基于CYCIAE-100中能質(zhì)子回旋加速器的單粒子效應(yīng)敏感度評(píng)估

張慶祥，于登云，李衍存，賈曉宇，王 穎，鄭玉展，郭 剛，丁李利

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司，北京100048；3.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413；4.西北核技術(shù)研究院，西安710024）

0 引言

SRAM 型FPGA（feld-programmable gate array）由于其成本低、開發(fā)時(shí)間短和設(shè)計(jì)具有柔性，近年來在空間電子系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。空間高能粒子產(chǎn)生的單粒子翻轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致基于SRAM型FPGA實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)輸出發(fā)生錯(cuò)誤或功能失效，因此在應(yīng)用前，需要對(duì)系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)敏感度或防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證，通常采用高能粒子（包括重離子和質(zhì)子）輻照的方法。然而如何在有限的束流時(shí)間內(nèi)，獲得具有統(tǒng)計(jì)意義的評(píng)估結(jié)果，目前還沒有建立有效方法，是國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

在SRAM 型FPGA 中，從高能粒子入射到出現(xiàn)錯(cuò)誤的整個(gè)過程可以分為2個(gè)階段：首先，入射粒子與存儲(chǔ)單元相互作用產(chǎn)生位翻轉(zhuǎn)，這主要取決于器件的單粒子敏感度和粒子沉積的能量；然后，翻轉(zhuǎn)造成的信息改變影響系統(tǒng)的功能，這主要取決于翻轉(zhuǎn)位所屬資源的類型和電路的設(shè)計(jì)。對(duì)于這2個(gè)過程，國(guó)內(nèi)外均有很多研究工作分別關(guān)注，但很少同時(shí)研究[1-8]。

本文用高能質(zhì)子輻照典型電路，同時(shí)獲得了位流文件中的翻轉(zhuǎn)位數(shù)和電路的輸出錯(cuò)誤，并分析不同條件下獲得的試驗(yàn)結(jié)果之差別及其背后的影響因素，希望為后續(xù)建立適合工程應(yīng)用的基于SRAM型FPGA 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)敏感度評(píng)估方法奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 CYCIAE-100質(zhì)子輻照裝置

CYCIAE-100回旋加速器是北京放射性核束裝置的重要組成部分，可提供的質(zhì)子能量范圍為75～100 MeV，束流為200～500 μA。為基于CYCIAE-100開展單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，初步建成了一個(gè)包括雙散射靶、降能系統(tǒng)、樣品支架和束流診斷系統(tǒng)的質(zhì)子輻照裝置（PIE）[9]，其中，雙散射靶可降低束流，降能系統(tǒng)中的降能片可降低質(zhì)子能量。該裝置可提供的束流參數(shù)見表1。2016年11月17日，在CYCIAE-100回旋加速器試運(yùn)行階段，采用初步建成的質(zhì)子輻照裝置開展了試驗(yàn)。選用的質(zhì)子能量分別為30、60、80和100MeV，注量率為107～109cm-2·s-1。

表1 質(zhì)子輻照裝置束流參數(shù)Table 1 Beam parameters for proton irradiation equipment

為了完整地評(píng)估試驗(yàn)樣品的本征單粒子效應(yīng)敏感度，采用中國(guó)原子能科學(xué)研究院HI-13串列靜電加速器進(jìn)行80MeV 的12C離子、115MeV 的19F離子輻照試驗(yàn)，用中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所蘭州重離子加速器（HIRFL）進(jìn)行2150MeV 的86Kr 離子輻照試驗(yàn)。所選擇的粒子都具有足夠的射程穿透至器件的敏感區(qū)，同時(shí)將86Kr 離子的能量進(jìn)一步降低，以獲得不同的LET值，重離子的束流密度在102～104cm-2·s-1之間。采用瑞士PSI（Paul Scherrer Institut）質(zhì)子輻照裝置提供的7～200MeV 的質(zhì)子開展了試驗(yàn)，束流密度在2×107～5×107cm-2·s-1之間。

1.2 測(cè)試樣品及測(cè)試系統(tǒng)

