典型卫星轨道辐射环境及在轨软错误率预计模型分析

使用最新版本的Space Radiation 7.0软件对典型卫星轨道(包括地球同步轨道、中地轨道和低地轨道)的空间辐射环境进行提取和计算,分析不同空间天气和屏蔽条件下的轨道离子通量-能量谱和通量-线性能量沉积(LET)谱特点。以一款SOI SRAM为例,结合地面加速器重离子试验获得的单粒子翻转截面-LET值关系曲线,预计该器件的在轨软错误率(SER),并分析关键参数对预计结果的影响规律和内在机理。结果表明,使用Space Radiation软件的四种输入模式获得的预计结果可相差5倍左右;灵敏区厚度的增大导致在轨SER降低数个数量级,原因为灵敏区厚度的设置与灵敏区平均投影面积和符合条件的空间离子通量的大小直接相关;漏斗长度的大小对预计结果有一定的影响。最后,对SER预计模型的适用性和发展趋势进行了讨论。     

一种改进的SRAM单粒子效应检测系统

中国科学院近代物理研究所材料研究中心开展了对静态随机存储器(Static Random Access Memory,SRAM)单粒子效应(Single Event Effects,SEEs)的深入研究。材料中心目前拥有的两套SRAM单粒子检测系统各自具有一定的局限性,所以又提出了一种改进的SRAM SEE检测方法,并研制了相关电路。该检测系统在兰州重离子研究装置(HIRFL)提供的束流辐射终端上进行了多次实验,获得了一批实验数据。其中包括129Xe束流辐照条件下,对65 nm SRAM单粒子翻转的研究;12C束流辐照条件下,对65,130和150 nm商用错误纠正编码加固SRAM SEE的研究;129Xe束流辐照条件下,对普通商用SRAM单粒子锁定的研究等。实验验证了该检测系统的有效性和可靠性,为开展SRAM SEE的研究提供了重要的检测平台,并为以后开展更复杂器件SEE的研究提供了实验经验和技术基础。     

各向异性静态随机存储器中的多位翻转分析研究

重离子实验结果表明,具有高线性能量转移(LET)或大角度入射的快重离子导致静态随机存储器(SRAM)中的多位翻转(MBU)比例增大,甚至超过单位翻转比例。单个离子径迹中的电荷可以沿着径向扩散数个微米,被临近的灵敏区收集后引起MBU。器件灵敏区的各向异性空间布局与离子入射方向共同影响测试器件的MBU图形特征。位线接触点的纵向隔离导致横向型成为主要的两位翻转图形;"L"型和"田"型分别是主要的三位翻转和四位翻转图形。最后,对SRAM抗MBU加固设计和实验验证方法进行了讨论。     

Implementation and verification of different ECC mitigation designs for BRAMs in flash-based FPGAs

Embedded RAM blocks(BRAMs) in field programmable gate arrays(FPGAs) are susceptible to single event effects(SEEs) induced by environmental factors such as cosmic rays, heavy ions, alpha particles and so on. As technology scales, the issue will be more serious. In order to tackle this issue, two different error correcting codes(ECCs), the shortened Hamming codes and shortened BCH codes, are investigated in this paper. The concrete design methods of the codes are presented. Also, the codes are both implemented in flash-based FPGAs. Finally, the synthesis report and simulation results are presented in the paper. Moreover, heavy-ion experiments are performed,and the experimental results indicate that the error cross-section of the device using the shortened Hamming codes can be reduced by two orders of magnitude compared with the device without mitigation, and no errors are discovered in the experiments for the device using the shortened BCH codes.     

Angular dependence of multiple-bit upset response in static random access memories under heavy ion irradiation

Experimental evidence is presented relevant to the angular dependences of multiple-bit upset (MBU) rates and patterns in static random access memories (SRAMs) under heavy ion irradiation. The single event upset (SEU) cross sections under tilted ion strikes are overestimated by 23.9% 84.6%, compared with under normally incident ion with the equivalent linear energy transfer (LET) value of ～ 41 MeV/(mg/cm 2 ), which can be partially explained by the fact that the MBU rate for tilted ions of 30 is 8.5%-9.8% higher than for normally incident ions. While at a lower LET of ～ 9.5 MeV/(mg/cm 2 ), no clear discrepancy is observed. Moreover, since the ion trajectories at normal and tilted incidences are different, the predominant double-bit upset (DBU) patterns measured are different in both conditions. Those differences depend on the LET values of heavy ions and devices under test. Thus, effective LET method should be used carefully in ground-based testing of single event effects (SEE) sensitivity, especially in MBU-sensitive devices.     

