国产先进工艺SoC 器件空间单粒子效应试验研究

杨 榕，杜卓宏，王乾元,2，李嘉伟，孙 毅,2，吕 贺,2，张洪伟,2，梅 博,2*

（1. 中国航天宇航元器件工程中心； 2. 国防科技工业抗辐照应用技术创新中心：北京 100029）

0 引言

导航卫星主要运行在地球静止轨道（GEO）和中地球轨道（MEO）。在GEO，卫星受到银河宇宙线和太阳宇宙线的重离子辐射的影响，其半导体器件会产生瞬时或永久性辐射效应，导致器件性能退化或功能丧失，进而引发卫星在轨异常。

国产NS9xxU 型SoC 器件是一款用于GEO 导航卫星的多频多模信号处理器件，采用体硅55 nm 1P7M CMOS 工艺制造，电路规模约为3000 万门。器件由导航基带、外设接口及处理器部分组成，最多可支持7 个频点的A/D 数据输入，包括GPS的L1、L2 频点，北斗的B1、B2、B3 频点以及Glonass的 L1f、L2f 频点。捕获模块支持对上述频点的快速捕获；跟踪模块实现对上述频点的跟踪。导航基带模块可实现跟踪通道环路的闭环跟踪，包括载波环跟踪和码环跟踪。外设接口应包含Uart、SPI、SPF、I2C、GPIO、看门狗和1PPS 等接口。SoC 器件能通过CAN 或1553B 总线与星务进行数据交互。处理器部分采用双核结构，具有：1）内部运算单元完成指令的解析运算；2）PLL 部分支持处理器时钟的工作频率配置；3）SRAM 单元供程序的在线运行；4）数据交互功能。因器件结构复杂且对辐射敏感，空间应用须关注其抗辐射能力是否满足要求。

本文针对SoC 器件，结合器件功能及应用于GEO的环境剖面，开展空间单粒子辐射敏感性分析，设计器件单粒子效应测试系统，并利用HI-13 串列加速器及HIRFL 回旋加速器开展地面模拟重离子单粒子效应测试及分析；结合ForeCAST 在轨预示软件，对器件在轨单粒子翻转率进行计算，为器件的空间应用提供参考。

1 器件功能及辐射敏感性分析

1.1 器件功能性能

该SoC 器件的功能验证重点针对其基带功能和CPU 内核功能，主要包括电路基本功能模块、接口模块、程序加载、数据交互等功能。器件功能见图1。

图1 器件功能框图Fig. 1 Functional block diagram of the SoC device

基带功能指器件对各频点导航信号的捕获跟踪覆盖性；CPU 内核功能包含加载运行功能、Timer定时器、WatchDog 功能、GPIO 功能、同步串口功能、EBI 总线功能以及双核数据交互功能等。

根据SoC 器件的功能和典型应用，设计了器件的应用偏置电路板，其原理如图2 所示。典型应用电路按照SoC 应用于整机系统的基带板实际电路进行设计。电路板内部配置2 个导航信息处理单元，外部输入的射频信号经过功分器分路后分别送入这2 个导航信息处理单元；再经功分器和射频滤波器的分路和选频后，分别输出至2 片射频信号处理器件；每片射频信号处理器件包含2 路下变频及A/D 采样处理通道，可处理2 个频点的模拟导航信号，并直接输出数字采样信号。2 个导航信息处理单元在硬件设计上完全相同且物理设计完全独立，因此本文仅以其中1 个单元为例进行描述。

图2 典型应用电路结构Fig. 2 Circuit diagram of a typical application

经射频信号处理器件采样后的数字中频信号送至SoC 的Baseband 模块，完成导航信号的捕获、跟踪和环路处理。SoC 内部的SCore 用于定位解算，由其从Baseband 模块中获得卫星的累加量和测量量数据，根据累加量数据对载波残余频/相差和伪码残余相差进行修正，根据测量量数据获得各跟踪卫星信号的伪距信息，经过解算后生成定位和定速结果。

