航空辐射环境SRAM存储芯片单粒子翻转实验综述*

王　鹏，张道阳，2，薛茜男

（1.中国民航大学 天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300；2.中国民航大学 安全科学与工程学院，天津300300）



航空辐射环境SRAM存储芯片单粒子翻转实验综述*

王鹏1，张道阳1，2，薛茜男1

（1.中国民航大学 天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津 300300；2.中国民航大学 安全科学与工程学院，天津300300）

随着集成电子器件的快速发展，应用在航空电子系统中的SRAM型存储器件集成度也越来越高，尺寸越来越小，其发生单粒子翻转效应的可能性也越来越高，对航空飞行的可靠性和安全性带来严重的隐患。针对国外已有的SRAM型存储芯片的地面辐射实验、航空飞行实验结果进行归纳总结，分析SRAM存储芯片受单粒子翻转效应的影响以及失效特点。

单粒子翻转；SRAM；辐照实验；飞行实验

中文引用格式：王鹏，张道阳，薛茜男.航空辐射环境 SRAM存储芯片单粒子翻转实验综述［J］.电子技术应用，2016，42 （7）：26-28，33.

英文引用格式：Wang Peng，Zhang Daoyang，Xue Qiannan.Review of single event upset experiences about SRAM memory chips in air radiation environment［J］.Application of Electronic Technique，2016，42（7）：26-28，33.

0　引言

近年来，国防军事、航空航天领域得到快速发展，航天器在空间中的活动也越来越频繁，这些航天器在空间飞行中，一直遭受着空间带电粒子的辐射，辐射主要包括质子、中子、重离子和 α粒子［1］。当航天器中应用的半导体器件受到这些带电粒子的辐射，很容易引起单粒子效应（Single Event Effect，SEE），造成器件失效。近些年，不仅仅是航天飞行，在民用航空领域疑似因单粒子失效造成的航空事故也频繁出现，在 2003年，思科公司发布一系列关于1200系列路由器线卡通知，警告关于该线卡会由于单粒子翻转（Single Event Upset，SEU）导致重置［2］。2008年 10月，澳洲航空公司一架空客A330-303飞行在37 000英尺高度，由于飞机上的电脑受到大气辐射影响产生错误，导致飞机连续两次急速向下倾斜，第一次下降650英尺，第二次下降 400英尺，至少110名乘客和9名机组人员受伤，其中1位飞机服务员和11位乘客受到严重伤害［3］，单粒子效应对航空飞行的可靠性、安全性以及寿命都有着很大的影响，对航电系统所产生的危害甚至是致命的。

上述问题使得机载器件单粒子失效成为了航空工业方和适航当局急切关注的问题。研究空间辐射引发的单粒子效应以及对其采取相应的抗辐射加固措施非常有必要。近年来，国外对单粒子翻转效应进行了大量的飞行实验，包括太空辐射环境和大气辐射环境，同时还开展了许多地面模拟实验。本文主要针对国外近些年对单粒子效应的一些研究成果进行归纳总结，分析单粒子翻转效应相关的飞行实验［4］以及地面模拟实验方法、实验数据以及值得关注的问题。

1　Samsung SRAM芯片抗单粒子翻转能力测试

KM684000LG-5是一款 Samsung公司生产的容量为4 Mb的SRAM存储芯片。在1993年，瑞典爱立信萨博航空公司对针该芯片进行过相关研究实验［5］，实验分为地面辐照实验和大气飞行实验，实验采用一个CUTE的测试装置，用来检测实验中产生的单粒子翻转。该研究机构此次实验主要研究商用飞机在正常飞行高度时，大气层中的粒子辐射对存储芯片所产生的单粒子翻转效应的影响。

1.1Samsung SRAM芯片中子辐照实验

地面辐照实验对该芯片进行三次不同中子源［6］辐射测试，三个测试地点分别为丹麦RNL实验室、瑞典哥德堡查尔摩斯工学院（CTH）、瑞典乌普萨拉斯维德贝格实验室（TSL），实验测得结果如表1。实验结果表明在受到较高能量辐射时，芯片的单粒子翻转效应更容易产生，地面辐照实验得到该款芯片的单粒子翻转率范围在0.08 SEUs/dev/day至0.1 SEUs/dev/day之间。

