几种COTS元器件单粒子试验研究

张泽明，党 炜，汪 洋，刘彦民

（中国科学院空间应用工程与技术中心，北京100094）

几种COTS元器件单粒子试验研究

张泽明，党 炜，汪 洋，刘彦民

（中国科学院空间应用工程与技术中心，北京100094）

针对COTS元器件没有考虑空间辐射环境的影响导致的高风险，特别是单粒子效应，使用重离子对空间科学用的数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）和模数转换器（ADC）开展了单粒子效应试验研究，分析了这几种COTS元器件单粒子效应发生时的现象。结果表明：TMS570LS20216型DSP的单粒子闩锁阈值低于12.6 MeV·cm2／mg，A3PE3000L型FPGA的单粒子翻转阈值在个位数量级，ADS7883S型ADC的单粒子效应阈值大于36.8 MeV· cm2／mg。试验结果可用于COTS元器件空间应用的系统级单粒子效应防护设计和风险评估。

COTS元器件；单粒子效应；单粒子试验；空间应用

1 引言

COTS（Commercial off⁃the⁃shelf，商用货架）元器件是指可以在市场上直接购买的元器件［1］，多为工业级和商业级的民用元器件［2］。COTS元器件具有高性能、低成本、易采购、短货期、更新换代快、符合“摩尔定律”等优点，可满足载人航天空间科学实验高精度高性能的要求。COTS产品在航天军工等高可靠领域的应用是半导体器件技术飞快进步和航天军工设备高性能低成本需求共同推动的结果，已经成为必然的发展趋势。然而，COTS元器件在有高可靠性要求的空间领域使用存在较高风险，尤其对空间环境适应的不确定性是其在空间应用的主要风险之一。

辐射是造成航天器电子设备异常或故障的重要原因，国内外对航天故障的统计显示：40%左右的故障源自太空辐射［3］。由于COTS元器件本身没有单粒子效应防护设计措施，并且半导体的特征尺寸越来越小，栅氧厚度不断减小，单粒子效应由于节点电容的减小日益明显，成为影响元器件应用可靠性的突出因素［4］，在空间使用必须评估其环境适应性风险。NASA开展了一项重点关注单粒子翻转效应的新千年战略研究计划，旨在利用COTS高性能处理器将航天器在轨处理能力提高到现有能力的10～100倍［5⁃6］，利用COTS元器件的高性能优势同时评估单粒子效应风险是国内外空间机构持续研究的重点。

本文使用重离子串列加速器对几种空间科学载荷用COTS元器件开展了单粒子效应试验，获得了单粒子效应阈值，重点分析了器件内部敏感部位的单粒子效应，对于开展系统级单粒子效应防护设计和风险分析具有重要的意义。

2 单粒子效应分类和损伤机理

单粒子效应（Single Event Effect，SEE）对元器件造成损伤的过程为：高能粒子引起等离子体径迹，产生电荷在径迹内流动，元器件的寄生器件或薄弱环节被激活，从而造成器件特性或功能的暂时性或永久性改变［7］。单粒子效应主要包括单粒子翻转、单粒子闩锁、单粒子瞬变、单粒子扰动、单粒子烧毁、单粒子栅穿等，不同类型的元器件产生的单粒子效应有所不同。

发生单粒子闩锁（Single Event Latch⁃up，SEL）的根本原因在于电路中存在寄生的双极型晶体管构成的PNPN器件，以图1所示的非门为例［8］，当高能粒子入射使得阱和衬底之间出现短时间导通，使得PNPN电路进入正反馈，供电电流足够大时便会发生单粒子闩锁效应。

单粒子翻转在存储类电路中最为常见，当等离子体径迹附近存在电势差时，会引起电荷的转移［9］，当电荷转移足够多时，将引起存储状态在“1”和“0”之间改变。

3 几种COTS元器件

本试验为达到设计需求选用的三种COTS元器件，分别是TI公司的TMS570LS20216型DSP、 Actel公司的 A3PE3000L型 FPGA、ADI公司ADS7883S型ADC，三种元器件的基本信息见表1。

表1 三种COTS元器件基本信息Table 1 Basic information of three COTS components

3.1 TMS570LS20216型DSP

TMS570LS20216是一款获得IEC 61508 SIL3安全系统使用认证的高性能汽车级微控制器，主频最高为 160 MHz，工作温度为 －45℃ ～＋125℃，供电电压为3.3 V，内核1.5 V，内部设计带有ECC（Error Checking and Correcting）功能的2 MB FLASH和160 KB SRAM。

该DSP集成了多个功能单元或模块，其中存储器结构是最容易产生单粒子翻转的部分，发生单粒子效应时，会出现功能中断、程序跑飞等现象。

3.2 A3PE3000L型FPGA

A3PE3000L为Actel公司的Flash型FPGA，工作 温 度 为 －55℃ ～＋125℃，最 高 主 频350 MHz，最大300万门电路，封装为FG484。供电电压为3.3 V，内核1.5 V。

