Сбой из-за одного события ( SEU ), также известный как ошибка из-за одного события ( SEE ), представляет собой изменение состояния, вызванное попаданием одной ионизирующей частицы (например, ионов, электронов, фотонов) в чувствительный узел работающего микроэлектронного устройства, например, микропроцессора , полупроводниковой памяти или силовых транзисторов . Изменение состояния является результатом свободного заряда, созданного ионизацией в важном узле логического элемента или вблизи него (например, «бита» памяти). Ошибка в выходных данных или работе устройства, вызванная ударом, называется SEU или мягкой ошибкой .
Сам по себе SEU не считается постоянно повреждающим функциональность транзисторов или схем, в отличие от случая однособытийного защелкивания (SEL), однособытийного разрыва затвора (SEGR) или однособытийного выгорания (SEB). Все это примеры общего класса радиационных эффектов в электронных устройствах, называемых однособытийными эффектами (SEE).
Сбои из-за единичного события были впервые описаны во время наземных ядерных испытаний с 1954 по 1957 год, когда было обнаружено множество аномалий в электронном контрольном оборудовании. Дальнейшие проблемы наблюдались в космической электронике в 1960-х годах, хотя было трудно отделить мягкие сбои от других форм помех. В 1972 году спутник Хьюз испытал сбой, когда связь со спутником была потеряна на 96 секунд, а затем восстановлена. Ученые доктор Эдвард С. Смит, Эл Холман и доктор Дэн Биндер объяснили аномалию как сбой из-за единичного события (SEU) и опубликовали первую статью SEU в журнале IEEE Transactions on Nuclear Science в 1975 году . [2] В 1978 году первое свидетельство мягких ошибок от альфа-частиц в упаковочных материалах было описано Тимоти С. Мэем и М. Х. Вудсом. В 1979 году Джеймс Циглер из IBM вместе с У. Лэнфордом из Йельского университета впервые описали механизм, посредством которого космические лучи на уровне моря могут вызывать единичные сбои в электронике. В 1979 году также был проведен первый в мире тест «единичных эффектов» тяжелых ионов на ускорительной установке частиц, который проводился на 88-дюймовом циклотроне и беватроне Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли . [3]
Земные SEU возникают из-за столкновения космических частиц с атомами в атмосфере, создавая каскады или ливни нейтронов и протонов, которые в свою очередь могут взаимодействовать с электронными схемами. В глубоких субмикронных геометриях это влияет на полупроводниковые приборы в атмосфере.
В космосе высокоэнергетические ионизирующие частицы существуют как часть естественного фона, называемого галактическими космическими лучами (ГКЛ). События солнечных частиц и высокоэнергетические протоны, захваченные в магнитосфере Земли ( радиационные пояса Ван Аллена ), усугубляют эту проблему. Высокие энергии, связанные с явлением в среде космических частиц, как правило, делают усиленную защиту космических аппаратов бесполезной с точки зрения устранения SEU и катастрофических явлений одиночного события (например, разрушительного защелкивания ). Вторичные атмосферные нейтроны, генерируемые космическими лучами, также могут иметь достаточно высокую энергию для создания SEU в электронике при полетах самолетов над полюсами или на больших высотах. Следовые количества радиоактивных элементов в корпусах микросхем 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 (мягкой ошибки) в известных космических условиях, но может быть проблематичной для оценки земного SER от нейтронов. В этом случае необходимо оценить большое количество деталей, возможно, на разных высотах, чтобы найти фактическую скорость сбоя.
Другой способ эмпирической оценки устойчивости к SEU — использование камеры, защищенной от радиации, с известным источником радиации, например, цезием-137 .
При тестировании микропроцессоров на предмет SEU необходимо также оценить программное обеспечение, используемое для проверки работоспособности устройства, чтобы определить, какие разделы устройства активировались при возникновении SEU.
По определению, SEU не разрушают задействованные схемы, но они могут вызывать ошибки. В космических микропроцессорах одной из самых уязвимых частей часто является кэш-память 1-го и 2-го уровня, поскольку они должны быть очень маленькими и иметь очень высокую скорость, что означает, что они не удерживают много заряда. Часто эти кэши отключаются, если наземные конструкции настраиваются на то, чтобы выдерживать SEU. Еще одной точкой уязвимости является конечный автомат в управлении микропроцессора из-за риска входа в «мертвые» состояния (без выходов), однако эти схемы должны управлять всем процессором, поэтому они имеют относительно большие транзисторы для обеспечения относительно больших электрических токов и не так уязвимы, как можно было бы 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 минимально допустимому технологией для выделения максимального количества бит на единицу площади. Небольшие размеры транзисторов и высокая плотность бит делают память одним из наиболее восприимчивых компонентов к SEU. [4] Для обеспечения устойчивости к SEU часто используется память с исправлением ошибок вместе со схемой для периодического считывания (что приводит к исправлению) или очистки (если считывание не приводит к исправлению) памяти ошибок, прежде чем ошибки переполнят схему исправления ошибок.
В цифровых и аналоговых схемах одно событие может вызвать распространение одного или нескольких импульсов напряжения (т. е. сбоев) по схеме, 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 неверного значения в последовательном логическом блоке, то он считается SEU.
Аппаратные проблемы также могут возникать по связанным причинам. При определенных обстоятельствах (как в конструкции схемы, так и в конструкции процесса и свойствах частиц) может активироваться « паразитный » тиристор, присущий конструкциям КМОП, что фактически приводит к кажущемуся короткому замыканию между питанием и землей. Это состояние называется защелкиванием и при отсутствии конструктивных контрмер часто разрушает устройство из-за теплового разгона . Большинство производителей проектируют устройства так, чтобы предотвратить защелкивание, и тестируют свою продукцию, чтобы убедиться, что защелкивание не происходит из-за ударов атмосферных частиц. Чтобы предотвратить защелкивание в космосе, часто используются эпитаксиальные подложки, кремний на изоляторе (SOI) или кремний на сапфире (SOS) для дальнейшего снижения или устранения восприимчивости.
предположительно вызванные космическими лучами.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )