Введение
Изменение состояния, вызванное ионизирующей частицей
Единичное событие возмущения (SEU), также известное как единичная ошибка (SEE), – это изменение состояния, вызванное одной единственной ионизирующей частицей (например, ионами, электронами, фотонами), попадающей в чувствительный узел в работающем микроэлектронном устройстве, таком как микропроцессор, полупроводниковая память или силовые транзисторы. Изменение состояния является результатом свободного заряда, образованного ионизацией в или вблизи важного узла логического элемента (например, "бита" памяти). Ошибка в выходных данных или работе устройства, вызванная в результате этого воздействия, называется SEU или мягкой ошибкой. Сам SEU не считается приводящим к необратимому повреждению функциональности транзисторов или схем, в отличие от случаев единичного захвата (SEL), пробоя затвора при единичном событии (SEGR) или выгорания при единичном событии (SEB). Все это примеры общего класса радиационных эффектов в электронных устройствах, называемых эффектами одиночных событий (SEE).
История
Однократные сбои были впервые описаны во время наземных ядерных испытаний в период с 1954 по 1957 год, когда в электронном мониторинговом оборудовании было зафиксировано множество аномалий. Дальнейшие проблемы в космической электронике наблюдались в 1960-х годах, однако было сложно отделить мягкие сбои от других видов помех. В 1972 году на спутнике Hughes произошел сбой, в результате которого связь со спутником была потеряна на 96 секунд, а затем восстановлена. Ученые, доктор Эдвард Смит, Ал Холман и доктор Дэн Биндер, объяснили эту аномалию как однократный сбой (SEU) и опубликовали первую статью о SEU в журнале IEEE Transactions on Nuclear Science в 1975 году. В 1978 году Тимоти Мей и М. Х. Вудс описали первые свидетельства мягких ошибок, вызванных альфа-частицами в материалах упаковки. В 1979 году Джеймс Зиглер из IBM совместно с У. Ланфордом из Йельского университета впервые описали механизм, посредством которого космический луч, достигающий уровня моря, может вызвать однократный сбой в электронике. В 1979 году также был проведен первый в мире тест на "одиночные эффекты события", вызванные тяжелыми ионами, на ускорителе частиц, который проводился в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли на 88-дюймовом циклотроне и Беватроне.
Причина
Земные СЭУ возникают в результате столкновения космических частиц с атомами в атмосфере, создавая каскады или потоки нейтронов и протонов, которые, в свою очередь, могут взаимодействовать с электронными схемами. При глубоких субмикронных размерах это воздействует на полупроводниковые приборы в атмосфере. В космосе высокоэнергетические ионизирующие частицы существуют как часть естественного фона, известные как галактические космические лучи (ГКЛ). События солнечных частиц и высокоэнергетические протоны, захваченные в магнитосфере Земли (пояса Ван Аллена), усугубляют эту проблему. Высокие энергии, связанные с этим явлением в космической среде, как правило, делают усиленную защиту космических аппаратов неэффективной для устранения СЭУ и катастрофических однократных эффектов (например, деструктивного захвата). Вторичные атмосферные нейтроны, генерируемые космическими лучами, также могут обладать достаточной энергией для возникновения СЭУ в электронике во время авиаперелетов над полюсами или на больших высотах. Небольшие количества радиоактивных элементов в корпусах микросхем также приводят к возникновению СЭУ.
Испытание на чувствительность SEU
Чувствительность устройства к SEU может быть эмпирически оценена путем размещения опытного образца в пучке частиц на циклотроне или другом комплексе ускорителей частиц. Эта методика тестирования особенно полезна для прогнозирования SER (вероятности возникновения мягких ошибок) в известных космических условиях, но может быть затруднительна при оценке наземной SER, вызванной нейтронами. В этом случае необходимо протестировать большое количество компонентов, возможно, на разных высотах, чтобы определить фактическую частоту сбоев. Другой способ эмпирической оценки устойчивости к SEU – использование камеры, экранированной от радиации, с известным источником излучения, например, цезием-137. При тестировании микропроцессоров на предмет SEU необходимо также оценивать программное обеспечение, используемое для функционирования устройства, чтобы определить, какие его части были активны в момент возникновения SEU.
