劉必鎏，楊平會(huì)，蔣孟虎，王雯雯，張 磊

（中國(guó)人民解放軍某部隊(duì), 北京 100094）

0 引言

單粒子效應(yīng)（SEE）是指高能帶電粒子在穿過(guò)微電子器件時(shí)，在器件內(nèi)部敏感區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這些電荷被靈敏器件電極收集后，造成器件邏輯狀態(tài)的非正常改變或器件損壞。由于這種效應(yīng)是單個(gè)粒子作用的結(jié)果，因此稱(chēng)為單粒子效應(yīng)或單粒子事件[1]。空間輻射環(huán)境中的高能質(zhì)子、中子、α粒子、重離子等都能導(dǎo)致航天器電子系統(tǒng)中的半導(dǎo)體器件發(fā)生單粒子效應(yīng)，嚴(yán)重影響航天器的可靠性和壽命[2-3]。除了空間高能粒子以外，各種核輻射、電磁輻射環(huán)境也是造成單粒子效應(yīng)的重要原因。由于單粒子效應(yīng)對(duì)航天器的嚴(yán)重威脅，國(guó)內(nèi)外對(duì)單粒子效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理、模擬計(jì)算、輻射源模擬實(shí)驗(yàn)和飛行實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了廣泛而深入的研究，提出了各種抗輻射加固措施。

1 單粒子效應(yīng)的分類(lèi)

根據(jù)出現(xiàn)的故障及其發(fā)生機(jī)理的不同，單粒子效應(yīng)分為單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子閉鎖、單粒子燒毀、單粒子?xùn)糯┑仁畮追N，如表1[1,4]所示。在這些效應(yīng)中，單粒子燒毀、單粒子?xùn)糯?、單粒子位移損傷和單粒子位硬錯(cuò)誤是永久損傷，也稱(chēng)為硬錯(cuò)誤，即通過(guò)重新寫(xiě)入或斷開(kāi)電源，被輻射器件不能恢復(fù)正常狀態(tài)，器件徹底損壞。單粒子閉鎖在不采取保護(hù)措施的情況下，也會(huì)導(dǎo)致永久損傷。其他效應(yīng)均為軟錯(cuò)誤，器件可以恢復(fù)正常狀態(tài)，而且都是由粒子入射產(chǎn)生的瞬態(tài)電流引起，與單粒子翻轉(zhuǎn)有密切的關(guān)系[1]。

表1 單粒子效應(yīng)的分類(lèi)和描述Table 1 Classification and description of single event effects

2 單粒子效應(yīng)的研究方法

目前國(guó)內(nèi)外主要從模擬計(jì)算、輻射源模擬實(shí)驗(yàn)和飛行實(shí)驗(yàn) 3個(gè)方面深入研究單粒子效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理、規(guī)律，測(cè)試各種星載電子元器件和集成電路的輻射敏感參數(shù)，評(píng)價(jià)其抗單粒子效應(yīng)的水平和故障風(fēng)險(xiǎn)，從而為器件選型和抗輻射加固措施提供依據(jù)。

模擬計(jì)算是通過(guò)構(gòu)建物理模型、仿真計(jì)算得到目標(biāo)位置的輻射劑量，預(yù)測(cè)可能的輻射損傷，這涉及到物理模型的構(gòu)建和仿真計(jì)算兩部分。輻射源模擬實(shí)驗(yàn)是通過(guò)建立簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境來(lái)模擬實(shí)際的空間輻射環(huán)境，獲得輻射參數(shù)與器件受損之間的準(zhǔn)確關(guān)系。輻射源模擬實(shí)驗(yàn)可以分為輻射環(huán)境設(shè)置（輻射源選取、實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)）、器件受損參數(shù)測(cè)定和后續(xù)數(shù)據(jù)分析3個(gè)環(huán)節(jié)[5]。常見(jiàn)輻射源包括脈沖激光、高能離子源（锎、镅、鍶等）、中子模擬源、質(zhì)子直線(xiàn)加速器和重離子加速器等，這些輻射源的實(shí)驗(yàn)成本和實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度大致呈遞增趨勢(shì)[1,4-5]。飛行實(shí)驗(yàn)是通過(guò)測(cè)量實(shí)際空間輻射環(huán)境下星載電子設(shè)備發(fā)生單粒子效應(yīng)的幾率，分析單粒子效應(yīng)的發(fā)生規(guī)律、影響因素和電子設(shè)備真實(shí)的抗單粒子效應(yīng)水平，從而為星載電子設(shè)備的抗單粒子效應(yīng)設(shè)計(jì)提供可靠支持。到目前為止，美英等國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了大量的單粒子效應(yīng)飛行實(shí)驗(yàn)，如英國(guó)的UoSat系列小衛(wèi)星、美國(guó)的APEX（高級(jí)光電子試驗(yàn)）衛(wèi)星[4,6]。國(guó)內(nèi)的空間輻射單粒子效應(yīng)飛行實(shí)驗(yàn)主要在“實(shí)踐四號(hào)”、“實(shí)踐五號(hào)”衛(wèi)星上進(jìn)行[4]。

