Расстройство одного события

Предполагается , что единичный сбой в бортовых компьютерах этого Airbus A330 во время рейса Qantas Flight 72 7 октября 2008 года привел к опрокидыванию самолета , которое чуть не закончилось катастрофой после того, как в компьютерах возникло несколько неисправностей.

Однособытийное нарушение ( SEU ), также известное как однособытийная ошибка ( SEE ), представляет собой изменение состояния, вызванное одной единственной ионизирующей частицей (например, ионами, электронами, фотонами), ударяющей чувствительный узел в работающей микроэлектронике. устройство, такое как микропроцессор , полупроводниковая память или силовые транзисторы . Изменение состояния является результатом свободного заряда, созданного в результате ионизации внутри или вблизи важного узла логического элемента (например, «бита» памяти). Ошибка в выводе или работе устройства, возникшая в результате удара, называется SEU или программной ошибкой .

Сам по себе SEU не считается необратимым повреждением функциональности транзисторов или схем, в отличие от случаев однократного запирания ( SEL), однократного разрыва затвора (SEGR) или однократного перегорания (SEB). Все это примеры общего класса радиационных эффектов в электронных устройствах, называемых однособытийными эффектами (SEE).

История

Впервые единичные сбои были описаны во время наземных ядерных испытаний , с 1954 по 1957 год, когда в аппаратуре электронного мониторинга наблюдалось множество аномалий. Дальнейшие проблемы наблюдались в космической электронике в 1960-е годы, хотя было трудно отличить мягкие отказы от других форм помех. В 1972 году на спутнике Хьюза произошел сбой: связь со спутником была потеряна на 96 секунд, а затем восстановлена. Ученые доктор Эдвард К. Смит, Эл Холман и доктор Дэн Биндер объяснили аномалию как единичное событие (SEU) и опубликовали первую статью SEU в журнале IEEE Transactions on Nuclear Science в 1975 году. первые свидетельства мягких ошибок из-за альфа-частиц описали В 1978 году Тимоти К. Мэй и М. Х. Вудс в упаковочных материалах. В 1979 году Джеймс Зиглер из IBM вместе с У. Лэнфордом из Йельского университета впервые описали механизм, посредством которого космические лучи на уровне моря могут вызвать единичный сбой в электронике. В 1979 году также было проведено первое в мире испытание тяжелых ионов с «однократными эффектами» на ускорителе частиц, проведенное на 88-дюймовом циклотроне и беватроне Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли .

Причина

Земные СЭУ возникают из-за столкновений космических частиц с атомами в атмосфере, создавая каскады или ливни нейтронов и протонов, которые, в свою очередь, могут взаимодействовать с электронными схемами. При глубокой субмикронной геометрии это влияет на полупроводниковые устройства в атмосфере.

В космосе ионизирующие частицы высоких энергий существуют как часть естественного фона, называемого галактическими космическими лучами (ГКЛ). События с солнечными частицами Земли и протонами высоких энергий, захваченными в магнитосфере ( радиационные пояса Ван Аллена ), усугубляют эту проблему. Высокие энергии, связанные с этим явлением в среде космических частиц, обычно делают усиление защиты космического корабля бесполезным с точки зрения устранения SEU и катастрофических единичных явлений (например, разрушительного замыкания ). Вторичные атмосферные нейтроны, генерируемые космическими лучами, также могут иметь достаточно высокую энергию для создания СЭУ в электронике при полетах самолетов над полюсами или на больших высотах. Следовые количества радиоактивных элементов в упаковках чипов также приводят к SEU.

Тестирование на чувствительность SEU

Чувствительность устройства к SEU можно оценить эмпирически, поместив испытательное устройство в поток частиц на циклотроне или другом ускорителе частиц . Эта конкретная методология испытаний особенно полезна для прогнозирования SER (коэффициента мягких ошибок) в известных космических условиях, но может быть проблематичной для оценки земного SER по нейтронам. В этом случае необходимо оценить большое количество деталей, возможно, на разных высотах, чтобы определить фактическую скорость выхода из строя.