本試驗(yàn)的測(cè)試樣品選擇倒裝商用器件XC4VSX55。國(guó)內(nèi)外不同機(jī)構(gòu)已對(duì)該器件及其對(duì)應(yīng)的宇航器件進(jìn)行了詳細(xì)研究，并且開展了飛行試驗(yàn)驗(yàn)證[3-7]。為了確保重離子入射到器件的敏感區(qū)，將樣品襯底材料減薄到大約54μm（見圖1）。

圖1 減薄的FPGA 試驗(yàn)樣品Fig.1 Thinned FPGA sample for experiment

測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，包括測(cè)試FPGA、被測(cè)FPGA、對(duì)照FPGA、電流檢測(cè)電路和控制計(jì)算機(jī)等。該系統(tǒng)可以將測(cè)試FPGA 位流文件回讀以檢測(cè)配置存儲(chǔ)器中的翻轉(zhuǎn)，同時(shí)不間斷地比較測(cè)試FPGA 和對(duì)照FPGA 的輸出，如果不一致則自動(dòng)進(jìn)行記錄。該系統(tǒng)既可以用于加速器試驗(yàn)也可以進(jìn)行故障注入。圖3給出了測(cè)試電路的功能框圖，包括2個(gè)累加器、2個(gè)FIFO鏈和2個(gè)移位寄存器鏈。資源使用包括5%Slice、5%LUT、1%Flip flop和10%IOB。

圖2 單粒子效應(yīng)評(píng)估測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Single event sensitivity evaluation system

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 單粒子翻轉(zhuǎn)截面

單粒子翻轉(zhuǎn)截面σ可通過公式σ=n/(F×N)得到，式中：n是配置位中發(fā)生翻轉(zhuǎn)的位數(shù)；F是試驗(yàn)中總的質(zhì)子注量；N是XC4VSX55配置位的總數(shù)，N=20 921 420，其中減去了用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的部分。

圖4給出了在瑞士PSI質(zhì)子輻照裝置獲得的XC4VSX55單粒子翻轉(zhuǎn)截面與質(zhì)子能量的關(guān)系，從該試驗(yàn)曲線擬合可以得到XC4VSX55的飽和截面是2.7×10-14cm2/bit，與文獻(xiàn)[3]中的結(jié)果（4.5×10-14cm2/bit）相近。

圖4 XC4VSX55的質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面Fig.4 Single event upset cross section of XC4VSX55 acquired by using proton

圖5給出XC4VSX55的重離子輻照單粒子翻轉(zhuǎn)截面與LET值的關(guān)系曲線，與文獻(xiàn)[5]中的結(jié)果接近。

圖5 XC4VSX55重離子翻轉(zhuǎn)截面與LET 值的關(guān)系曲線Fig.5 Intrinsic SEU cross section of XC4VSX55 induced by heavy ion irradiation

本文結(jié)果比較PSI的質(zhì)子試驗(yàn)結(jié)果和HI-13串列靜電加速器、蘭州重離子加速器獲得的重離子試驗(yàn)結(jié)果以及國(guó)外文獻(xiàn)結(jié)果[6-7]可知，XC4VSX55的翻轉(zhuǎn)截面均在同一量級(jí)內(nèi)且較為接近，證明本文研究中所采用的測(cè)試系統(tǒng)性能可靠，測(cè)試方法正確。

2.2 單粒子翻轉(zhuǎn)引起的錯(cuò)誤

試驗(yàn)中觀察到2種錯(cuò)誤：數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和功能錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的定義是1路或幾路輸出管腳瞬時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，但很快恢復(fù)；功能錯(cuò)誤的定義是輸出管腳持續(xù)錯(cuò)誤，需要通過重新配置來恢復(fù)。功能錯(cuò)誤對(duì)于基于SRAM型FPGA 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的危害更大，因此本文主要關(guān)注功能錯(cuò)誤。在測(cè)試輻照試驗(yàn)過程中，一旦檢測(cè)到功能錯(cuò)誤，則停止試驗(yàn)，記錄粒子的累積注量，同時(shí)將配置文件回讀以檢測(cè)位翻轉(zhuǎn)。表2給出了針對(duì)同樣的系統(tǒng)和應(yīng)用程序，CYCIAE-100和PSI 的試驗(yàn)中檢測(cè)到的功能錯(cuò)誤數(shù)及其對(duì)應(yīng)的位流文件的翻轉(zhuǎn)位數(shù)[10]對(duì)比。

