0 引言

    近年來，國防軍事、航空航天領域得到快速發展，航天器在空間中的活動也越來越頻繁，這些航天器在空間飛行中，一直遭受著空間帶電粒子的輻射，輻射主要包括質子、中子、重離子和α粒子^[1]。當航天器中應用的半導體器件受到這些帶電粒子的輻射，很容易引起單粒子效應（Single Event Effect，SEE），造成器件失效。近些年，不僅僅是航天飛行，在民用航空領域疑似因單粒子失效造成的航空事故也頻繁出現，在2003年，思科公司發布一系列關于1200系列路由器線卡通知，警告關于該線卡會由于單粒子翻轉(Single Event Upset，SEU)導致重置^[2]。2008年10月，澳洲航空公司一架空客A330-303飛行在37 000英尺高度，由于飛機上的電腦受到大氣輻射影響產生錯誤，導致飛機連續兩次急速向下傾斜，第一次下降650英尺，第二次下降400英尺，至少110名乘客和9名機組人員受傷，其中1位飛機服務員和11位乘客受到嚴重傷害^[3]，單粒子效應對航空飛行的可靠性、安全性以及壽命都有著很大的影響，對航電系統所產生的危害甚至是致命的。

    上述問題使得機載器件單粒子失效成為了航空工業方和適航當局急切關注的問題。研究空間輻射引發的單粒子效應以及對其采取相應的抗輻射加固措施非常有必要。近年來，國外對單粒子翻轉效應進行了大量的飛行實驗，包括太空輻射環境和大氣輻射環境，同時還開展了許多地面模擬實驗。本文主要針對國外近些年對單粒子效應的一些研究成果進行歸納總結，分析單粒子翻轉效應相關的飛行實驗^[4]以及地面模擬實驗方法、實驗數據以及值得關注的問題。

1 Samsung SRAM芯片抗單粒子翻轉能力測試

    KM684000LG-5是一款Samsung公司生產的容量為4 Mb的SRAM存儲芯片。在1993年，瑞典愛立信薩博航空公司對針該芯片進行過相關研究實驗^[5]，實驗分為地面輻照實驗和大氣飛行實驗，實驗采用一個CUTE的測試裝置，用來檢測實驗中產生的單粒子翻轉。該研究機構此次實驗主要研究商用飛機在正常飛行高度時，大氣層中的粒子輻射對存儲芯片所產生的單粒子翻轉效應的影響。

1.1 Samsung SRAM芯片中子輻照實驗

    地面輻照實驗對該芯片進行三次不同中子源^[6]輻射測試，三個測試地點分別為丹麥RNL實驗室、瑞典哥德堡查爾摩斯工學院（CTH）、瑞典烏普薩拉斯維德貝格實驗室（TSL），實驗測得結果如表1。實驗結果表明在受到較高能量輻射時，芯片的單粒子翻轉效應更容易產生，地面輻照實驗得到該款芯片的單粒子翻轉率范圍在0.08 SEUs/dev/day至0.1 SEUs/dev/day之間。

1.2 Samsung SRAM芯片航空飛行實驗

    薩博航空公司采用北歐航空和法航航空的商用飛機進行航空飛行實驗，飛行高度在8.84 km～11.9 km之間，飛行的緯度22°～79°之間。

    北歐航空的實驗收集了飛機1 088小時飛行時間的數據。飛機飛行的地理緯度在28°～79°之間。在此次飛行實驗中，共檢測到489次單粒子翻轉現象，計算出的單粒子翻轉率為0.12 SEUs/dev/day。

    法航航空的實驗收集了飛機1 005小時飛行時間的數據。其中飛機飛行時間的5/7在北緯22°N位置，飛行時間的2/7在北緯60°位置。實驗一共觀察到222次單粒子翻轉，得到的單粒子翻轉率為0.055 SEUs/dev/day。

    研究人員表明此次飛行緯度對于單粒子翻轉的產生有著很大的關系，不同緯度地區，由于不同緯度的中子通量也不同^[7-8]，電子器件的單粒子翻轉效應也不相同，一般情況緯度低，粒子輻射能量高，單粒子翻轉效應越敏感，因此雖然法航比北歐航空飛行實驗得出的結果數據低一半，但也是在同樣的量級上，與期望結果是一致的。

