星用微处理器抗单粒子翻转可靠性预示研究

李 强 高 洁 刘伟鑫

1 (上海航天技术研究院第509研究所 上海 200240)

2 (上海航天技术研究院第804研究所 上海 201109)3 (上海航天技术研究院第808研究所 上海 201109)

微处理器是卫星上核心器件之一，广泛应用于星载计算机、有效载荷等关键单机上。空间辐射的高能质子、重离子等会对星用微处理器造成单粒子翻转效应，严重影响卫星在轨运行[1,2]。对单粒子翻转效应的研究，主要有空间飞行试验和地面模拟试验两种途径。前者研究结果直观准确，但费用昂贵、周期漫长；后者是较通用的研究方法。而地面模拟试验条件与卫星的实际在轨情况有一定差异[3]，须将地面模拟试验结果运用标准软件计算得到的单粒子翻转率(静态单粒子翻转率)与实际在轨翻转率(动态单粒子翻转率)进行比较，找出二者的区别和联系。

国外自上世纪 70年代末期起对卫星用电子器件的单粒子翻转效应展开了多方位大强度研究。在试验设备方面，较著名的设备有美国加州大学Berkeley分校回旋加速器等[4]；在翻转效应和预示方法方面，较著名的实验室有Brookhaven National Laboratory SEUTF、Naval Research Laboratory等，较著名的预示方法包括 CRÈME方法、Space Radiation方法、FOM方法等[5]；同时，在单粒子效应的飞行试验验证方面也取得较大进展，如TDRS-1、ERS-1卫星的异常和故障已被确认系由单粒子翻转效应引起，一些空间飞行试验结果也已用于验证地面模拟试验结果的验证工作，解答了研究人员关注的一些问题[6]。

我国目前用于卫星用电子器件单粒子翻转效应研究的试验设备主要有中国原子能科学研究院的HI-13串列静电加速器、中国科学院近代物理研究所的HIRAL(兰州重离子研究装置)、252Cf源等[4,7]。在单粒子翻转率预示方法方面主要还是跟踪国外方法，进行软件的编制和计算工作。在运用飞行试验结果来验证地面模拟试验结果方面，国内的研究报道较少。

本文运用程序占空比概念，研究了星用微处理器动态和静态单粒子翻转率间的关系和转换方法；探讨了器件级和系统级的星用微处理器抗单粒子翻转可靠性预示方法。

1 动态单粒子翻转率预示

1.1 动态与静态单粒子翻转率的区别

卫星飞行监测数据表明，星用微处理器的动态单粒子翻转率一般低于用通用软件包(如CREME、Space Radiation等)计算得到的静态单粒子翻转率。其原因主要是程序占空比的影响，即星用微处理器执行工程应用程序时，微处理器内部寄存器占用数据总线的时间与工程应用程序执行所需的全部时间之比。不同的寄存器在工程应用程序执行过程中具有不同的占空比，应用程序执行过程中还未使用的寄存器发生的单粒子翻转，并不影响星用微处理器工作，寄存器的程序占空比低于100%。

地面模拟试验时，为能保守预估星用微处理器的抗单粒子翻转能力，采用的标准检测程序应充分调用其内部每个寄存器单元，尽量提高寄存器使用率，保证寄存器程序占空比接近 100%，因此获得的翻转率是静态单粒子翻转率，高于空间实际应用时的动态单粒子翻转率。

1.2 动态与静态单粒子翻转率

理论计算和计算机仿真得到星用微处理器动态与静态单粒子翻转率之间的关系为：

式中，Rε、R0分别为星用微处理器动态和静态单粒子翻转率(device−1·day−1)；ε为星用微处理器各个寄存器程序占空比的平均值，ε可通过如下两种方法计算：

(1) 重离子辐照试验，辐照过程中星用微处理器分别执行工程应用程序和标准检测程序，根据试验结果计算：

式中，Lc0、Lcr分别为星用微处理器静态单粒子翻转阈值和动态单粒子翻转阈值；σL0、σLr分别为星用微处理器静态翻转饱和截面和动态翻转饱和截面。

(2) 用计算机故障注入进行模拟试验，计算星用微处理器各寄存器程序占空比的平均值：

式中，E0为计算机故障注入时可观测到的故障数量；E为计算机故障注入时的故障总数。

由式(1)、(2)、(3)，可得星用微处理器动态单粒子翻转率与静态单粒子翻转率间的转化表达式为：

1.3 在轨翻转率与标准软件计算值的转化验证

星用微处理器动态与静态单粒子翻转率间的关系可采用计算实例进行验证。图1给出了FY-2卫星上 80C31微处理器利用中国原子能科学研究院的HI-13串列加速器进行单粒子效应模拟试验时静态翻转截面和动态翻转截面与重离子 LET值之间的关系(试验所用重离子种类、能量及 LET值由表 1给出)。

由图1可得出80C31微处理器动态和静态条件下的单粒子翻转阈值及翻转饱和截面分别为：a) 动态条件下：LLr=3 MeV·mg−1·cm−2，σcr= 3×10–4cm2/device；b) 静态条件下：LL0=2 MeV·mg−1·cm−2，σc0= 3×10–3cm2/device。

根据上述结果可计算该80C31微处理器静态单粒子翻转率和动态单粒子翻转率，设实际空间环境为M=3(银河宇宙射线+90%置信度下太阳耀斑最坏情形)[8]、程序占空比平均值ε=10%，使用CRÈME通用软件包可计算出该80C31微处理器的静态粒子翻转率R0=1.13×10–1device−1·day−1，该静态单粒子翻转率试验结果与法国国家空间研究中心(CNES)对80C31微处理器的重离子辐照试验结果相符[9]。根据式(4)可计算出M=3天气条件下80C31微处理器动态单粒子翻转率Rε=2.5×10–3device−1·day−1，即1 device−1·day−1。

图1 80C31微处理器静态翻转截面和动态翻转截面与LET值之间的关系Fig.1 The static/dynamic upset cross-section as a function of LET of heavy ions for 80C31 microprocessor.