SEU и конструкция цепей
По определению, SEU не разрушают задействованные схемы, но могут вызывать ошибки. В микропроцессорах, предназначенных для использования в космосе, одной из наиболее уязвимых частей часто являются кэш-памяти 1-го и 2-го уровней, поскольку они должны быть очень маленькими и обладать очень высокой скоростью, что означает, что они не накапливают большой заряд. Часто эти кэши отключаются при настройке наземных конструкций для обеспечения устойчивости к SEU. Другой точкой уязвимости является автомат состояний в системе управления микропроцессором из-за риска перехода в "зависшие" состояния (без выхода из них). Однако эти схемы должны управлять всем процессором, поэтому они используют относительно большие транзисторы для обеспечения относительно больших токов и не так уязвимы, как может показаться. Еще одним уязвимым компонентом процессора является оперативная память, и в частности статическая оперативная память (SRAM), используемая в кэш-памяти. Память SRAM обычно проектируется с размерами транзисторов, близкими к минимально допустимым технологией, чтобы разместить максимальное количество битов на единицу площади. Малые размеры транзисторов и высокая плотность битов делают память одним из наиболее подверженных воздействию SEU компонентов. Для обеспечения устойчивости к SEU часто используется память с коррекцией ошибок, а также схемы для периодического чтения (что приводит к исправлению) или "очистки" (если чтение не приводит к исправлению) памяти от ошибок, прежде чем ошибки перегрузят схему коррекции ошибок. В цифровых и аналоговых схемах одно событие может вызвать распространение одного или нескольких импульсов напряжения (т.е. сбоев) по цепи, в этом случае это называется переходным процессом одиночного события (SET). Поскольку распространяющийся импульс технически не является изменением "состояния", как в случае SEU в памяти, следует различать SET и SEU. Если SET распространяется по цифровым схемам и приводит к неправильному захвату значения в последовательной логической схеме, то он рассматривается как SEU. Аппаратные проблемы также могут возникать по аналогичным причинам. При определенных обстоятельствах (связанных с конструкцией схемы, технологией производства и свойствами частиц) может быть активирован "паразитный" тиристор, присущий конструкциям CMOS, что фактически вызывает кажущееся короткое замыкание между питанием и землей. Это состояние называется латчем, и при отсутствии конструктивных мер защиты часто приводит к разрушению устройства из-за теплового разгона. Большинство производителей проектируют свои изделия для предотвращения латча и тестируют их, чтобы убедиться, что латч не возникает под воздействием частиц атмосферы. Для предотвращения латча в космосе часто используются эпитаксиальные подложки, кремний на изоляторе (SOI) или кремний на сапфире (SOS) для дальнейшего снижения или устранения восприимчивости.
Известные SEU
На выборах 2003 года в муниципалитете Брюсселя Шаербек (Бельгия) аномально зафиксированное количество голосов спровоцировало расследование, которое установило, что SEU был ответственен за начисление кандидату по имени Мария Виндевогель 4096 дополнительных голосов. О возможности единичного сбоя свидетельствует то, что разница в количестве голосов соответствует степени двойки, 2^12. 7 октября 2008 года на рейсе Qantas 72 на высоте 37 000 футов у одного из трех инерциальных блоков данных о воздушной скорости самолета произошел отказ, что привело к передаче неверных данных в системы управления полетом. Это вызвало резкие снижения и привело к серьезным травмам членов экипажа и пассажиров. Все потенциальные причины были признаны "маловероятными" или "крайне маловероятными", за исключением SEU, вероятность возникновения которого оценить не удалось.