Jedno zdarzenie zdenerwowane - Single-event upset

Splątanie pojedynczego zdarzenia ( SEU ) to zmiana stanu spowodowana przez pojedynczą jonizującą cząstkę (jony, elektrony, fotony...) uderzającą w czuły węzeł w urządzeniu mikroelektronicznym, takim jak mikroprocesor , pamięć półprzewodnikowa lub tranzystory mocy . Zmiana stanu jest wynikiem swobodnego ładunku powstałego w wyniku jonizacji w lub w pobliżu ważnego węzła elementu logicznego (np. „bitu” pamięci). Błąd wyjścia lub działania urządzenia spowodowany uderzeniem nazywany jest SEU lub błędem miękkim .

Sam SEU nie jest uważany za trwale uszkadzający funkcjonalność tranzystora lub obwodów, w przeciwieństwie do przypadku pojedynczego zdarzenia zatrzaskowego (SEL), pojedynczego zdarzenia przerwania bramki (SEGR) lub pojedynczego zdarzenia przepalenia (SEB). Są to wszystkie przykłady ogólnej klasy efektów promieniowania w urządzeniach elektronicznych zwanych efektami pojedynczego zdarzenia (SEE).

Historia

Podejrzewa się, że pojedyncze zdarzenie w komputerach pokładowych tego Airbusa A330 podczas lotu Qantas 72 w dniu 7 października 2008 r. spowodowało awarię samolotu, która prawie zakończyła się katastrofą po kilku awariach komputerów.

Pojedyncze zdarzenia krytyczne zostały po raz pierwszy opisane podczas naziemnych testów jądrowych , od 1954 do 1957, kiedy zaobserwowano wiele anomalii w elektronicznym sprzęcie monitorującym. Dalsze problemy zaobserwowano w elektronice kosmicznej w latach 60., chociaż trudno było oddzielić miękkie awarie od innych form zakłóceń. W 1972 roku satelita Hughes doświadczył niepokoju, w którym komunikacja z satelitą została utracona na 96 sekund, a następnie ponownie przechwycona. Naukowcy, dr Edward C. Smith, Al Holman i dr Dan Binder, wyjaśnili tę anomalię jako pojedyncze zdarzenie krytyczne (SEU) i opublikowali pierwszy artykuł SEU w czasopiśmie IEEE Transactions on Nuclear Science w 1975 roku. dowody miękkich błędów z alfa cząstek w materiałach opakowaniowych opisał Timothy C. May i MH Woods. W 1979 roku James Ziegler z IBM wraz z W. Lanfordem z Yale po raz pierwszy opisali mechanizm, dzięki któremu promień kosmiczny z poziomu morza może spowodować pojedyncze zdarzenie w elektronice. W 1979 r. odbył się również pierwszy na świecie test „efektów pojedynczego zdarzenia” ciężkich jonów w akceleratorze cząstek, przeprowadzony w 88- calowym cyklotronie i Bevatronie Lawrence Berkeley National Laboratory .

Przyczyna

Ziemskie SEU powstają w wyniku zderzeń kosmicznych cząstek z atomami w atmosferze, tworząc kaskady lub deszcze neutronów i protonów, które z kolei mogą wchodzić w interakcje z obwodami elektronicznymi. W głębokich geometriach submikronowych wpływa to na urządzenia półprzewodnikowe w atmosferze.

W kosmosie wysokoenergetyczne cząstki jonizujące stanowią część naturalnego tła, określanego jako galaktyczne promienie kosmiczne (GCR). Zdarzenia cząstek słonecznych i wysokoenergetyczne protony uwięzione w ziemskiej magnetosferze ( pasy promieniowania Van Allena ) pogłębiają ten problem. Wysokie energie związane z tym zjawiskiem w środowisku cząstek kosmicznych ogólnie sprawiają, że zwiększone ekranowanie statków kosmicznych jest bezużyteczne, jeśli chodzi o eliminację SEU i katastrofalnych pojedynczych zdarzeń (np. destrukcyjne zatrzaskiwanie ). Wtórne neutrony atmosferyczne generowane przez promieniowanie kosmiczne mogą również mieć wystarczająco wysoką energię do wytwarzania SEU w elektronice podczas lotów samolotów nad biegunami lub na dużych wysokościach. Śladowe ilości pierwiastków promieniotwórczych w opakowaniach chipów również prowadzą do SEU.

Testowanie wrażliwości SEU

Wrażliwość urządzenia na SEU można oszacować empirycznie, umieszczając urządzenie testowe w strumieniu cząstek w cyklotronie lub innym obiekcie akceleratora cząstek . Ta szczególna metodologia testowa jest szczególnie przydatna do przewidywania SER (miękkiego wskaźnika błędów) w znanych środowiskach kosmicznych, ale może być problematyczna przy szacowaniu ziemskiego SER na podstawie neutronów. W takim przypadku należy ocenić dużą liczbę części, prawdopodobnie na różnych wysokościach, aby znaleźć rzeczywistą szybkość zdenerwowania.

Innym sposobem empirycznego oszacowania tolerancji SEU jest użycie komory osłoniętej przed promieniowaniem, ze znanym źródłem promieniowania, takim jak cez-137 .

