纳米级系统芯片的重离子单粒子效应机理及加固方法研究

SoC(System on Chip) can greatly miniaturize satellite electronic system, improve its reliability and performance, and reduce its weight and power consumption. However, space radiation is one of the biggest threat. Radiation effects must be investigated before it will be used. Single event effect is one of the most important effects. In this project, circuit analysis, system model, fault injection and heavy ion micro-beam irradiation will be used to investigate the single event effects and interferences among the modules in the SoC and impact on the SoC performance. System level model of response to single event effect(SEE) will be founded to analyze the SEE sensitive nodes and find the weakest point and quantitatively evaluate the SoC SEE probability. For the most sensitive and key module in the SoC, SEE mechanisms and hardening methods will be studied emphatically. Effective SEE hardening methods will be proposed for SoC and validated by heavy ion accelerator irradiation, and will be improved based on the accelerator irradiation results to increase the ability of SoC against SEE. All achievements will be beneficial to our SoC’s manufacture and application in space.

系统芯片（SoC，System on Chip）是航天电子系统实现微型化、高可靠、高性能、轻重量、低功耗的有效方法，然而空间辐射是一个严重威胁。航天器电子系统要使用系统芯片，必须研究其空间辐射效应。单粒子效应是其中最重要的一种。本项目拟采用电路分析、系统建模、软件故障注入和重离子微束辐照等方法研究纳米级系统芯片的单粒子效应。研究系统芯片的单粒子效应表征、系统芯片内部各模块之间的耦合、错误传输及相互影响、敏感模块的单粒子效应及其对系统芯片整体性能的影响等，建立系统芯片单粒子效应分析模型；分析系统芯片单粒子效应敏感节点，确定薄弱环节和关键节点,定量评估系统芯片发生单粒子效应的概率。基于系统芯片的单粒子效应现象和规律，软硬件相结合提出系统芯片单粒子效应加固方法，并进行加速器重离子辐照实验验证，改进加固措施，提高系统芯片抗单粒子效应的能力，为国产系统芯片的研发和在空间中的应用提供技术支持。

系统芯片具有功能集成度高、功耗低、速度快及可靠性高等优点，成为推动航天电子系统微型化、高性能、高可靠、轻重量、低功耗的有效手段。然而，空间辐射是重要威胁，抗辐射加固是航天系统芯片必须解决的关键问题。该项目在尚无统一测试标准的情况下，提出了纳米级SoC单粒子效应测试方法，建立系统芯片单粒子效应测试系统，可实现在不同测试情况下的单个模块或者多个模块的测试，改变了以往只测试SoC存储模块的模式，形成了系统芯片单粒子效应研究方法和研究体系，为后续国产系统芯片单粒子效应研究提供了方案。开展了系统芯片的α、重离子微束和宽束、低能和中能质子、大气中子和电子辐照实验，全面测试了28nm SoC的辐照效应。对于Xilinx Zynq-7000 SoC，OCM模块最为敏感，软错误率最高。在国内外首次开展系统芯片的重离子微束辐照实验研究，发现了系统芯片的单粒子效应敏感区域分布，被德国学者评价为“目前为止针对系统芯片最好的束斑分辨率辐照测试”。构建了系统芯片软件故障注入系统，开展了单粒子翻转故障注入模拟，实验获得了SoC的失效类型，计算得到不同故障注入结果的百分比和有效故障率，很好地解释了α粒子单粒子效应实验中寄存器、存储器、DMA和QSPI-Flash的故障类型和失效机理。基于概率安全分析（PSA）方法、故障模式与效应分析（FMEA）方法和贝叶斯网络方法，建立了系统芯片单粒子效应分析模型，分析了系统芯片单粒子效应敏感节点，确定薄弱环节和关键节点，定量评估系统芯片发生单粒子效应的概率。计算了SoC系统、子系统和不同模块的故障频率、不可用度和平均故障间隔时间。提出了加固方法，对于单核运行模式，针对OCM模块的三模冗余备份设计能够做到对单粒子翻转的及时修复，修复率可以达到100%；基于非对称双核，采用三模冗余与看门狗恢复协同加固的策略加固OCM，能够有效地回复不同类型的单粒子翻转。同时通过看门狗恢复可实现对功能中断的及时恢复，并进行了加速器重离子和中能质子辐照实验验证，提高了系统芯片抗单粒子效应的能力。