表2 質(zhì)子輻照下的單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental result of SEU data under proton irradiation

從位流文件翻轉(zhuǎn)到功能錯(cuò)誤這一階段，可以不考慮注量的影響。從某種角度而言，這一階段也與輻照粒子的種類無關(guān)，除非對(duì)于采用三模冗余（TMR）防護(hù)措施的電路，不同粒子的輻照產(chǎn)生的多位翻轉(zhuǎn)可能引發(fā)不同的影響。但根據(jù)文獻(xiàn)[3,6]中的結(jié)果，質(zhì)子引起的多位翻轉(zhuǎn)的比例小于4%。因此從這個(gè)意義上來講，加速器試驗(yàn)（重離子或質(zhì)子）的作用與故障注入類似，只不過加速器試驗(yàn)可以覆蓋所有的資源類型。

位流文件中的翻轉(zhuǎn)位數(shù)與觀察到的功能錯(cuò)誤數(shù)的比例可以度量一個(gè)翻轉(zhuǎn)通過電路邏輯產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出的概率。這個(gè)比例取決于以下幾個(gè)因素：一是發(fā)生翻轉(zhuǎn)的位是否被使用；二是發(fā)生翻轉(zhuǎn)的位的功能（資源類型）；三是具體的設(shè)計(jì)（包括是否采用了針對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)的防護(hù)設(shè)計(jì)）。由于采用的典型電路的資源使用率較小，并且束流時(shí)間有限，在所有的試驗(yàn)中絕大多數(shù)情況下翻轉(zhuǎn)位數(shù)大于1000，而功能錯(cuò)誤數(shù)小于10。相對(duì)而言，CYCIAE-100回旋加速器獲得的翻轉(zhuǎn)位數(shù)和功能錯(cuò)誤數(shù)均高于PSI 試驗(yàn)的。

不同粒子能量下得到的翻轉(zhuǎn)位數(shù)與功能錯(cuò)誤數(shù)的平均比例表現(xiàn)出較大的偏差（如圖6所示）。相對(duì)而言，CYCIAE-100回旋加速器獲得的4個(gè)能量點(diǎn)的比例值比較接近，平均數(shù)為2334；而PSI試驗(yàn)中8個(gè)能量點(diǎn)的比例在356到2692之間，比較離散，平均值為1359。

圖6 不同能量下翻轉(zhuǎn)位數(shù)與功能錯(cuò)誤數(shù)的平均比例Fig.6 The average ratio of the upset bits to the functional errors for different energiesof protons

圖7中給出在CYCIAE-100進(jìn)行的所有32輪試驗(yàn)的翻轉(zhuǎn)位數(shù)與功能錯(cuò)誤率關(guān)系曲線，雖然以單次試驗(yàn)得到電路錯(cuò)誤率的置信度并不高，但是通過對(duì)翻轉(zhuǎn)位數(shù)-錯(cuò)誤率關(guān)系的擬合，可以依據(jù)少量的加速器輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到較準(zhǔn)確的電路錯(cuò)誤率。擬合結(jié)果表明，單個(gè)配置位翻轉(zhuǎn)引起受照電路出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率為5×10-4，即平均2000位翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致1次錯(cuò)誤的發(fā)生[10]。在99%置信度下，產(chǎn)生1次功能錯(cuò)誤平均需要的翻轉(zhuǎn)位數(shù)在1233～3141之間。CYCIAE-100回旋加速器和PSI獲得的翻轉(zhuǎn)位數(shù)與功能錯(cuò)誤數(shù)的比例均在此范圍之內(nèi)。以100MeV 質(zhì)子輻照為例，CYCIAE-100獲得的比例為2415，是PSI獲得的比例（356）的6倍以上。其原因可能在于兩試驗(yàn)中檢測(cè)到的功能錯(cuò)誤數(shù)（分別為5和2）均太少，使得統(tǒng)計(jì)漲落顯大。