1.3 Samsung SRAM芯片抗輻照性能分析

　　薩博航空公司的實驗闡明了在大氣層中中子輻射對SRAM存儲芯片有著很重要的影響，中子輻射能夠引起SRAM存儲芯片的單粒子翻轉。從地面輻照實驗和飛行實驗數據可以看出，該款芯片的單粒子翻轉率比較高，一個器件每天約有0.05～0.12個翻轉故障產生。航空電子器件屬于高可靠性設備，如果要用在航空電子系統中，是無法滿足民用航空適航和安全性要求的，需要采取一定的防護加固措施。

2 NEC SRAM存儲芯片抗單粒子翻轉能力測試

    NEC D43256A6U-15LL是一款1.3 μm CMOS制作工藝的SRAM存儲芯片，該芯片的容量為256 Kb。丹麥核安全研究部門研究大氣中子輻射對存儲芯片的影響，選取該款芯片進行了單粒子翻轉相關的地面輻照實驗和大氣飛行實驗^[9]。

2.1 NEC SRAM地面輻照實驗

    地面輻照實驗在RNL實驗室進行，研究人員使用Pu-Be中子源對D43256芯片進行輻照實驗，芯片受到輻射的中子通量為830 n/cm²/sec。此次輻照實驗用電腦記錄SRAM中單粒子翻轉情況，實驗過程中每隔30 s對SRAM內存儲信息進行掃描，當芯片內出現位翻轉時，對翻轉位進行記錄。

    在中子輻照實驗進行的30.72天中總共發現112個SEUs現象，實驗中電腦實際測試位數為4.01×10⁶ bit，最后計算得到該芯片在中子輻射中的單粒子翻轉率為9.09×10^-7 SEUs/bit/day，即3.65 SEUs/dev/day實驗結果如表2。這個值表明D43256A6U-15LL該芯片對單粒子翻轉效應是非常敏感的，也就是說在受到粒子輻射時，平均每天每個器件會產生3.65個單粒子翻轉現象，非常容易發生單粒子翻轉現象。

2.2 NEC SRAM飛行實驗

    D43256芯片的飛行實驗由商用飛機攜帶飛行進行實驗，飛機的飛行高度為10 km，根據UNSCEAR^[10]表明10 km高度的大氣中子通量為2-3 n/cm²/sec，實驗階段總共攜帶飛行時間為六個月，總共的測試位為3.11×10⁶ bit。實驗過程中測試系統在飛機正常飛行階段對芯片內部測試位進行監測，并且記錄測試位的位翻轉。實驗結束后實驗人員結合敏感體積、爆裂生成率、中子通量以及總共的測試位數，計算出此次飛行實驗單粒子翻轉率為2.4×10^-8 SEUs/bit/day，即7.46×10^-2 SEUs/dev/day。由于輻照實驗采用的中子通量比大氣層中的中子通量高出兩個數量級，因此飛行實驗得到單粒子翻轉率與預期一致。

2.3 NEC SRAM抗輻照能力分析

    通過對以上的實驗分析，可以得到以下結論：

    (1)地面模擬輻射實驗采用中子輻射，針對大氣層中輻射較多的中子進行實驗，并且通過與飛行實驗的對比，可以看出實驗結果具有較高的可信度，也表明了在大氣中中子輻射對芯片的影響很大；

    (2)地面輻照實驗得到的單粒子翻轉率為3.65 SEUs/dev/day，飛行實驗得到的單粒子翻轉率為7.46×10^-2 SEUs/dev/day，兩個實驗得到的失效率都非常的高^[11]，說明該款芯片在航空飛行的環境下非常容易出錯，如果該芯片應用在航空器上，會給系統帶來嚴重的危害；

    (3)在正常飛行高度的中子通量是地平面的200-400倍，因此在高空運行的航電系統，比在地面要危險得多，對于應用在航空中的系統，一定要采取相應的防單粒子翻轉的加固措施。

