纳米级系统芯片单粒子效应研究

系统芯片(SoC)具有微型化、低功耗、高速度、高集成度、高可靠性等优点，并且知识产权(IP)核复用技术和软硬件协同设计技术提高了 SoC 的可移植性和可配置性，缩短了研制周期，降低了研制成本，是满足航天电子系统微小型化的重要技术手段。由于半导体器件的特征尺寸越来越小，空间环境中各种辐射粒子对电路的影响越来越严重，尤其是空间辐射环境中的高能重离子、高能质子和α粒子。此外，大气中子和器件封装材料中微量的铀/钍杂质衰变产生的α粒子，会导致 SoC发生单粒子效应，显著地影响其可靠性和寿命。

西安交通大学贺朝会研究团队在分析国内外SoC单粒子效应研究现状和问题的基础上，开展 28nm SoC 单粒子效应实验研究及其故障注入研究，以及 SoC 单粒子效应的软错误评估、故障诊断和加固方法研究。

第一，建立 SoC 单粒子效应测试系统，对 SoC 内部多个功能模块开展α粒子、重离子、质子和中子单粒子效应实验研究，揭示了 28nm SoC 单粒子效应敏感模块，获得了单粒子效应截面及单粒子效应敏感区域的分布特征。

第二，应用单粒子效应故障注入方法，分别从软件层面和寄存器传输级研究 SoC 单粒子效应故障机理和故障特征。

第三，基于28nm SoC 软错误故障树分析、事件树分析及故障模式与效应分析，开展 SoC 软错误评估、故障序列研究以及 SoC 故障模式和敏感模块风险等级分析。

第四，建立 SoC 单粒子效应贝叶斯网络模型，计算不同模块的后验概率和重要度，提出一种 SoC 单粒子效应故障诊断系统模型，有助于分析 SoC 单粒子效应故障产生的原因。

第五，提出一种基于二分图极大值匹配的 SoC 故障定位方法，研究针对 SoC单粒子效应敏感模块的多种加固方法，并进行实验验证，证明其有效性。

《纳米级系统芯片单粒子效应研究》是上述研究成果的系统总结，期望为国产纳米级 SoC 的研发和空间应用提供技术支持。

 《纳米级系统芯片单粒子效应研究》以 Xilinx 公司 28nm Zynq-7000 SoC 为对象开展研究，提出 SoC 单粒子效应测试方法，建立 SoC 单粒子效应测试系统，为模拟封装材料中铀、钍杂质所产生的α粒子造成的单粒子效应，开展 SoC α粒子单粒子效应加速实验，实验获得Xilinx Zynq-7000 SoC 不同模块的单粒子效应截面及错误类型。

为了更加深入地开展 SoC 单粒子效应机理研究，确定 SoC 单粒子效应敏感模块位置，开展 XilinxZynq-7000 SoC 重离子微束辐照实验，实验获得多个模块的单粒子效应敏感位置。此外，还开展了重离子宽束辐照、质子和中子辐照实验研究，获得了不同粒子的单粒子效应敏感度。

为了进一步确定有关模块内的单粒子效应敏感电路，建立 SoC软件故障注入系统，进行大量的故障注入实验，确定寄存器、存储器及部分外设单元的敏感单元。为了在 SoC 设计阶段完成 SoC 单粒子敏感模块评估，建立基于硬件描述语言(Verilog hardware description language，VerilogHDL)的 SoC 仿真故障输入系统，以 OpenRISC1200 SoC 为实验对象，开展单粒子翻转、固定 0 和固定1三种故障类型的故障注入实验，确定 OpenRISC 1200 内部不同模块的软错误敏感性(soft error sensitivity，SES)。

本书还采用贝叶斯网络(Bayesian network)分析方法，通过构建 SoC 贝叶斯网络，实现 SoC 单粒子翻转故障诊断，并且提出 SoC 单粒子效应故障诊断系统模型。应用概率安全分析方法(probabitistic safety analysis，PSA)实现对 SoC 单粒子效应可靠性评估，通过建立 Xilinx Zynq-7000 SoC α粒子软错误故障树(fault tree，FT)，采用定性和定量分析方法确定 SoC 内部的敏感模块，计算 SoC 系统、子系统及不同功能单元的故障率、不可用度和平均故障间隔时间(mean time to failure，MTTF)，确定导致系统失效最为严重的故障序列。此外，采用故障模式和效应分析方法，评估对系统危害最为严重的故障模块和故障模式。最后，提出了几种 SoC 抗单粒子效应加固方法，并应用辐照实验进行了测试验证。

来源：科学出版社