Modeling and assessing the influence of linear energy transfer on multiple bit upset susceptibility

The influence of the metric of linear energy transfer （LET） on single event upset （SEU）, particularly multiple bit upset （MBU） in a hypothetical 90-nm static random access memory （SRAM） is explored. To explain the odd point of higher LET incident ion but induced lower cross section in the curve of SEU cross section, MBUs induced by incident ions 132Xe and 2~9Bi with the same LET but different energies at oblique incidence are investigated using multi-functional package for single event effect analysis （MUFPSA）. In addition, a comprehensive analytical model of the radial track structure is incorporated into MUFPSA, which is a complementation for assessing and interpreting MBU susceptibility of SRAM. The results show that （i） with the increase of incident angle, MBU multiplicity and probability each present an increasing trend; （ii） due to the higher ion relative velocity and longer range of ~ electrons, higher energy ions trigger the MBU with less probability than lower energy ions.     

基于蒙特卡洛和器件仿真的单粒子翻转计算方法

文章提出了一种基于蒙特卡洛和器件仿真的存储器单粒子翻转截面获取方法,可以准确计算存储器单粒子效应,并定位单粒子翻转的灵敏区域.基于该方法,计算了国产静态存储器和现场可编程门阵列(FPGA)存储区的单粒子效应的截面数据,仿真结果和重离子单粒子效应试验结果符合较好.仿真计算揭示了器件单粒子翻转敏感程度与器件n,p截止管区域面积相关的物理机理,并获得了不同线性能量转移(LET)值下单粒子翻转灵敏区域分布.采用蒙特卡洛方法计算了具有相同LET、不同能量的离子径迹分布,结果显示高能离子的电离径迹半径远大于低能离子,而低能离子径迹中心的能量密度却要高约两到三个数量级.随着器件特征尺寸的减小,这种差别的影响将会越来越明显,阈值LET和饱和截面将不能完全描述器件单粒子效应结果.     

空间高能离子在纳米级SOI SRAM中引起的单粒子翻转特性及物理机理研究

基于蒙特卡罗方法研究空间高能离子在65—32 nm绝缘体上硅静态随机存取存储器(SOI SRAM)中产生的灵敏区沉积能量谱、单粒子翻转截面和空间错误率特性及内在的物理机理.结果表明:单核能为200 MeV/n的空间离子在60—40 nm厚的灵敏区中产生的能损歧离导致纳米级SOI SRAM在亚线性能量转移阈值区域出现单粒子翻转;宽的二次电子分布导致灵敏区仅能部分收集单个高能离子径迹中的电子-空穴对,致使灵敏区最大和平均沉积能量各下降25%和33.3%,进而引起单粒子翻转概率降低,以及在轨错误率下降约80%.发现俘获带质子直接电离作用导致65 nm SOI SRAM的在轨错误率增大一到两个数量级.     

国内典型地区地面大气中子能谱测量与仿真

基于多球能谱仪开展了广州、兰州和拉萨等地区的大气中子能谱和通量测量,获取了大气中子能谱的典型特征。测量结果表明：不同地区的大气中子通量受海拔高度的影响明显,地面大气中子通量随着海拔的增加而增加。此外,基于蒙特卡罗仿真工具也可以模拟初级宇宙射线粒子在地球大气层中的核反应过程,从而计算获取大气中子能谱。大气中子能谱测量数据与仿真数据吻合良好。     

14 nm FinFET和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比

使用中国散裂中子源提供的宽能谱中子束流,开展14 nm FinFET工艺和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比研究,发现相比于65 nm器件,14 nm FinFET器件的大气中子单粒子翻转截面下降至约1/40,而多位翻转比例从2.2%增大至7.6%,源于14 nm FinFET器件灵敏区尺寸(80 nm×30 nm×45 nm)、间距和临界电荷(0.05 fC)的减小.不同于65 nm器件对热中子免疫的现象,14 nm FinFET器件中M0附近10B元素的使用导致其表现出一定的热中子敏感性.进一步的中子输运仿真结果表明,高能中子在器件灵敏区中产生的大量的射程长、LET值大的高Z二次粒子是多位翻转的产生诱因,而单粒子翻转主要来自于p,He,Si等轻离子的贡献.