3 單粒子效應(yīng)的防護(hù)技術(shù)

到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)單粒子效應(yīng)的防護(hù)開(kāi)展了卓有成效的研究，從材料/元器件的選擇、制作工藝、電路/程序設(shè)計(jì)、屏蔽封裝等方面提出了許多防護(hù)措施，主要可以分為硬件加固技術(shù)和軟件加固技術(shù)兩大類(lèi)。

3.1 硬件加固技術(shù)

3.1.1 避錯(cuò)設(shè)計(jì)

避錯(cuò)設(shè)計(jì)主要從工藝上提高航天器電子元器件的可靠性，通過(guò)對(duì)元器件的嚴(yán)格篩選，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽加固，提高航天器抗單粒子效應(yīng)的能力。

按照國(guó)際通用的分類(lèi)方法，電子元器件等級(jí)一般可分為宇航級(jí)或883B級(jí)、軍品級(jí)、工業(yè)級(jí)、商業(yè)級(jí)[7]。航天器設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電子元器件的選擇通常有2種途徑[1,7]：1）優(yōu)先選擇經(jīng)過(guò)抗輻射加固、可靠性高的宇航級(jí)器件或 883B級(jí)器件；2）在沒(méi)有可供選擇的宇航級(jí)或883B 級(jí)器件情況下，或?yàn)榱藵M(mǎn)足系統(tǒng)的高性能要求，可以有控制地使用商用器件。當(dāng)然，商用器件的選用必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的篩選測(cè)試，剔除具有早期失效危險(xiǎn)和固有缺陷的器件，提高器件的可靠性。

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，新材料的開(kāi)發(fā)非常重要。例如，與傳統(tǒng)的體Si材料制作的集成電路相比，使用SOI材料制作的集成電路在抗單粒子效應(yīng)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。SOI的技術(shù)優(yōu)勢(shì)來(lái)源于在頂層 Si膜與 Si襯底之間引入絕緣層作為介質(zhì)隔離層，稱(chēng)為埋氧層。埋氧層一方面使器件的P-N結(jié)面積減小，從而降低了其收集電離電荷的能力，另一方面也使埋氧層以下的襯底中的電離電荷不能進(jìn)入器件的結(jié)區(qū)被收集[8]。

抗輻射的一個(gè)傳統(tǒng)的方法是進(jìn)行屏蔽加固，即利用衛(wèi)星蒙皮、設(shè)備機(jī)箱或加局部屏蔽（如鋁、鉭、鎢）的方法提高器件的抗輻射水平。但是，屏蔽對(duì)高能粒子的作用有限，而且屏蔽材料的厚度受到衛(wèi)星體積和質(zhì)量的制約?！皩?shí)踐五號(hào)”衛(wèi)星針對(duì)空間單粒子事件效應(yīng)的研究結(jié)果表明：屏蔽可以減少單粒子翻轉(zhuǎn)的概率，但不能完全避免。

3.1.2 容錯(cuò)設(shè)計(jì)

容錯(cuò)設(shè)計(jì)是利用外加資源的冗余技術(shù)屏蔽故障的影響，使局部的故障不會(huì)擴(kuò)散到全局。冗余的方法通常有硬件冗余、軟件冗余、時(shí)間冗余和信息冗余等[9]，其中硬件冗余是一種重要的硬件加固技術(shù)。

硬件冗余通過(guò)增加額外的單元器件，利用額外的硬件掩蓋故障造成的影響，這樣即使系統(tǒng)中的一部分硬件出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常工作。按照工作機(jī)理，硬件冗余可以分為工作冗余（并聯(lián)和表決系統(tǒng)）和非工作冗余（備份系統(tǒng)），其中應(yīng)用最為廣泛的是三模冗余（TMR: Triple Module Redundancy）技術(shù)[9-11]。多數(shù)表決器的實(shí)現(xiàn)可以用一組“與或”門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)，典型的三模冗余結(jié)構(gòu)如圖1[9]所示。

