空间计算机存储单元容错性研究

龚 博,郑 晨,张洪源,刘 莉,王超杰

(北京宇航系统工程研究所,北京 100076)

0 引言

空间中的辐射特性对电子元器件影响较大，主要因为辐射环境中高能粒子(重粒子、质子、中子、X射线、γ射线等)对集成电路造成的破环，其中辐射总剂量(TID，total ionizing dose)和单粒子效应(SEE，single event effect)为主要的表现形式，近年来随着电子器件中的存储单元尺寸越来越小，TID效应几乎可以忽略不计[1-3]，但接近纳米级存储单元逻辑门和极低核心电压导致单粒子效应(SEE，single event effect)大大增强，SEE又分为单粒子翻转(SEU，single event upset)和单粒子锁定(SEL，single event latch)，本文主要是针对逻辑门翻转效应进行研究。

SEU是指半导体逻辑器件由于受到单个高能粒子撞击而使逻辑状态翻转的情况，这种情况造成的错误不是硬伤是可恢复的，因此也被称为软错误。空间计算机系统中SEU发生频率最高的是面积相对较大的存储器部分(例如外部SRAM)，同时CPU和接口电路中存储单元也有发生的可能(例如缓存，锁存器)。

传统的容错算法和容错方案只针对单粒子单位翻转，但是随着存储单元的工艺尺寸越来越小，核心电压越来越低，单粒子多位翻转的情况越来越多。Alsat-1小卫星的观测表明在其轨道上每天每一位存储单元发生单粒子翻转的概率约为百万分之一，其中80%为单粒子单位翻转，20%为单粒子两位翻转和多位翻转[4]，而UoSAT-12卫星星载计算机SRAM对单子翻转的在轨实验统计得出结论在LEO轨道的单子多位翻转占单粒子翻转总数5%～10%[5]，尽管数据不尽相同，但我们可以得出结论：MBU已经不容忽视。……