Podczas testowania mikroprocesorów pod kątem SEU należy również ocenić oprogramowanie używane do ćwiczenia urządzenia, aby określić, które sekcje urządzenia zostały aktywowane, gdy wystąpiły SEU.

SEU i projektowanie obwodów

Główny artykuł: hartowanie radiacyjne

Z definicji SEU nie niszczą zaangażowanych obwodów, ale mogą powodować błędy. W mikroprocesorach kosmicznych jedną z najbardziej wrażliwych części są często pamięci podręczne pierwszego i drugiego poziomu, ponieważ muszą one być bardzo małe i mieć bardzo dużą szybkość, co oznacza, że ​​nie mają dużego ładunku. Często te pamięci podręczne są wyłączone, jeśli projekty naziemne są konfigurowane w celu przetrwania SEU. Innym punktem podatności jest automat stanów w sterowaniu mikroprocesorowym, ze względu na ryzyko wejścia w stany „martwe” (bez wyjść), jednak układy te muszą sterować całym procesorem, więc mają stosunkowo duże tranzystory, aby zapewnić stosunkowo duże elektryczne prądy i nie są tak wrażliwe, jak mogłoby się wydawać. Innym wrażliwym elementem procesora jest pamięć RAM. Aby zapewnić odporność na SEU, często używana jest pamięć korekcji błędów , wraz z obwodami do okresowego odczytu (prowadzącego do korekty) lub czyszczenia (jeśli odczyt nie prowadzi do korekty) pamięci błędów, zanim błędy przeciążą obwody korekcji błędów .

W obwodach cyfrowych i analogowych pojedyncze zdarzenie może spowodować propagację jednego lub więcej impulsów napięcia (tj. trzasków) w obwodzie, w którym to przypadku jest to określane jako transjent pojedynczego zdarzenia (SET). Ponieważ impuls propagujący nie jest technicznie zmianą „stanu” jak w pamięci SEU, należy rozróżnić SET i SEU. Jeśli SET rozchodzi się przez obwody cyfrowe i powoduje zablokowanie nieprawidłowej wartości w sekwencyjnej jednostce logicznej, jest on wówczas uważany za SEU.

Problemy sprzętowe mogą również wystąpić z podobnych przyczyn. W pewnych okolicznościach (zarówno projektu obwodu, projektu procesu, jak i właściwości cząstek) można aktywować „ pasożytniczy ” tyrystor właściwy dla projektów CMOS, skutecznie powodując pozorne zwarcie między zasilaniem a ziemią. Stan ten określany jest jako zatrzaskiwanie , a przy braku konstrukcyjnych środków zaradczych często niszczy urządzenie z powodu niestabilności termicznej . Większość producentów projektuje tak, aby zapobiegać zaczepianiu i testuje swoje produkty, aby upewnić się, że zaczepienie nie występuje w wyniku uderzenia cząstek atmosferycznych. Aby zapobiec zablokowaniu w przestrzeni, często stosuje się podłoża epitaksjalne , krzem na izolatorze (SOI) lub krzem na szafirze (SOS) w celu dalszego zmniejszenia lub wyeliminowania podatności.

Znani SEU

  • W wyborach w 2003 r. w brukselskiej gminie Schaerbeek ( Belgia ) nietypowa liczba głosów wywołała dochodzenie, które wykazało, że SEU było odpowiedzialne za przyznanie kandydatowi 4096 dodatkowych głosów. Możliwość wystąpienia jednorazowego zdarzenia krytycznego sugeruje różnica w głosowaniach odpowiadająca sile dwójki, 2 12 .
  • W 2013 roku, o speedrunner z Super Mario 64 gry wideo, korzystając z Nintendo 64 konsolę doświadczony glitch który teleportowany Mario wyżej w „Tick Tock Clock” scenie. Uważa się, że zostało to spowodowane przez SEU, odwracając ósmy bit pierwszego bajtu wysokości Mario. które podniosły ich na wyższą platformę.

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ Często zadawane pytania dotyczące pojedynczego zdarzenia wywołanego neutronami (SEU) , Microsemi Corporation , pobrane 7 października 2018 r . Przyczyną są błędy w komputerze pokładowym, co do których podejrzewa się, że zostały wywołane przez promieniowanie kosmiczne.
  2. ^ Spoiwo Smith, Holman (1975). „Anomalie satelitarne z galaktycznych promieni kosmicznych”. Transakcje IEEE w nauce jądrowej . NS-22, nr 6 (6): 2675–2680. doi : 10.1109/TNS.1975.4328188 . S2CID  3032512 – przez IEEE Explore.CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
  3. ^ Petersen, Koga, Shoga, Pickel i Cena (2013). „Rewolucja pojedynczego zdarzenia”. Transakcje IEEE dotyczące nauk jądrowych. Tom. 60, nr 3.
  4. ^ Ian Johnston (17 lutego 2017). "Cząstki kosmiczne mogą zmienić wybory i spowodować, że samoloty będą spadać po niebie, ostrzegają naukowcy" . Niezależny . Źródło 5 września 2018 .
  5. ^ Jak jonizująca cząstka z kosmosu pomogła Mario Speedrunner zaoszczędzić czas , 16 września 2020 , pobrane 18 lutego 2021

Dalsza lektura

Ogólne SEU
SEU w programowalnych urządzeniach logicznych
SEU w mikroprocesorach
Prace magisterskie i doktorskie związane z SEU