圖 1 三模冗余結(jié)構(gòu)Fig. 1 Triple Module Redundance (TMR) structure

TMR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于速度快，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性；缺點(diǎn)是需要3倍硬件備份，所以質(zhì)量、面積、功耗都會(huì)增加，特別是當(dāng)三模選舉電路本身出現(xiàn)故障時(shí)就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的表決結(jié)果，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的錯(cuò)誤。因此，有必要對(duì)TMR技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。目前已經(jīng)提出了多種改進(jìn)方案，如篩選型三模冗余結(jié)構(gòu)和基于演化硬件的TMR表決機(jī)制設(shè)計(jì)[9]。

3.1.3 硬件重構(gòu)

對(duì)于不能通過(guò)容錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行多數(shù)表決的數(shù)據(jù)，如果系統(tǒng)判定為硬件故障，可以采用硬件重構(gòu)的方法恢復(fù)系統(tǒng)的正常工作。其中，動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法（圖2）可以在星上總控單元的控制下，實(shí)時(shí)地檢測(cè)錯(cuò)誤并自主地修復(fù)錯(cuò)誤，或者接受地面控制系統(tǒng)的重構(gòu)指令進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)并修復(fù)錯(cuò)誤，目前這種方法被星上平臺(tái)廣泛采用[9]。動(dòng)態(tài)重構(gòu)可以利用有限的資源來(lái)實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模的系統(tǒng)時(shí)序功能，即時(shí)分復(fù)用的設(shè)計(jì)思想；也可以動(dòng)態(tài)修復(fù)由于單粒子效應(yīng)而造成的系統(tǒng)暫態(tài)故障，恢復(fù)系統(tǒng)正常工作。動(dòng)態(tài)重構(gòu)大致可以分為基于模塊的動(dòng)態(tài)重構(gòu)、基于差異的動(dòng)態(tài)重構(gòu)和基于Bitstream的動(dòng)態(tài)重構(gòu)3種。通過(guò)硬件的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，可以及時(shí)地恢復(fù)系統(tǒng)的正常工作，并且利用N∶M的備份方式在冗余保護(hù)和體積功耗之間找到一個(gè)理想的平衡點(diǎn)[9]。

圖2 硬件動(dòng)態(tài)重構(gòu)流程Fig. 2 Hardware dynamic reconfiguration process

3.1.4 若干實(shí)用技術(shù)[4-6,9-13]

在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了許多實(shí)用的抗單粒子效應(yīng)的措施，其中許多都已經(jīng)應(yīng)用到航天器中。

1）監(jiān)測(cè)報(bào)警：作為一種抗輻射加固措施，對(duì)電子設(shè)備遭受的空間輻射強(qiáng)度進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)，并采取適當(dāng)而有效的控制措施，如及時(shí)切斷電源，這對(duì)提高衛(wèi)星壽命和可靠性具有十分重要的意義。

2）擦洗的方法：FPGA在單片機(jī)或者自身內(nèi)部程序控制下，定期對(duì)其片內(nèi)RAM進(jìn)行擦洗或重寫(xiě)，保證SRAM中數(shù)據(jù)的正確性，消除單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)影響。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需額外的硬件邏輯資源，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)擦洗數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，不能判斷是否發(fā)生過(guò)單粒子事件，而且只能恢復(fù)暫態(tài)故障。

3）設(shè)置檢錯(cuò)糾錯(cuò)功能模塊：對(duì)關(guān)鍵部位要有修正電路，修正RAM 的1位翻轉(zhuǎn)，檢出RAM的2位翻轉(zhuǎn)。修正電路內(nèi)部不允許有存貯元件，防止發(fā)生軟錯(cuò)誤。

4）設(shè)置硬件計(jì)數(shù)器：在軟件進(jìn)入死循環(huán)、時(shí)間計(jì)數(shù)器不起作用時(shí)，由硬件計(jì)數(shù)器復(fù)位，即計(jì)數(shù)器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不被清除時(shí)就發(fā)出復(fù)位信號(hào)，重新啟動(dòng)機(jī)器，從死循環(huán)中解脫。

5）正確設(shè)置看門(mén)狗（WDT）：為系統(tǒng)正常/故障起動(dòng)提供識(shí)別標(biāo)志，再由軟件按不同標(biāo)志進(jìn)行不同初始化處理。設(shè)置合適的IC 保護(hù)電路，對(duì)讀取時(shí)間、傳遞時(shí)延、電流門(mén)限等應(yīng)留有足夠的余地。