定位解算完成后，由SCore 通过片内交互单元将定位数据和测量量数据发送给MCore，由其利用带轨道动力学模型的卡尔曼滤波算法完成实时定轨解算。最后由MCore 利用同步串口将解算数据、遥测数据、测量量数据等通过板件连接器发送给用户。

1.2 辐射敏感性分析

CMOS 工艺器件的空间辐射效应包括电离总剂量效应和单粒子效应。前者主要作用于器件的氧化层，如栅氧和场氧等区域，在Si/SiO界面形成损伤。对于NS9xxU 型SoC 器件，其典型栅氧厚度为30 Å，理论分析认为超薄栅氧对电离总剂量效应有一定的防护能力；而且前期试验数据表明，该型SoC的抗电离总剂量辐射能力大于100 krad(Si)，满足一般宇航型号的抗总剂量辐射指标要求。

采用CMOS 工艺制造的典型SoC 器件内部功能复杂，包含寄存器、存储器等结构，因此极易发生单粒子翻转（SEU）和单粒子功能中断（SEFI）；而且器件采用CMOS 双阱工艺制造，存在NPNP 的晶闸管寄生结构，在单粒子入射情况下，可能触发晶闸管结构，导致电离产生的瞬态电流被放大，诱发单粒子锁定效应（SEL）。因此，本文重点针对NS9xxU型SoC 的单粒子效应，特别是单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子锁定效应开展试验研究。

2 单粒子试验方案

利用重离子对NS9xxU 型SoC 器件开展单粒子效应测试试验。试验分别在中国原子能科学研究院的HI-13 串列加速器及中国科学院兰州近代物理研究所的HIRFL 回旋加速器上进行。具体试验方案如下。

2.1 试验样品

NS9xxU 型SoC 采用体硅55 nm 1P7M CMOS工艺制造，Q208P2 封装。试验前对器件进行化学、机械开封装，使内部芯片裸露，便于加速器离子进行辐照。试验样品共3 只，分别编号为1#、2#、3#。

2.2 试验测试系统

根据器件功能和应用条件设计了单粒子效应测试系统，主要包含可编程直流电源、硬件板卡及上位机等。如图3 所示，由NI 可编程电源通过电源接口为待测器件供电，上位机对器件输出状态进行实时监测。

图3 单粒子效应测试系统硬件组成示意Fig. 3 Schematic diagram of the hardware system for single particle test

整个板卡主要包括对外接口、FPGA 控制单元和SoC 测试芯片3 部分。系统对外接口包括电源接口和DB9 串口，外接电源通过电源接口接入到板卡中的电源转换芯片，由该芯片完成电压转换后提供给整个系统。FPGA 控制单元完成系统测试控制和数据交互工作。

测试时，FPGA 控制单元接收来自上位机的控制指令，做出响应，输出相关的测试激励；SoC 接收到测试激励后在辐照环境下完成响应，即相应的功能测试，并将测试结果打包送至FPGA 控制单元；FPGA 控制单元收到测试结果后，负责将其通过DB9接口发送至上位机中进行显示和储存。

2.3 试验测试内容

2.3.1 单粒子翻转测试

对被测器件进行单粒子效应测试时，测试系统主要是使被测器件处在工作状态，同时监测被测器件对单粒子翻转的敏感性。具体测试步骤见图4。当累积注量达到10粒子/cm或约定条件（如出错总数达到100）时，测试人员可通过测试软件结束本次测试，切换器件模式或粒子种类，进行后续辐照试验。

图4 单粒子效应测试流程Fig. 4 Process for the single event effect test

单粒子翻转测试中的主要模式配置如下：

1）SRAM 测试

FPGA 配置SoC 电路为SRAM 在TRM 模式下进行翻转检测，向连续的地址写入0xaaaaaaaa，32 个地址作为1 个单位；写入数据后，对其进行循环读取，将第次的读取数据作为第+1 次读取数据的比对标准，如果发生错误，错误数累加；累积辐照至规定注量，停止粒子辐照，对器件进行复位，然后继续进行辐照测试；重复上述操作至错误总数或累积总注量达到预设值，试验停止。