Другой способ эмпирически оценить толерантность к SEU — использовать защищенную от радиации камеру с известным источником радиации, например цезием-137 .

При тестировании микропроцессоров на наличие SEU необходимо также оценить программное обеспечение, используемое для тестирования устройства, чтобы определить, какие разделы устройства были активированы при возникновении SEU.

СЭУ и схемотехника

Основная статья: Радиационная закалка

По определению, SEU не разрушают задействованные схемы, но могут вызывать ошибки. В космических микропроцессорах одной из наиболее уязвимых частей часто является кэш-память 1-го и 2-го уровня, поскольку они должны быть очень маленькими и иметь очень высокую скорость, а это означает, что они не удерживают много заряда. Часто эти кэши отключаются, если наземные конструкции настраиваются для выживания в SEU. Еще одной уязвимой точкой является конечный автомат в микропроцессорном управлении, из-за риска входа в «мертвые» состояния (без выходов), однако эти схемы должны управлять всем процессором, поэтому они имеют относительно большие транзисторы, чтобы обеспечить относительно большую электрическую мощность. течениями и не так уязвимы, как можно подумать. Еще одним уязвимым компонентом процессора является ОЗУ, а точнее статическая ОЗУ (SRAM), используемая в кэш-памяти. Память SRAM обычно проектируется с размерами транзисторов, близкими к минимуму, разрешенному технологией для выделения максимального количества бит на единицу площади. Малые размеры транзисторов и высокая битовая плотность делают память одним из наиболее уязвимых компонентов для SEU. Чтобы обеспечить устойчивость к SEU, часто память с исправлением ошибок используется вместе со схемами для периодического чтения (что приводит к исправлению) или очистки (если чтение не приводит к исправлению) памяти ошибок, прежде чем ошибки переполнят схему исправления ошибок. .

В цифровых и аналоговых схемах одно событие может вызвать распространение одного или нескольких импульсов напряжения (т. е. сбоев) по цепи, и в этом случае это называется переходным процессом с одним событием (SET). Поскольку распространяющийся импульс технически не является изменением «состояния», как в SEU памяти, следует различать SET и SEU. Если SET распространяется по цифровой схеме и приводит к фиксации неправильного значения в последовательном логическом блоке, он считается SEU.

Аппаратные проблемы также могут возникать по связанным с этим причинам. При определенных обстоятельствах (как в схемотехнике, так и в технологическом процессе и свойствах частиц) « паразитный » тиристор может активироваться , присущий конструкциям КМОП, что фактически вызывает кажущееся короткое замыкание между питанием и землей. Это состояние называется фиксацией и при отсутствии конструктивных мер часто приводит к разрушению устройства из-за температурного выхода из-под контроля . Большинство производителей разрабатывают конструкции, предотвращающие защелкивание, и проверяют свою продукцию, чтобы убедиться, что защелка не возникает из-за ударов атмосферных частиц. Чтобы предотвратить защелкивание в пространстве, часто используются эпитаксиальные подложки кремний на изоляторе (SOI) или кремний на сапфире (SOS) для дальнейшего уменьшения или устранения восприимчивости.

Замечательный ШТАБ-КВАРТИРА

• На выборах 2003 года в брюссельском муниципалитете Схарбек ( Бельгия ) аномальное зарегистрированное количество голосов послужило поводом для расследования, которое пришло к выводу, что SEU несет ответственность за предоставление кандидату по имени Мария Виндевогель 4096 дополнительных голосов. О возможности однособытия свидетельствует разница в голосах, эквивалентная степени двойки, 2. ¹² .
• 7 октября 2008 года у самолета Qantas Flight 72 на высоте 37 000 футов в одном из трех инерциальных опорных блоков воздушных данных произошел сбой, в результате чего в системы управления полетом были отправлены неверные данные. Это привело к падению самолета и серьезным травмам экипажа и пассажиров. Все потенциальные причины были признаны «маловероятными» или «очень маловероятными», за исключением SEU, вероятность которого невозможно было оценить.