6）限流技術(shù)：抗鎖定電阻的選取應(yīng)折衷考慮，即盡量使電阻大些，讓鎖定的可能性最小，而且不干擾正常工作。限流技術(shù)對(duì)大系數(shù)CMOS器件型號(hào)有明顯效果，但不是對(duì)所有的都有效。

3.2 軟件加固技術(shù)

3.2.1 信息冗余

幾乎所有衛(wèi)星都會(huì)采用信息冗余的方法，通過(guò)在數(shù)據(jù)中附加冗余的信息以達(dá)到故障檢測(cè)、故障掩蔽或容錯(cuò)的目的。與硬件冗余技術(shù)相比，信息冗余能夠節(jié)省很大的存儲(chǔ)空間，其主要途徑是利用檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼。

在星載固態(tài)存儲(chǔ)器領(lǐng)域，目前最常用的存儲(chǔ)區(qū)檢錯(cuò)糾錯(cuò)編碼方式主要有漢明（Hamming）碼、R-S（Reed-Solomon）碼。例如，太陽(yáng)日光層觀(guān)測(cè)衛(wèi)星OSHO的大容量固態(tài)存儲(chǔ)器上使用了漢明碼，地球觀(guān)測(cè)衛(wèi)星EOS的大容量固態(tài)存儲(chǔ)器上使用了R-S碼，TWR公司在CASSIM航天器和NMMP計(jì)劃中則使用了改進(jìn)的漢明碼[14]。漢明碼是基本奇偶校驗(yàn)的擴(kuò)展，成本較低，一般只需要110%至140%的冗余度，可以減少存儲(chǔ)器的使用空間，從而減小系統(tǒng)的功耗與體積；應(yīng)用比較靈活，可以針對(duì)8位、16位、32位數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)，并且有現(xiàn)成的商用器件可供使用，對(duì)于內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間要求不苛刻的場(chǎng)合均可以適用，其代價(jià)是冗余硬件資源和處理延時(shí)[15]。在同樣的開(kāi)銷(xiāo)和輸入誤碼率條件下，R-S糾錯(cuò)編碼具有更高的性能，具有同時(shí)糾正突發(fā)錯(cuò)誤和隨機(jī)錯(cuò)誤的能力，被廣泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的差錯(cuò)控制中[14]。

3.2.2 軟件冗余

軟件冗余是為了糾正軟件本身及硬件偶然失效所產(chǎn)生的錯(cuò)誤，可以分為靜態(tài)冗余和動(dòng)態(tài)冗余兩種。靜態(tài)冗余用來(lái)屏蔽故障的影響，使系統(tǒng)或部件環(huán)境看不到故障的影響；動(dòng)態(tài)冗余在運(yùn)行過(guò)程中指示系統(tǒng)或部件輸出有錯(cuò)，并對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行處理。常用的軟件冗余方法有軟件N版本設(shè)計(jì)技術(shù)、軟件恢復(fù)技術(shù)和軟件三模表決系統(tǒng)[11]。

軟件冗余在理論上簡(jiǎn)單，但是由于把容錯(cuò)匯總到軟件程序中需要大量的時(shí)間和精力，因此在實(shí)際操作中有很大難度。隨著處理器性能的提高、存儲(chǔ)器容量的增大以及嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，軟件冗余將得到進(jìn)一步的發(fā)展。

3.2.3 時(shí)間冗余

時(shí)間冗余的基本思想是重復(fù)進(jìn)行計(jì)算以檢測(cè)故障，按照重復(fù)計(jì)算是在指令級(jí)還是在程序段級(jí)，可以分為指令復(fù)執(zhí)和程序卷回[11]。時(shí)間冗余相對(duì)于硬件冗余和信息冗余受硬件資源的限制較小，具有高度的反復(fù)性，占用時(shí)間較長(zhǎng)，適用于硬件資源短缺而時(shí)間資源充裕的場(chǎng)合，但不適合微小衛(wèi)星。

3.2.4 若干實(shí)用技術(shù)[5-6,10-13]

1）程序模塊化：把程序固化在PROM中使信息不受SEU影響。

2）對(duì)模塊輸入、輸出口標(biāo)簽值進(jìn)行預(yù)置、檢查和復(fù)位：每一個(gè)模塊入口的標(biāo)簽值已初始化，出口有約定標(biāo)志；對(duì)只執(zhí)行一次指令碼，僅在退出該模塊之前檢查一次標(biāo)簽值；對(duì)循環(huán)指令碼，標(biāo)簽值在每次循環(huán)迭代時(shí)都檢查一次；程序退出該模塊，標(biāo)簽值復(fù)零；使所有輸入/輸出指令至少執(zhí)行兩次后生效；兩次指令放在不同模塊的邊界處。