1.2Samsung SRAM芯片航空飞行实验

萨博航空公司采用北欧航空和法航航空的商用飞机进行航空飞行实验，飞行高度在8.84 km～11.9 km之间，飞行的纬度22°～79°之间。

北欧航空的实验收集了飞机1 088小时飞行时间的数据。飞机飞行的地理纬度在28°～79°之间。在此次飞行实验中，共检测到 489次单粒子翻转现象，计算出的单粒子翻转率为0.12 SEUs/dev/day。

法航航空的实验收集了飞机1 005小时飞行时间的数据。其中飞机飞行时间的5/7在北纬22°N位置，飞行时间的2/7在北纬60°位置。实验一共观察到222次单粒子翻转，得到的单粒子翻转率为0.055 SEUs/dev/day。

研究人员表明此次飞行纬度对于单粒子翻转的产生有着很大的关系，不同纬度地区，由于不同纬度的中子通量也不同［7-8］，电子器件的单粒子翻转效应也不相同，一般情况纬度低，粒子辐射能量高，单粒子翻转效应越敏感，因此虽然法航比北欧航空飞行实验得出的结果数据低一半，但也是在同样的量级上，与期望结果是一致的。

1.3Samsung SRAM芯片抗辐照性能分析

萨博航空公司的实验阐明了在大气层中中子辐射对SRAM存储芯片有着很重要的影响，中子辐射能够引起SRAM存储芯片的单粒子翻转。从地面辐照实验和飞行实验数据可以看出，该款芯片的单粒子翻转率比较高，一个器件每天约有 0.05～0.12个翻转故障产生。航空电子器件属于高可靠性设备，如果要用在航空电子系统中，是无法满足民用航空适航和安全性要求的，需要采取一定的防护加固措施。

2　NEC SRAM存储芯片抗单粒子翻转能力测试

NEC D43256A6U-15LL是一款1.3 μm CMOS制作工艺的SRAM存储芯片，该芯片的容量为256 Kb。丹麦核安全研究部门研究大气中子辐射对存储芯片的影响，选取该款芯片进行了单粒子翻转相关的地面辐照实验和大气飞行实验［9］。

2.1NEC SRAM地面辐照实验

地面辐照实验在RNL实验室进行，研究人员使用Pu-Be中子源对 D43256芯片进行辐照实验，芯片受到辐射的中子通量为830 n/cm2/sec。此次辐照实验用电脑记录SRAM中单粒子翻转情况，实验过程中每隔30 s对SRAM内存储信息进行扫描，当芯片内出现位翻转时，对翻转位进行记录。

在中子辐照实验进行的30.72天中总共发现 112个SEUs现象，实验中电脑实际测试位数为4.01×106bit，最后计算得到该芯片在中子辐射中的单粒子翻转率为9.09×10-7SEUs/bit/day，即3.65 SEUs/dev/day实验结果如表2。这个值表明D43256A6U-15LL该芯片对单粒子翻转效应是非常敏感的，也就是说在受到粒子辐射时，平均每天每个器件会产生 3.65个单粒子翻转现象，非常容易发生单粒子翻转现象。

表2　D43256A6U-15LL芯片中子辐射实验结果［9］

2.2NEC SRAM飞行实验

表1　Samsung SRAM芯片中子辐射实验结果［5］

D43256芯片的飞行实验由商用飞机携带飞行进行实验，飞机的飞行高度为 10 km，根据 UNSCEAR［10］表明10 km高度的大气中子通量为2-3 n/cm2/sec，实验阶段总共携带飞行时间为六个月，总共的测试位为3.11×106bit。实验过程中测试系统在飞机正常飞行阶段对芯片内部测试位进行监测，并且记录测试位的位翻转。实验结束后实验人员结合敏感体积、爆裂生成率、中子通量以及总共的测试位数，计算出此次飞行实验单粒子翻转率为2.4×10-8SEUs/bit/day，即7.46×10-2SEUs/dev/day。由于辐照实验采用的中子通量比大气层中的中子通量高出两个数量级，因此飞行实验得到单粒子翻转率与预期一致。

2.3NEC SRAM抗辐照能力分析

通过对以上的实验分析，可以得到以下结论：

（1）地面模拟辐射实验采用中子辐射，针对大气层中辐射较多的中子进行实验，并且通过与飞行实验的对比，可以看出实验结果具有较高的可信度，也表明了在大气中中子辐射对芯片的影响很大；