3 IMS SRAM芯片航空飛行抗單粒子翻轉能力測試

    波音國防和航天集團對RAM型存儲芯片進行過航空飛行實驗，研究大氣中子通量引起的單粒子效應對飛機航空電子器件的影響^[12]。實驗針對IMS公司的64 k SRAM存儲芯片，由軍用飛機攜帶飛行進行實驗，飛機的飛行高度為29 000英尺和65 000英尺。實驗使用NASA ER-2飛機和Boeing E-3飛機，SRAM被攜帶飛行接近60次航班，累計飛行達到300飛行小時，總共發現大約75次單粒子翻轉，實驗得到的單粒子翻轉率情況如表3。

    從飛行實驗數據結果可以分析得到：

    (1)該款芯片的單粒子翻轉率在10^-8 SEUs/bit/day至10^-7 SEUs/bit/day量級，若該芯片直接應用在航空電子設備中，對設備的安全性和可靠性有著很大的影響；

    (2)E-3飛機飛行高度為29 000英尺，ER-2飛機飛行高度為65 000英尺，隨著飛機飛行海拔高度的增加，芯片受到的輻射能量隨之升高，產生的單粒子翻轉現象也更加明顯。

4 航空輻射環境SRAM存儲芯片抗單粒子翻轉能力分析

    目前CMOS工藝的SRAM存儲芯片，其對單粒子翻轉效應是非常敏感的，若不采取相關的輻射加固措施，其失效率遠遠無法滿足航空電子設備安全性的要求。

    1)綜合上述各款SRAM芯片的實際飛行數據，在大氣層10 km高度附近SRAM型存儲芯片的單粒子翻轉率在10^-8 SEUs/bit/day量級，已嚴重威脅航電系統的安全運行；

    (2)結合地面輻照實驗和航空飛行實驗，可以發現大氣中中子輻射對芯片的影響比較大，SRAM芯片的單粒子效應更主要是由中子輻射引起的；

    (3)在大氣層中飛行高度越高，SRAM型存儲芯片受到輻射能量越大，單粒子效應越明顯，越容易產生單粒子翻轉；

    (4)由于地理緯度的不同，大氣中的中子能量也有所不同，一般緯度低的區域中子通量比較高，SRAM芯片受到的輻射能量也比較大，因此運行在低緯度區域的航空器，其電子設備要受到額外的防護；

    (5)盡管器件生產廠商已經注意到單粒子翻轉效應問題，但是單單從器件本身的加固技術來看，尚不能滿足器件安全運行的要求。

參考文獻

[1] TANAY K，SENIOR M.Characterization of soft errors caused by single event upsets in CMOS processes[J].Dependable and Secure Computing，2004，1(2)：128-143.

[2] Microsemi.Neutron-Induced Single Event Upset(SEU) FAQ.

[3] Aviation Occurrence Investigation.In-flight upset 154 km west of Learmonth，WA 7 October 2008 VH-QPA Airbus A330-303.

[4] GOSSETT C A，HUGHLOCK B W.Single Event Phenomena in Atmospheric Neutron Environments[J].Nuclear Science，1993，40(6)：1845-1852.

[5] JOHANSSON K，DYREKLEV P，GRANBOM B，et al.Inflight and ground testing of single event upset sensitivity in static RAMs[J].Nuclear Science，1998，45(3)：1628-1632.

[6] NORMAND E，WERT J L，DOHERTY W R.Use of Pu-Be source to simulate neutron-induced single event upsets in static RAMS[J].Nuclear Science，1988，35(6)：1523-1528.

[7] NORMAND E，BAKER T J.Altitude and latitude variations in avionics SEU and atmospheric neutron flux[J].Nuclear Science，1993，40(6)：1484-1490.

[8] HUBERT G，TROCHET P，RIANT O，et al.A neutron spectrometer for avionic environment investigations[J].Nuclear Science，2004，51(6)：3452-3456.

[9] OLSEN J，BECHER P E，FYNBO P B，et al.Neutroninduced single event upsets in static RAMS observed at 10 KM flight altitude[J].Nuclear Science，1993，40(2)：74-77.

[10] UNSCEAR(United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation).Ionizing Radiation：Sources and Biological Effects.New York：United Nations，1982.

[11] Actel.Single-Event Effects in FPGAs.2007.

[12] NORMAND E.Single-Event Effects in Avionics[J].Nuclear Science，1996，43(2)：461-474.