2）DFT 测试

FPGA 根据接收到的上位机指令，将SoC 电路配置为DFT 模式，管脚DFT_BIST_MODE 配置为0，管脚DFT_SCAN_MODE 配置为1，使能信号管脚DFT_SCAN_MODE 配置为1，输入时钟引脚为AD_CLK。AD_DATA_L[15:0]、AD_DATA_H[15:0]、M_UART0_RXD、 M_UART0_TXD、 M_UART1_RXD、M_UART1_TXD、M_SPF_S_SCK、M_SPF_S_CS、M_SPF_S_DAT、M_SPF_M_SCK 管脚为扫描输入，扫描观测输出为EBI_ADDR[22:0]、EBI_DATA[15:0]、EBI_OEN，SoC 内部所有扫描链可遍历绝大多数寄存器。

测试激励参考常规功能测试的DFT 测试码。

测试分为带TRM 和无TRM 的扫描链2 种测试模式，分别记录试验结果。对带TRM 的扫描链累积辐照至规定注量，停止粒子辐照，对器件进行复位，然后继续进行辐照测试，重复上述操作至错误总数或累积总注量达到预设值，试验停止。

2.3.2 单粒子功能中断测试

1）UART 模块

①设置UART0 波特率为115 200，1 位停止位，无校验，收发使能；

②FPGA 控制器端将UART0 串口的发送端和接收端相连；

③测试内部UART0 的寄存器初始状态；

④CPU 向UART0 写数据（5×32 bit），同时将写入的数据通过FPGA 控制端发送给UART0；

⑤CPU 读取FPAG 控制端发送的数据，与CPU写入数据进行比较，以验证数据传输的正确性。

2）TIMER 定时器模块

①设置TIMER0/TIMER1 为周期模式，步进精度为0 级，32 bit 宽度，循环模式，将50 ms 的定时初值写入定时器；

②在定时器中断中，配置GPIO20，使其产生周期为100 ms 的方波输出给FPGA 控制端；

③FPGA 控制端对输入方波进行测试，如果测试结果正确，则通过触发SoC 的GPIO19 管脚，产生GPIO 中断，告知CPU 测试结果。

3）SPI 模块

①配置SPI 空闲时钟为高，数据传输低位优先，奇数边沿采样，使能SPI 模块；

②通过SPI 总线，向W25X20 Flash 最后一个片区写入数据（256×32 bit）；

③CPU 通过SPI 总线读取W25X20 Flash 最后一个片区写入的数据，与CPU 写入数据进行比较，以验证数据传输的正确性。

4）EBI 模块

①配置EBI 片选0 为访问Flash 时序；

②通过EBI 总线接口，向EBI Flash 最后一个片区写入数据（256×32 bit）；

③CPU 通过EBI 总线接口读取EBI Flash 最后一个片区写入的数据，与CPU 写入数据进行比较，以验证数据传输的正确性。

5）GPIO 模块

①配置GPIO23（主核GPIO23，从核GPIO29）为GPIO 输出，GPIO24（主核GPIO24，从核GPIO30）为输入；

②通过FPGA 控制端将GPIO23/GPIO29 与GPIO24/GPIO30 连接；

③CPU 配置GPIO23/GPIO29 为高低电平输出后，再读取GPIO24/GPIO30 的相应输入值，进行比较以验证GPIO 的正确性。

6）SPF 模块

①配置SPF1 为主模式发送、SPF0 为从模式接收，片选低有效，字节内bit 由低到高，时钟空闲为高；

②FPGA 控制端将SPF1 与SPF0 的时钟、片选、数据线相连接；

③CPU 通过SPF1 发送数据（5×32 bit），将SPF0接收到的数据与发送数据进行比较，以验证SPF 模块传输的正确性。

7）核中断模块

①配置主、从核模块各自的核中断功能；

②在主核中CPU 轮询触发从核的8 个核中断；

③在从核中断服务函数中，通过共享寄存器给主核以应答；

④主核读取共享寄存器，判断从核是否能够正常响应核中断；

⑤在从核中CPU 轮询触发主核的8 个核中断；

⑥在主核中断服务函数中，通过共享寄存器给从核以应答；

⑦从核读取共享寄存器，判断主核是否能够正常响应核中断。