（2）地面辐照实验得到的单粒子翻转率为3.65 SEUs/ dev/day，飞行实验得到的单粒子翻转率为7.46×10-2SEUs/ dev/day，两个实验得到的失效率都非常的高［11］，说明该款芯片在航空飞行的环境下非常容易出错，如果该芯片应用在航空器上，会给系统带来严重的危害；

（3）在正常飞行高度的中子通量是地平面的200-400倍，因此在高空运行的航电系统，比在地面要危险得多，对于应用在航空中的系统，一定要采取相应的防单粒子翻转的加固措施。

3　IMS SRAM芯片航空飞行抗单粒子翻转能力测试

波音国防和航天集团对RAM型存储芯片进行过航空飞行实验，研究大气中子通量引起的单粒子效应对飞机航空电子器件的影响［12］。实验针对 IMS公司的64 k SRAM存储芯片，由军用飞机携带飞行进行实验，飞机的飞行高度为 29 000英尺和 65 000英尺。实验使用NASA ER-2飞机和 Boeing E-3飞机，SRAM被携带飞行接近60次航班，累计飞行达到300飞行小时，总共发现大约75次单粒子翻转，实验得到的单粒子翻转率情况如表3。

表3　IMS 64K SRAM飞行实验结果［12］

从飞行实验数据结果可以分析得到：

（1）该款芯片的单粒子翻转率在10-8SEUs/bit/day至10-7SEUs/bit/day量级，若该芯片直接应用在航空电子设备中，对设备的安全性和可靠性有着很大的影响；

（2）E-3飞机飞行高度为29 000英尺，ER-2飞机飞行高度为65 000英尺，随着飞机飞行海拔高度的增加，芯片受到的辐射能量随之升高，产生的单粒子翻转现象也更加明显。

4　航空辐射环境SRAM存储芯片抗单粒子翻转能力分析

目前CMOS工艺的SRAM存储芯片，其对单粒子翻转效应是非常敏感的，若不采取相关的辐射加固措施，其失效率远远无法满足航空电子设备安全性的要求。

（1）综合上述各款SRAM芯片的实际飞行数据，在大气层 10 km高度附近 SRAM型存储芯片的单粒子翻转率在 10-8SEUs/bit/day量级，已严重威胁航电系统的安全运行；

（2）结合地面辐照实验和航空飞行实验，可以发现大气中中子辐射对芯片的影响比较大，SRAM芯片的单粒子效应更主要是由中子辐射引起的；

（3）在大气层中飞行高度越高，SRAM型存储芯片受到辐射能量越大，单粒子效应越明显，越容易产生单粒子翻转；

（4）由于地理纬度的不同，大气中的中子能量也有所不同，一般纬度低的区域中子通量比较高，SRAM芯片受到的辐射能量也比较大，因此运行在低纬度区域的航空器，其电子设备要受到额外的防护；

（5）尽管器件生产厂商已经注意到单粒子翻转效应问题，但是单单从器件本身的加固技术来看，尚不能满足器件安全运行的要求。

［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.

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

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

Review of single event upset experiences about SRAM memory chips in air radiation environment

Wang Peng1，Zhang Daoyang1，2，Xue Qiannan1
（1.Tianjin Key Laboratory for Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China；2.College of Safety Science&Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

With the rapid development of integrated electronic devices，the integration of SRAM memory devices which applied in avionics systems grew more and more high，and the sizes became smaller and smaller.It could also lead to the possibility of single event upset happen in SRAM memory become more and more high.The reliability and security of air flight will have serious hidden troubles.In this paper，we will make a summary about SRAM memory chips experiments from the results of the ground radiation experiments and atmospheric flight experiments which have done by foreign institutions.At the last，the paper will analyse the effect and the failure characteristics of SRAM memory chips when they have single event upset.

single event upset；SRAM；irradiation experiment；flight experiment

TN409

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.006

国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合资助项目（U1333120）；中央高校基本科研业务费项目（3122014C025）；民航科技创新引导资金重大专项项目（MHRD20140103）；民航科技创新引导资金项目（MHRD20140208）；天津市自然科学基金联合资助项目（15JCQNJC42800）

2015-10-04）

王鹏（1982-），男，硕士，副研究员，主要研究方向：民机系统安全性设计与评估、机载电子硬件适航技术。

张道阳（1992-），男，在读硕士，主要研究方向：辐射环境下机载电子硬件故障注入方法。

薛茜男（1984-），通信作者，女，博士，助理研究员，主要研究方向：辐射环境下机载电子硬件的验证及加固方法，E-mail：qiannanxue@163.com。