FPGA对单粒子敏感的部分是RAM块、寄存器Reg区和逻辑功能区。重离子辐照作用下通常RAM块和寄存器Reg区容易发生单粒子翻转，产生数据错误，逻辑功能产生逻辑错误，造成逻辑输出异常和功能中断。

3.3 ADS7883S型ADC

ADS7883S为ADI公司的模数转换器，工作温度为 －40℃ ～＋125℃，供电电压为3.3 V。在辐照时内部逻辑及控制电路可能产生错误，表现为数字量输出功能异常。

4 试验环境

中国原子能科学研究院提供HI⁃13串列静电加速器用于元器件单粒子效应试验，该加速器提供5 cm×5 cm大束斑，重离子能量不准确度小于±10%，非均匀性小于±10%，粒子计数不确定度小于±10%，束流注量率在 102／s～106／s范围内可调。

试验选用的离子能量、种类及硅中的LET值如表2所示，通常COTS元器件的单粒子阈值相对较低，因此试验没有规划使用更高能量的重离子。

表2 单粒子试验使用的重离子Table 2 Ion beams used in SEE experiment

5 试验结果

5.1 DSP单粒子效应试验

分别记录 TMS570LS20216静态存储器SRAM和中断向量表VIM的单粒子翻转数据，绘制单粒子翻转饱和截面曲线，如图2所示。以1%饱和翻转截面所对应的LET值作为LET阈值，获得单粒子翻转LETth为3.8 MeV·cm2／mg。

使用35重离子辐照过程中TMS570LS20216发生了单粒子闩锁效应，电流迅速增加至正常电流3倍以上，由于测试电路具有大电流检测自动断电保护设计，因而没测量到闩锁峰值电流。闩锁时DSP串口通讯中断，断电重启后功能恢复正常。发生闩锁时的能量最低的重离子是35Cl11＋，TMS570LS20216发生单粒子闩锁的阈值LETth小于12.6 MeV·cm2／mg。

5.2 FPGA单粒子效应试验

分别记录A3PE3000L的RAM块和寄存器Reg区单粒子翻转数据，其中RAM块和Reg区翻转获得的翻转饱和截面如图3和图4所示，以1%饱和翻转截面所对应的LET值作为LET阈值，RAM块单粒子翻转阈值LETth为0.4 MeV·cm2／mg，Reg区单粒子翻转阈值LETth为1.6 MeV·cm2／mg，和脉冲激光测试FPGA单粒子效应的结果相当［10］。试验中FLASH ROM没有发生翻转，FLASH ROM单粒子翻转阈值LETth大于36.8 MeV·cm2／mg。

在寄存器区的单粒子试验中对三模冗余设计（Triple Modular Redundancy，TMR）的有效性进行了对比验证，在A3PE3000 L内部设置两个Reg区，命名为Reg1和Reg2，Reg1区没有使用TMR设计，Reg2区使用TMR设计功能，结果表明在同样辐照条件下，Reg2区发生单粒子翻转的数量明显减少（表3），表明TMR是单粒子防护设计的有效手段。使用TMR的Reg2区仍然存在单粒子翻转，是由于在地面单粒子效应试验中重离子的注量率较大，可能造成TMR中的两个支路同时翻转。实际空间环境的重离子注量率比地面试验要低得多，例如LET为77 MeV·cm2／mg的重离子在地球同步轨道上的积分通量大约是1粒子／cm2／2000年［11］，发生两个以上重离子同时击中同一三模冗余结构的几率几乎为零。

表3 FPGA Reg区单粒子翻转试验数据Table 3 SEU measurement results in FPGA Reg zones

单粒子效应试验中，对与逻辑设计相关核心功能参数包括Timer1024、RamDataEn、使能信号、心跳计数、PLLLock、PLLClk等参数进行了监测，核心功能参数错误直接导致了FPGA功能中断，断电重启后功能恢复正常。试验中在19F9＋重离子辐照时，部分参数开始出现错误，因此判断逻辑功能中断阈值小于3.84 MeV·cm2／mg。

辐照试验过程中没有发生单粒子闩锁现象，A3PE3000L单粒子闩锁阈值大于36.8 MeV·cm2／mg。

5.3 ADC单粒子效应试验

通常ADC类集成电路的单粒子效应阈值较高［12］，因此 ADS7883S 使用35Cl11＋、48Ti10，15＋和74Ge11，20＋三种较高LET值的重离子进行照射。