3）把由地面隨機(jī)參數(shù)的確定減少到最低限度：將盡量多的注數(shù)和修正數(shù)固化在 PROM，減少RAM因SEU使數(shù)據(jù)變化的可能性。

4）三取二表決法：對(duì)關(guān)鍵數(shù)、需修改數(shù)和中間數(shù)，同時(shí)將其存入在分割開(kāi)的3個(gè)不同的RAM中，實(shí)行周期性最優(yōu)刷新法。

5）輸出數(shù)據(jù)實(shí)行雙機(jī)或單機(jī)時(shí)間差比對(duì)：對(duì)輸出數(shù)據(jù)通過(guò)比對(duì)問(wèn)題再3取2表決；若仍然不能解決問(wèn)題，交系統(tǒng)管理軟件分析，確定是硬件故障還是軟件錯(cuò)誤，若屬前者則通過(guò)硬件重構(gòu)，然后返回應(yīng)用軟件繼續(xù)進(jìn)行。

6）模式間轉(zhuǎn)換采用直跳式而不用存儲(chǔ)器跳轉(zhuǎn)方式。

7）數(shù)據(jù)區(qū)與程序區(qū)必須隔離，避免程序進(jìn)入RAM區(qū)而沖毀其中數(shù)據(jù)。

8）段存貯器置初值：由中斷服務(wù)程序執(zhí)行給段存貯器置初值，若段存貯器出現(xiàn)SEU使程序出錯(cuò)，可恢復(fù)段存貯器的值。

9）對(duì)CPU、PROM、RAM空閑區(qū)全部填充HLT指令或其他指定內(nèi)容。若程序一旦跳入空閑區(qū)就進(jìn)行跑飛程序處理，將程序拉回。

10）設(shè)置軟件看門(mén)狗（WDT）：當(dāng)程序按正常路徑執(zhí)行時(shí)，不斷清除WDT。如果程序進(jìn)入死循環(huán)，則WDT在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不被清除，發(fā)出計(jì)算機(jī)復(fù)位信號(hào)，進(jìn)行初始化處理，使計(jì)算機(jī)重新開(kāi)始運(yùn)行，從死循環(huán)中解脫出來(lái)。

3.3 軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

航天器的單粒子效應(yīng)防護(hù)措施還必須考慮空間環(huán)境的影響。因?yàn)椴煌臻g環(huán)境下，高能粒子、高能射線(xiàn)等的分布不同，航天器發(fā)生單粒子效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)也就不同，而航天器所處的空間環(huán)境與其運(yùn)行軌道及飛行期間太陽(yáng)活動(dòng)情況密切相關(guān)[10,15-16]?！皩?shí)踐五號(hào)”衛(wèi)星的飛行實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于近地軌道，單粒子翻轉(zhuǎn)的發(fā)生概率約是1×10-7/(bit·d)的量級(jí)，而在南大西洋輻射異常區(qū)和太陽(yáng)活動(dòng)高峰期發(fā)生概率可能提高一個(gè)或數(shù)個(gè)量級(jí)[10]。因此，在航天器的抗單粒子效應(yīng)設(shè)計(jì)中，必須結(jié)合航天器的任務(wù)需求及其工作期間的太陽(yáng)活動(dòng)情況，優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)，降低航天器發(fā)生單粒子效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，這也有利于降低抗單粒子效應(yīng)加固的成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

惡劣的空間環(huán)境使得航天電子器件面臨發(fā)生單粒子效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是隨著半導(dǎo)體器件集成度的不斷提高，單粒子效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重，已經(jīng)成為影響航天器可靠性和運(yùn)行壽命的重要因素。目前，國(guó)內(nèi)在單粒子效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理、航天器的抗單粒子效應(yīng)加固方面已經(jīng)開(kāi)展了比較深入的研究，進(jìn)行了一系列的地面模擬實(shí)驗(yàn)甚至是飛行實(shí)驗(yàn)，但是與航天發(fā)達(dá)國(guó)家的研究水平相比還存在較大的差距，在單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)備研制、實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估方法、地面模擬實(shí)驗(yàn)和空間飛行實(shí)驗(yàn)的相互驗(yàn)證、商用器件的抗輻射性能研究、新型材料和器件的開(kāi)發(fā)等方面有待進(jìn)一步改進(jìn)和提高。

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