单粒子效应对SOC系统的影响

（一）航天器常用SOC系统及典型结构

系统级芯片（System-on-Chip，SOC）是在一个芯片上集成CPU、DSP、存储器、模拟电路和各类I/O，以实现一个完整系统功能的芯片。SOC可显著提高电子系统集成度和性能，减小系统的重量和体积，降低系统的功耗。因此，使用SOC是满足航天电子产品集成化、小型化、高性能、低功耗要求的重要措施。国外开展SOC辐射效应和抗辐射加固技术的研究较早，20世纪90年代，就已经开展了相关研究，已有针对不同的SOC架构和基于不同微处理器的SOC辐射效应研究的相关报道。例如，NASA研制了RAD6000和RAD750抗辐射加固芯片，Boeing公司研制了49核抗辐射加固处理器Maestro，以及Aeroflex Gaisler公司研制了UT699、P2020和P5020 SOC芯片，并且分别开展了重离子单粒子效应试验，获得了L1 Cache和L2 Cache的单粒子效应截面随LET值变化的关系曲线。2010年，美国NEPP（NASA Electronic Parts and Packaging）已经提出了SOC测试方法、SOC辐射效应和SOC抗辐射加固技术的主要任务和目的。

北京微电子技术研究所研发的飞行器测控SOC，采用三模冗余、EDAC等多层次容错机制来提高SOC的可靠性。同时，对SOC进行抗辐射加固设计，抗总剂量效果在300 krad（Si）以上，错误翻转率能达到10-5 error/（bit·day）。

Xilinx Zynq-7000 SOC是基于Xilinx全可编程的可扩展处理平台结构，该结构在单个芯片内集成了32位ARM Cortex-A9双核处理器系统（Processing System，PS）和Xilinx可编程逻辑系统（Programmable Logic，PL）。该芯片基于最新的高性能、低功耗、28 nm高K金属栅极工艺，采用软件（C语言）和硬件（Verilog HDL）相结合的全可编程方法。处理器系统（PS）包括应用处理单元、存储器接口、I/O外设和复杂互连结构。可编程逻辑系统（PL）采用Xilinx Artix-7 FPGA，包括可编程逻辑块（Configurable Logic Block，CLB）、36 Kbit BRAM、数字信号处理DSP48E1切片、时钟管理、可配置I/O、模拟/数字转换器（XADC）等。Xilinx Zynq-7000 SOC框架结构如图5-14所示。

图5-14　Xilinx Zynq-7000 SOC框架结构

（二）SOC系统单粒子效应故障表现形式

大规模片上系统SOC作为可编程计算载荷的处理器及数据加速处理单元的实现平台，其芯片内部的片上存储器、硬IP外设的配置寄存器以及双核ARM处理器和FPGA的存储单元对单粒子翻转敏感，容易发生瞬态且可恢复的软错误，体现在软件上会导致软件的运行发生控制流错误和数据流错误，使软件的运行轨迹发生混乱或产生错误的计算结果。具体单粒子效应故障表现形式如下：

（1）数据错误。由SEU造成的数据计算结果出错或者内存数据出错。

（2）功能中断。测试程序出现中断，经软复位后，程序恢复正常。

（3）运行超时。测试程序运行时间，超过程序正常运行所需要的时间。

（4）系统停止。辐射造成系统崩溃，程序中止，软复位无效，需要断电重启。

（三）SOC系统单粒子软错误故障模式

28 nm Xilinx Zynq-7000 SOC单粒子效应故障具有典型的代表性。利用241Am源发出的能量为5.486 MeV的α粒子辐照器件，结果表明，由单粒子翻转导致的数据错误和单粒子功能中断是SOC单粒子效应主要的错误类型，占总错误数的90.74%，严重影响了系统可靠性。因此，对于纳米级SOC，由于CMOS工艺尺寸的减小、集成度及结构复杂度的增加，所导致的翻转错误和功能中断将越来越多，产生的机理也更加复杂。(www.xing528.com)

对于SOC，如何防护单粒子功能中断将成为一个严峻的问题。试验结果也表明，对于28 nm Xilinx Zynq-7000 SOC而言，PL、直接内存访问控制器（Direct Memory Access，DMA）和高速数据缓存（D-Cache）出现的错误较多，并且错误类型丰富，说明这几个模块对单粒子效应比较敏感，在试验过程中，未检测到电流增大的现象。单粒子效应试验结果如表5-8所示。

表5-8　Xilinx Zynq-7000 SOC单粒子效应试验结果

利用SOC软件故障注入系统，开展了Zynq-7000 SOC寄存器、存储器和DMA控制器的故障注入试验。注入结果表明：①寄存器：不同的测试程序，敏感寄存器不同，敏感寄存器与测试程序的功能紧密相关；在多种测试程序下，R15和R11寄存器都非常敏感，故障率超过了80%；不同的寄存器注入故障后，导致系统的错误类型不同，这与寄存器自身的作用相关。②存储器：不同的存储区域，系统的错误类型不同，其中，代码存储区更容易出现系统控制运行异常，例如，程序中止和运行超时，而数据存储区更容易导致数据错误，导致运行结果的不一致。③DMA控制器：确定了源地址寄存器、目的地址寄存器和控制寄存器为DMA的敏感寄存器，其中，源地址寄存器和目的地址寄存器非常敏感，导致系统出错率达到90%以上，并且源地址寄存器和控制寄存器主要导致数据错误，而目的地址寄存器还可以导致程序中止和运行超时等错误。

Xilinx的Zynq® UltraScale+™ MPSOC是一款基于16 nm FinFET工艺的SOC器件，包含主频为1.5 GHz的四核ARM® Cortex-A53处理器、双核Cortex-R5实时处理器、Mali-400 MP2图形处理器和可编程逻辑器件。可编程逻辑资源包括：可配置逻辑块（CLB）和触发器（FF）。此外还有专用乘法器（Dedicated Multipliers）、双口块存储器（BRAM）、可编程I/O、时钟管理电路和扩展路径资源等。

加拿大MDA公司开展了该器件的高能质子辐照试验，质子能量范围为65～520 MeV，最大LET值约为10 MeV·cm2/mg，将该器件的质子试验结果与其他Xilinx产品的质子辐照试验结果进行了对比。其他Xilinx产品工艺结构特征如表5-9所示，器件功能模块质子单粒子翻转截面如表5-9所示。

表5-9　Xilinx SOC单粒子效应试验结果

从表中可以看出，随着器件特征尺寸的减小，其功能模块的质子单粒子翻转截面呈下降趋势，尤其是这款16 nm FinFET工艺的SOC系统，其存储单元翻转截面下降了近一个数量级。

（四）SOC系统单粒子硬错误故障模式

SOC系统的SEL效应研究工作相对较少，在前述α粒子辐照Xilinx Zynq-7000 SOC试验中，并未观察到SEL现象；而Zynq® UltraScale+™ MPSOC质子辐照条件下，也未观测到SEL现象。SOC系统抗单粒子闩锁特征还有待进一步研究。