетуге әкелмесе) үшін арналған тізбектермен бірге қолданылады. Цифрлық және аналогтық тізбектерде бір оқиға бір немесе бірнеше кернеу импульсін (яғни, ақауларды) тізбек бойынша таратуы мүмкін, мұндай жағдайда ол бір оқиғалық уақытша құбылыс (SET) деп аталады. Таралатын импульс техникалық тұрғыдан жадтағы SEU-дағыдай «күйдің» өзгеруі емес болғандықтан, SET пен SEU арасында айырмашылықты жасау қажет. Егер SET цифрлық тізбек бойынша таралып, дәйекті логикалық тізбекке қате мәнді енгізсе, онда ол SEU болып есептеледі. Қатысты себептермен аппараттық мәселелер де туындауы мүмкін. Белгілі бір жағдайларда (тізбек дизайны, технологиялық процесс және бөлшектердің қасиеттері) CMOS дизайнына тән «паразиттік» тиристор белсендірілуі мүмкін, бұл қуаттан жерге қысқа тұйықталуға әкеледі. Бұл жағдай «жабысу» деп аталады және конструкциялық шаралар болмаған жағдайда, көбінесе жылулық қашып кетуден құрылғыны жояды. Көптеген өндірушілер жабысудың алдын алу үшін жобалайды және атмосфералық бөлшектердің соққысынан жабысудың пайда болмайтынына көз жеткізу үшін өнімдерін тексереді. Ғарыш кеңістігінде жабысудың алдын алу үшін эпитаксиалды негіздер, кремний изоляторында (SOI) немесе сапфирдегі кремний (SOS) жиі қолданылады, бұл сезімталдықты одан әрі азайтуға немесе жоюға мүмкіндік береді.
By definition, SEUs do not destroy the circuits involved, but they can cause errors. In space based microprocessors, one of the most vulnerable portions is often the 1st and 2nd level cache memories, because these must be very small and have very high speed, which means that they do not hold much charge. Often these caches are disabled if terrestrial designs are being configured to survive SEUs. Another point of vulnerability is the state machine in the microprocessor control, because of the risk of entering "dead" states (with no exits), however, these circuits must drive the entire processor, so they have relatively large transistors to provide relatively large electric currents and are not as vulnerable as one might think. Another vulnerable processor component is RAM, and more specifically static RAM (SRAM) used in cache memories. SRAM memories are usually designed with transistor sizes close to the minimum allowed by technology to allocate the maximum number of bits per unit area. Small transistor sizes and high bit density make memories one of the most susceptible components to SEUs. To ensure resilience to SEUs, often an error correcting memory is used, together with circuitry to periodically read (leading to correction) or scrub (if reading does not lead to correction) the memory of errors, before the errors overwhelm the error correcting circuitry. In digital and analog circuits, a single event may cause one or more voltages pulses (i. e. glitches) to propagate through the circuit, in which case it is referred to as a single event transient (SET). Since the propagating pulse is not technically a change of "state" as in a memory SEU, one should differentiate between SET and SEU. If a SET propagates through digital circuitry and results in an incorrect value being latched in a sequential logic unit, it is then considered an SEU. Hardware problems can also occur for related reasons. Under certain circumstances (of both circuit design, process design, and particle properties) a "parasitic" thyristor inherent to CMOS designs can be activated, effectively causing an apparent short circuit from power to ground. This condition is referred to as latch up, and in absence of constructional countermeasures, often destroys the device due to thermal runaway. Most manufacturers design to prevent latch up and test their products to ensure that latch up does not occur from atmospheric particle strikes. In order to prevent latch up in space, epitaxial substrates, silicon on insulator (SOI) or silicon on sapphire (SOS) are often used to further reduce or eliminate the susceptibility.
Ерекше SEU
2003 жылы Брюссельдің Шаербек муниципалитетінде (Бельгия) өткен сайлауда аномальды дауыс саны тіркелді, нәтижесінде жүргізілген тергеу Мария Виндевогель деген үміткерге 4,096 артық дауыс бергені үшін SEU жауапты екенін көрсетті. Дауыс айырмашылығының 2^(12) екінің дәрежесіне тең болуы, бір ғана жағдайдың өзгеру мүмкіндігін ұсынады. 2008 жылдың 7 қазанында Qantas 72 рейсі 37 000 фут биіктікте ұшып бара жатқанда, ұшақтың үш әуе деректерінің инерциялық анықтамалық бірлігінің бірі істен шығып, ұшақтың басқару жүйелеріне қате деректерді жіберді. Бұл ұшақтың күйреуіне және экипаж пен жолаушылардың ауыр жарақат алуына әкелді. Барлық мүмкін себептер "мүмкін емес" немесе "өте аз мүмкіндік" деп танылды, тек SEU-ны қоспағанда, оның болу ықтималдығын бағалау мүмкін болмады.
In the 2003 elections in Brussels's municipality Schaerbeek (Belgium), an anomalous recorded number of votes triggered an investigation that concluded an SEU was responsible for giving a candidate named Maria Vindevoghel 4,096 extra votes. The possibility of a single event upset is suggested by the difference in votes being equivalent to a power of two, 2^(12). On October 7, 2008, Qantas Flight 72 at 37,000 feet, one of the plane's three air data inertial reference units had a failure, causing incorrect data to be sent to the plane's flight control systems. This caused pitch downs and caused severe injuries to crew and passengers. All potential causes were found to be "unlikely," or "very unlikely," except for an SEU, whose likelihood couldn't be estimated.