8）浮点计算模块

在该模块中，通过一段计算Π 的算法函数进行验证。CPU 每执行1 次该算法程序，就将计算出的Π 值与理论值进行比较，以验证CPU 的浮点计算功能。

2.3.3 单粒子锁定测试

对被测器件进行单粒子锁定测试时，辐照过程中测试器件在电源电压上拉10%、最高工作频率条件下的功能输出及工作电流，当被测器件的工作电流突然大于设定值（如，正常工作电流的1.5 倍），表明器件功能异常；若停止辐照后器件功能不能自行恢复，重新上电后可恢复正常，则判断器件发生单粒子锁定。

3 试验结果分析

利用HI-13 串列加速器及HIRFL 回旋加速器产生的Si、Ti、Ge、Ta 离子对器件开展了单粒子效应测试，其中Ta 离子、Ge 离子、Ti 离子和Si 离子的LET 值分别为81.4、37.4、21.8、21.8MeV·cm·mg。单粒子翻转截面数据处理结果见表1。需要说明的是：因试验采用多个样品重复进行，部分试验轮次单粒子翻转未达到100 次，但已满足翻转截面数据统计的需求，可结束该轮次试验。

表1 单粒子翻转截面数据处理结果Table 1 Results of cross-section of single event effect

4 ForeCAST 软件拟合计算结果

利用中国空间技术研究院具有自主知识产权的单粒子效应预示软件ForeCAST 对NS9xxU 型SoC 器件的单粒子翻转和功能中断截面进行拟合计算，所用的4 种离子以及截面参数参见表1。

DFT 模式单粒子翻转截面与LET 值变化曲线如图5 所示，饱和截面为3.505×10cm·bit，取10%饱和截面对应LET 值13.7 MeV·cm/mg 为阈值，资源数499 033 bit，在GEO、Adams 90%最坏环境模型，3 mm(Al)屏蔽条件下，计算得到器件DFT 模式单粒子翻转率为6.80×10d·bit。

图5 DFT 模式单粒子翻转截面与LET 值变化曲线Fig. 5 Single event upset cross section vs. LET value for DFT mode

SRAM 模式单粒子翻转截面与LET 值变化曲线如图6 所示，饱和截面为1.9×10cm·bit，取10%饱和截面对应LET 值12.8 MeV·cm/mg 为阈值，资源数14.8 Mbit，在GEO、Adams 90%最坏环境模型，3 mm(Al)屏蔽条件下，计算得到器件SRAM模式单粒子翻转率为5.61×10d·bit。

图6 SRAM 模式单粒子翻转截面与LET 值变化曲线Fig. 6 Single event upset cross section vs. LET value for SRAM mode

单粒子功能中断截面与LET 值变化曲线如图7所示，饱和截面为8.57×10cm/器件，取10%饱和截面对应LET 值10.18 MeV·cm/mg 为阈值，在GEO、Adams 90%最坏环境模型，3 mm(Al)屏蔽条件下，计算得到器件单粒子功能中断率为5.24×10d。

图7 单粒子功能中断截面与LET 值变化曲线Fig. 7 Single event functional interruption cross section vs.LET value

5 结束语

对某多频多模导航SoC 器件进行单粒子效应测试可以看出：该器件在Ta 离子辐照下的单粒子锁定阈值为81.4 MeV·cm/mg，满足地球轨道航天器对单粒子锁定效应的指标要求（SEL 阈值LET≥75 MeV·cm/mg）。

然而该器件对单粒子功能中断效应和单粒子翻转效应比较敏感，主要原因可能是55 nm 工艺条件下，器件有源区面积显著缩小，进而导致器件对于单粒子入射电离出电子-空穴对的灵敏体积减小；因此，相比0.13 μm 以上工艺节点的器件，55 nm工艺器件更容易导致存储节点发生翻转。针对本文中的导航SoC 电路，在具体使用时需要采取相应的加固措施，例如，需要在系统级进行定时刷新或对SRAM 区采取EDAC 校验，以满足宇航型号的抗单粒子翻转要求，保证卫星在轨可靠运行。