在用35Cl11＋和48Ti10，15＋离子辐照时 ADS7883S工作正常，在使用74Ge11，20＋离子照射时ADS7883S发生了功能中断，表现为采集电压的数字输出值恒定不变，断电重启后功能恢复正常。可能是由于内部控制逻辑或采样保持电路在重离子作用下出现功能中断，判断ADS7883S单粒子功能中断的阈值LETth在21.3～36.8 MeV·cm2／mg之间。

辐照过程中ADS7883S没有发生单粒子闩锁现象，单粒子闩锁阈值大于36.8 MeV·cm2／mg。

6 分析与讨论

通常空间应用的元器件要求单粒子效应阈值大于37 MeV·cm2／mg，单粒子闩锁／烧毁／栅穿效应由于可能造成无法恢复的后果，要求阈值最高达80 MeV·cm2／mg。从试验结果看，几种COTS元器件的单粒子效应阈值很低，达不到上述要求，但是由于不同空间应用任务的空间环境剖面和任务剖面相差较大，单粒子效应阈值相对较低的COTS元器件经过风险评估和系统性防护设计往往也能胜任很多空间任务，目前许多国外空间任务已经成功应用了大量COTS元器件［13⁃14］。国内一些空间型号任务如暗物质卫星、载人航天空间应用系统天宫一号、神舟八号、实践五号、海洋一号、神舟四号、双星探测也成功应用了不同型号的COTS元器件［15］。

在空间领域应用COTS元器件开展风险评估分析是必须的，需针对特定任务环境剖面开展COTS元器件风险分析，不同轨道的空间辐射环境对应不同的LET谱（图5）。欧洲宇航局认为单粒子效应LETth大于60 MeV·cm2／mg的元器件属于完全免疫［16］，无需防护可直接使用。LETth在15～60 MeV·cm2／mg之间的元器件需要针对重离子环境开展辐射风险评估，而 LETth小于15 MeV·cm2／mg的元器件应针对重离子和质子环境开展辐射风险评估［17］。

系统级单粒子效应防护设计是避免COTS元器件单粒子效应风险，提高应用可靠性的有效手段。单粒子翻转和单粒子功能中断属于软损伤，不会造成永久损伤，航天器所处空间环境不同，元器件本身单粒子翻转或功能中断的敏感度不同，发生单粒子事件的频次也不同。有数据表明存储类和处理器类的COTS元器件的在低轨空间环境下出现单粒子事件的频率在一天几次到几十天一次不等［19］。 在设计中采用看门狗设计［20］、三模冗余、重复加载［21］、定时刷新、EDAC［22］、备份设计等防护手段可消除或有效降低单粒子翻转和功能中断引起的系统错误频次。单粒子闩锁、单粒子栅穿、单粒子烧毁效应会造成元器件的永久损坏，属于硬损伤，限流设计、突发大电流自动断电重启技术［23］是经常采用的有效的防护设计手段。

7 结论

1）几种COTS元器件的单粒子效应阈值普遍较低，FPGA、DSP对单粒子翻转效应非常敏感；

2）阈值较低的元器件在航天应用时需要根据任务风险等级确定是否选用，并依据所在轨道辐射环境开展环境效应风险分析；

3）通常来说，COTS元器件在板级或系统级做单粒子效应防护设计是必须的。

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（责任编辑：庞迎春）

Study on Single Event Effect Test of Several Commercial Off⁃the⁃shelf（COTS）Components

ZHANG Zeming，DANG Wei，WANG Yang，LIU Yanmin

（Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China）

Commercial off⁃the⁃shelf（COTS）components have many advantages such as advanced performance，low cost，easiness of purchasing，short delivery cycle，etc.，but they have no inherent rad⁃hard design resulting in relatively high risk when used in the space applications.Therefore，Sin⁃gle Event Effect（SEE）must be paid much attention to in the space application.In order to investi⁃gate the feasibility of using the COTS components in space applications，SEE tests were conducted for several COTS components including the Digital Signal Processer（DSP），the Field Programmable Gate Array（FPGA）and the Analog⁃to⁃Digital Converter（ADC）.The results showed that the thresh⁃old value of SEL of the TMS570LS20216 type DSP was lower than 12.6 MeV·cm2／mg，the threshold value of SEU of the A3PE3000L type FPGA was in the single digit magnitude，while the threshold vale of SEE of the ADS7883S type ADC was larger than 36.8 MeV·cm2／mg.The results may be helpful to the system⁃level rad⁃hard design of COTS components for space science applications

Commercial off⁃the⁃shelf（COTS）component；single event effect（SEE）；SEE test；space applications

V19

：A

：1674⁃5825（2017）02⁃0207⁃05

2016⁃03⁃15；

2017⁃03⁃02

总装备部预研基金（9140A19021315ZK31001）

张泽明，男，硕士，高级工程师，研究方向为COTS元器件空间应用可靠性保障技术。E⁃mail：zhangzeming＠csu.ac.cn