圖7 CYCIAE-100進(jìn)行的32輪試驗(yàn)單粒子翻轉(zhuǎn)位數(shù)與功能錯(cuò)誤率的關(guān)系Fig.7 Upset bits vs.functional errors in repeated 32 tests using CYCIAE-100 cyclotron

3 對(duì)單粒子效應(yīng)敏感度評(píng)價(jià)的啟示

基于SRAM 型FPGA 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)敏感度評(píng)價(jià)或設(shè)計(jì)驗(yàn)證可以分為2個(gè)步驟：

1）采用重離子和質(zhì)子獲得器件的本征單粒子翻轉(zhuǎn)敏感度，用來預(yù)示器件在軌的本征翻轉(zhuǎn)率。HI-13串列靜電加速器、蘭州重離子加速器（HIRFL）和北京放射性核束裝置的CYCIAE-100回旋加速器均可為在中國(guó)國(guó)內(nèi)獲得器件質(zhì)子輻照下的本征單粒子效應(yīng)敏感度提供條件。

2）在器件的配置區(qū)注入單粒子翻轉(zhuǎn)來產(chǎn)生功能錯(cuò)誤，獲得器件在特定應(yīng)用程序中翻轉(zhuǎn)位數(shù)與功能錯(cuò)誤數(shù)的比例系數(shù)，這一比例由資源使用情況、電路設(shè)計(jì)和防護(hù)措施使用情況等多種因素決定。尤其是對(duì)于采用TMR 等防護(hù)措施的電路，這個(gè)比例很大，因此需要大量的束流時(shí)間來獲得具有統(tǒng)計(jì)意義的試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，對(duì)于倒裝芯片，需要入射粒子具有足夠的射程穿透器件的襯底材料（例如XC4VSX55的襯底厚度約為800μm），必要時(shí)須對(duì)器件襯底進(jìn)行減薄處理。對(duì)于100MeV 的質(zhì)子，其在硅中的射程為26 300μm，可以用于沒有減薄的樣品的試驗(yàn)。CYCIAE-100回旋加速器的建成和投入使用，將提供更多的束流時(shí)間和更長(zhǎng)射程的粒子用于基于SRAM型FPGA 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)敏感度的考核和設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

將本征在軌翻轉(zhuǎn)率與第2階段獲得的比例系數(shù)相結(jié)合，就可以對(duì)特定應(yīng)用的在軌功能錯(cuò)誤進(jìn)行有效的估計(jì)。器件的本征單粒子效應(yīng)敏感度是器件固有的屬性，只需要1次測(cè)定即可；而比例系數(shù)需要針對(duì)具體的應(yīng)用來做，除了加速器試驗(yàn)，也可以用故障注入法獲得。實(shí)踐表明，要得到具有統(tǒng)計(jì)意義的比例系數(shù)，功能錯(cuò)誤數(shù)不可過少，建議至少大于10。

4 結(jié)束語

采用北京放射性核束裝置的CYCIAE-100回旋加速器提供的100MeV 質(zhì)子對(duì)基于典型SRAM型FPGA 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)敏感度進(jìn)行了評(píng)估。獲得了器件的特定應(yīng)用單粒子翻轉(zhuǎn)截面以及翻轉(zhuǎn)位數(shù)與功能錯(cuò)誤數(shù)的比例系數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)與用瑞士PSI質(zhì)子輻照裝置在同等條件下得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，CYCIAE-100產(chǎn)生的高能質(zhì)子為在中國(guó)國(guó)內(nèi)進(jìn)行器件和系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)敏感度評(píng)價(jià)提供了新的有效手段。

本文針對(duì)基于SRAM 型FPGA 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)敏感度評(píng)價(jià)或設(shè)計(jì)驗(yàn)證提出兩步驟方法，可以方便和較準(zhǔn)確地得到特定應(yīng)用的在軌功能錯(cuò)誤數(shù)；需指出的是，觀察到的功能錯(cuò)誤數(shù)應(yīng)該較大（至少大于10）才能得到具有統(tǒng)計(jì)意義的試驗(yàn)結(jié)果。CYCIAE-100回旋加速器提供了更多的束流時(shí)間和更長(zhǎng)射程的質(zhì)子，尤其適合倒裝的SRAM型FPGA 的驗(yàn)證試驗(yàn)。