См. также

• Радиационная закалка
• Космические лучи
• Расстояние Хэмминга
• Бит четности
• Код Грея
• Код Либо-Крейга / Код Джонсона
• счетчик Джонсона
• Программная ошибка

Дальнейшее чтение

Общие ВАШИ

• Т.С. Мэй и М.Х. Вудс, IEEE Trans Electron Devices ED-26, 2 (1979)
• www.seutest.com — ресурсы по тестированию программных ошибок для поддержки протокола тестирования JEDEC JESD89A.
• Дж. Ф. Зиглер и В. А. Лэнфорд, «Влияние космических лучей на компьютерную память», Science , 206, 776 (1979).
• Зиглер и др. Журнал исследований и разработок IBM. Том. 40, 1 (1996) .
• Введение НАСА в SEU из Центра космических полетов Годдарда Центра радиационных эффектов
• Абстрактные поиски НАСА/Смитсоновского института .
• «Оценка частоты единичных сбоев», Дж. Заутендик, Технический обзор НАСА , Vol. 12, № 10, позиция № 152, ноябрь 1988 г.
• Лаборатория радиационного воздействия Boeing, специализирующаяся на авионике
• Измерение мягких ошибок памяти в производственных системах, Ежегодная техническая конференция USENIX 2007 г., стр. 275–280.
• Высоконадежная упрочненная защелка SEU и высокопроизводительный упрочненный триггер SEU, Международный симпозиум по качественному электронному проектированию (ISQED), Калифорния, США, 19–21 марта 2012 г.

СЭУ в программируемых логических устройствах

• «Однократное расстройство: стоит ли мне волноваться?» Компания Xilinx.
• «Virtex-4: количество программных ошибок уменьшено почти вдвое!» А. Леси, Xilinx TecXclusive, 6 мая 2005 г.
• Одно событие расстроило компанию Altera Corp.
• Оценка мягких ошибок LSI, вызванных земными космическими лучами и альфа-частицами - Х. Кобаяши, К. Сираиси, Х. Цучия, Х. Усуки (все из Sony) и Ю. Нагаи, К. Такахиса (Университет Осаки), 2001 г.
• Распространение устойчивых ошибок, вызванное SEU, в FPGA К. Морган (Университет Бригама Янга), август 2006 г.
• Микрополунейтронно-иммунная технология FPGA.

Штаб-квартира в микропроцессорах

• Старейшина, Дж. Х.; Осборн, Дж.; Коласински, Вашингтон; «Метод характеристики уязвимости микропроцессора к SEU», IEEE Transactions on Nuclear Science , декабрь 1988 г., стр. 35, № 6.
• Характеристика цифровых схем SEU с использованием программ взвешенных испытаний
• Анализ поведения приложения во время внедрения ошибок
• Проект Flight Linux

Магистерские и докторские диссертации, связанные с СЭУ

• Р. Ислам (2011). Высокоскоростные энергоэффективные триггеры с мягкой устойчивостью к ошибкам (главные устройства). Университет Конкордия (магистрская диссертация).
• Т. З. Фуллем (2006). Обнаружение радиации с использованием единичных сбоев в микросхемах памяти . Бингемтонский университет (магистрская диссертация). ISBN  978-0-542-78484-2 . ПроКвест   304928976 .
• КЛ Хоу (2005). Радиационное энерговыделение и частота единичных ошибок в масштабируемых микроэлектронных структурах (диссертация). Университет Вандербильта (магистрская диссертация).
• Дж. А. Томпсон (1997). Проектирование, построение и программирование испытательного стенда на базе микроконтроллера, пригодного для радиационных испытаний микроэлектронных схем . Военно-морская аспирантура (магистрская диссертация). Архивировано из оригинала 30 сентября 2007 года.
• Д.Р. Рот (1991). Роль взыскания заряда в отдельно взятом событии расстраивает . Клемсонский университет (магистрская диссертация).
• А.Г. Константин (1990). Усовершенствованный тестер сбоев при единичном событии . Политехнический институт Ренсселера (кандидатская диссертация).