表1 试验所用重离子种类、能量及LET值Table 1 LET value of the heavy ions used in this study.

另外，应用FOM方法[5]也可直接计算出80C31微处理器的动态单粒子翻转率Rε=2.1×10–3device−1·day−1，即1device−1·day−1。

由以上结果看出，利用程序占空比ε根据式(4)计算出的动态单粒子翻转率与应用 FOM 法直接计算出的单粒子翻转率比较吻合，验证了式(4)的有效性。

2 抗单粒子翻转可靠性预示

2.1 器件级抗单粒子翻转可靠性预示

为预估星用微处理器在轨工作期间发生单粒子翻转的风险，我们用“抗单粒子翻转可靠性”描述星用微处理器在轨运行期间不发生单粒子翻转的概率；用“至多发生一次翻转概率”描述星用微处理器在轨运行期间不发生单粒子翻转和只发生一次翻转的概率之和。

通过理论计算和计算机仿真得到星用微处理器在轨运行期间抗单粒子翻转可靠性P0以及至多发生一次翻转的概率P1：

式中，T为星用微处理器在轨运行寿命指标。

2.2 系统级抗单粒子翻转可靠性预示

对于星用微处理器，程序占空比的存在使动态单粒子翻转率低于地面模拟试验中的静态单粒子翻转率。在软件设计过程中，可通过降低星用微处理器内部各个寄存器程序占空比的平均值来降低器件的动态单粒子翻转率，即对软件进行加固设计，从而实现整个系统动态单粒子翻转率的降低。将程序占空比分别引入式(5)和式(6)即可得到系统级星用微处理器在轨运行期间抗单粒子翻转可靠性PS0以及至多发生一次翻转的概率PS1：

2.3 应用

表2和表3给出了加固设计前后三种不同轨道下 BX1750A星用微处理器在轨运行期间的抗单粒子翻转可靠性PS0以及至多发生一次翻转的概率PS1，设BX1750A星用微处理器程序占空比为5%。

由表2和表3，软件加固设计前BX1750A星用微处理器抗单粒子翻转率PS0最低值为 62.3%，对应轨道参数为836 km/98.7°、5年寿命；软件加固设计后，该轨道参数和寿命对应的抗单粒子翻转率PS0提高至 97.7%，而至多发生一次翻转的概率PS1从91.8%提高至99.9%。这说明，星用微处理器的软件加固设计可有效提高其抗单粒子翻转可靠性。

表2 加固设计前BX1750A抗单粒子翻转可靠性PS0 、至多发生一次翻转概率PS1 Table 2 PS0 and PS1 of BX1750A before hardening design.

表3 加固设计后BX1750A抗单粒子翻转可靠性PS0 、至多发生一次翻转概率PS1 Table 3 PS0 and PS1 of BX1750A after hardening design.

3 结语

星用微处理器的静态单粒子翻转率反映了器件的抗单粒子翻转能力，是器件生产厂商最为关注的效应参数。空间应用时，星用微处理器的程序设计决定了器件的动态单粒子翻转率，完成的功能不同，获取的动态单粒子翻转率也不尽相同。本文运用程序占空比概念将星用微处理器静态单粒子翻转率和动态单粒子翻转率结合起来，对二者之间的转换方法进行了研究；将星用微处理器在轨运行期间满足单粒子翻转指标要求的概率与单粒子翻转率和飞行寿命联系起来，探讨了器件级和系统级的星用微处理器抗单粒子翻转可靠性预示方法。

1 Binder D, Smith E C, Holman A B,et al. IEEE Trans Nucl Sci, 1975, 22(6): 2675–2680

2 薛玉雄, 曹 洲, 杨世宇, 等. 原子能科学与技术,2008，42(1): 22–27 XUE Yuxiong, CAO Zhou, YANG Shiyu,et al. Atomic Energy Sci Technol, 2008, 42(1): 22–27

3 Stassinopoulos E G, Brucker G J. Shortcomings ground testing, environment simulations and performance predictionsεor space applications. RADECS 91, 1991

4 路秀琴, 符长波, 张 新, 等. 核技术, 2004, 26(4):271–274 LU Xiuqin, FU Changbo, ZHANG Xin,et al. Nucl Tech,2004, 26(4): 271–274

5 贺朝会. 空间科学学报, 2001, 21(3): 266–273 HE Chaohui. Chinese J Space Sci, 2001, 21(3): 266–273

6 杨兆铭. 真空与低温, 1995, 1(1): 46–58 YANG Zhaoming. Vac Cryog, 1995, 1(1): 46–58

7 侯明东, 甄红楼. 原子核物理评论, 2000, 17(3):165–170 HOU Mingdong, ZHEN Honglou. Nucl Phys Rev, 2000,17(3): 165–170

8 刘忠立. 先进半导体材料及器件的辐射效应. 北京: 国防工业出版社, 2008 LIU Zhongli. Radiation effects in advanced semiconductor materials and devices. Beijing: National Defense Industry Press, 2008

9 Chapuis T, Velazco R, Karoui S,et al. IEEE Trans Nucl Sci, 1989. 36(6): 2383