Однособытийное нарушение ( SEU ), также известное как однособытийная ошибка ( SEE ), представляет собой изменение состояния, вызванное одной единственной ионизирующей частицей (например, ионами, электронами, фотонами), ударяющей чувствительный узел в работающей микроэлектронике. устройство, такое как микропроцессор , полупроводниковая память или силовые транзисторы . Изменение состояния является результатом свободного заряда, созданного в результате ионизации внутри или вблизи важного узла логического элемента (например, «бита» памяти). Ошибка в выводе или работе устройства, возникшая в результате удара, называется SEU или программной ошибкой .
Сам по себе SEU не считается необратимым повреждением функциональности транзисторов или схем, в отличие от случаев однократного запирания (SEL), однократного разрыва затвора (SEGR) или однократного перегорания (SEB). Все это примеры общего класса радиационных эффектов в электронных устройствах, называемых однособытийными эффектами (SEE).
Впервые единичные сбои были описаны во время наземных ядерных испытаний , с 1954 по 1957 год, когда в аппаратуре электронного мониторинга наблюдалось множество аномалий. Дальнейшие проблемы наблюдались в космической электронике в 1960-е годы, хотя было трудно отличить мягкие отказы от других форм помех. В 1972 году на спутнике Хьюза произошла авария: связь со спутником была потеряна на 96 секунд, а затем восстановлена. Ученые д-р Эдвард К. Смит, Эл Холман и д-р Дэн Биндер объяснили аномалию как однособытийное расстройство (SEU) и опубликовали первую статью SEU в журнале IEEE Transactions on Nuclear Science в 1975 г. [2] В 1978 г. Первые свидетельства мягких ошибок из-за альфа-частиц в упаковочных материалах были описаны Тимоти К. Мэй и М.Х. Вудсом. В 1979 году Джеймс Зиглер из IBM вместе с У. Лэнфордом из Йельского университета впервые описали механизм, посредством которого космические лучи на уровне моря могут вызвать единичный сбой в электронике. В 1979 году также было проведено первое в мире испытание «однократных эффектов» тяжелых ионов на ускорителе частиц, проведенное на 88-дюймовом циклотроне и беватроне Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли . [3]
Земные СЭУ возникают из-за столкновений космических частиц с атомами в атмосфере, создавая каскады или ливни нейтронов и протонов, которые, в свою очередь, могут взаимодействовать с электронными схемами. При глубокой субмикронной геометрии это влияет на полупроводниковые устройства в атмосфере.
В космосе ионизирующие частицы высоких энергий существуют как часть естественного фона, называемого галактическими космическими лучами (ГКЛ). События с солнечными частицами и протонами высоких энергий, захваченными в магнитосфере Земли ( радиационные пояса Ван Аллена ), усугубляют эту проблему. Высокие энергии, связанные с этим явлением в среде космических частиц, обычно делают усиление защиты космического корабля бесполезным с точки зрения устранения SEU и катастрофических единичных явлений (например, разрушительного замыкания ). Вторичные атмосферные нейтроны, генерируемые космическими лучами, также могут иметь достаточно высокую энергию для создания СЭУ в электронике при полетах самолетов над полюсами или на больших высотах. Следовые количества радиоактивных элементов в упаковках чипов также приводят к SEU.
Чувствительность устройства к SEU можно оценить эмпирически, поместив испытательное устройство в поток частиц на циклотроне или другом ускорителе частиц . Эта конкретная методология испытаний особенно полезна для прогнозирования SER (коэффициента мягких ошибок) в известных космических условиях, но может быть проблематичной для оценки земного SER по нейтронам. В этом случае необходимо оценить большое количество деталей, возможно, на разных высотах, чтобы определить фактическую скорость выхода из строя.
Другой способ эмпирически оценить толерантность к SEU — использовать защищенную от радиации камеру с известным источником радиации, например цезием-137 .
При тестировании микропроцессоров на наличие SEU необходимо также оценить программное обеспечение, используемое для проверки устройства, чтобы определить, какие разделы устройства были активированы при возникновении SEU.
По определению, SEU не разрушают задействованные схемы, но могут вызывать ошибки. В космических микропроцессорах одной из наиболее уязвимых частей часто является кэш-память 1-го и 2-го уровня, поскольку они должны быть очень маленькими и иметь очень высокую скорость, а это означает, что они не удерживают много заряда. Часто эти кэши отключаются, если наземные конструкции настраиваются для выживания в SEU. Еще одной уязвимой точкой является конечный автомат в микропроцессорном управлении, из-за риска входа в «мертвые» состояния (без выходов), однако эти схемы должны управлять всем процессором, поэтому они имеют относительно большие транзисторы, чтобы обеспечить относительно большую электрическую мощность. течениями и не так уязвимы, как можно подумать. Еще одним уязвимым компонентом процессора является ОЗУ, а точнее статическая ОЗУ (SRAM), используемая в кэш-памяти. Память SRAM обычно проектируется с размерами транзисторов, близкими к минимуму, разрешенному технологией для выделения максимального количества бит на единицу площади. Малые размеры транзисторов и высокая битовая плотность делают память одним из наиболее уязвимых компонентов для SEU. [4] Чтобы обеспечить устойчивость к SEU, часто используется память с коррекцией ошибок вместе со схемами для периодического чтения (что приводит к исправлению) или очистки (если чтение не приводит к исправлению) памяти ошибок, прежде чем ошибки подавляют ошибку. -корректирующая схема.
В цифровых и аналоговых схемах одно событие может вызвать распространение одного или нескольких импульсов напряжения (т. е. сбоев) по цепи, и в этом случае это называется переходным процессом с одним событием (SET). Поскольку распространяющийся импульс технически не является изменением «состояния», как в SEU памяти, следует различать SET и SEU. Если SET распространяется по цифровой схеме и приводит к фиксации неправильного значения в последовательном логическом блоке, он считается SEU.
Аппаратные проблемы также могут возникать по связанным с этим причинам. При определенных обстоятельствах (как в схемотехнике, так и в технологическом процессе и свойствах частиц) может активироваться « паразитный » тиристор, присущий конструкциям КМОП, что фактически вызывает кажущееся короткое замыкание между питанием и землей. Это состояние называется фиксацией и при отсутствии конструктивных мер часто приводит к разрушению устройства из-за температурного выхода из-под контроля . Большинство производителей разрабатывают конструкции, предотвращающие защелкивание, и проверяют свою продукцию, чтобы убедиться, что защелка не возникает из-за ударов атмосферных частиц. Чтобы предотвратить защелкивание в пространстве, часто используются эпитаксиальные подложки кремний на изоляторе (SOI) или кремний на сапфире (SOS) для дальнейшего уменьшения или устранения восприимчивости.
была связана с ошибками в бортовом компьютере, предположительно вызванными космическими лучами.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )