Zdenerwowanie pojedynczego zdarzenia

pojedynczego zdarzenia ( SEU ), znane również jako błąd pojedynczego zdarzenia ( SEE ), to zmiana stanu spowodowana przez pojedynczą cząstkę jonizującą (jony, elektrony, fotony...) uderzającą w czuły węzeł w żywym mikro -urządzenie elektroniczne, takie jak mikroprocesor , pamięć półprzewodnikowa lub tranzystory mocy . Zmiana stanu jest wynikiem swobodnego ładunku utworzonego przez jonizację w lub blisko ważnego węzła elementu logicznego (np. „bit” pamięci). Błąd w wyjściu lub działaniu urządzenia spowodowany uderzeniem nazywa się SEU lub soft error .

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

Historia

, że pojedyncza awaria komputerów pokładowych tego Airbusa A330 podczas lotu Qantas 72 w dniu 7 października 2008 r. Doprowadziła do awarii samolotu , która prawie zakończyła się katastrofą po kilku awariach komputerów.

Pojedyncze zakłócenia zostały po raz pierwszy opisane podczas naziemnych testów jądrowych w latach 1954-1957, kiedy zaobserwowano wiele anomalii w elektronicznym sprzęcie monitorującym. Dalsze problemy zaobserwowano w elektronice kosmicznej w latach sześćdziesiątych, chociaż trudno było oddzielić miękkie awarie od innych form zakłóceń. W 1972 roku satelita Hughesa doznał awarii, w wyniku której komunikacja z satelitą została utracona na 96 sekund, a następnie została ponownie przechwycona. Naukowcy dr Edward C. Smith, Al Holman i dr Dan Binder wyjaśnili anomalię jako zdenerwowanie pojedynczego zdarzenia (SEU) i opublikowali pierwszy artykuł SEU w czasopiśmie IEEE Transactions on Nuclear Science w 1975 r. W 1978 r. pierwszy dowód miękkie błędy z cząstek alfa w materiałach opakowaniowych opisali 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 zakłócające elektronikę. W 1979 roku przeprowadzono również pierwszy na świecie test „efektów pojedynczego zdarzenia” ciężkich jonów w akceleratorze cząstek, przeprowadzony w 88-calowym Cyclotron i Bevatron w Lawrence Berkeley National Laboratory .

Przyczyna

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

W kosmosie wysokoenergetyczne cząstki jonizujące występują jako część naturalnego tła, określanego jako galaktyczne promieniowanie kosmiczne (GCR). Zdarzenia związane z cząstkami słonecznymi i wysokoenergetyczne protony uwięzione w ziemskiej magnetosferze ( pasy promieniowania Van Allena ) pogłębiają ten problem. Wysokie energie związane ze zjawiskiem w środowisku cząstek kosmicznych generalnie powodują, że zwiększone ekranowanie statków kosmicznych jest bezużyteczne pod względem eliminacji SEU i katastrofalnych zjawisk pojedynczych zdarzeń (np. destrukcyjne zatrzaskiwanie ). Wtórne neutrony atmosferyczne generowane przez promienie kosmiczne mogą również mieć wystarczająco wysoką energię do wytwarzania SEU w elektronice podczas lotów samolotów nad biegunami lub na dużych wysokościach. Śladowe ilości radioaktywnych w opakowaniach chipów również prowadzą do SEU.

Testowanie czułości SEU

Czułość urządzenia na SEU można oszacować empirycznie, umieszczając urządzenie testowe w strumieniu cząstek w cyklotronie lub innym akceleratorze cząstek . Ta konkretna metodologia testowa jest szczególnie przydatna do przewidywania SER (miękki współczynnik błędów) w znanych środowiskach kosmicznych, ale może być problematyczna przy szacowaniu ziemskiego SER na podstawie neutronów. W takim przypadku należy ocenić dużą liczbę części, być może na różnych wysokościach, aby znaleźć rzeczywistą szybkość destabilizacji.

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 testowania urządzenia, aby określić, które sekcje urządzenia zostały aktywowane, gdy wystąpiły SEU.

SEU i projektowanie obwodów

Z definicji SEU nie niszczą zaangażowanych obwodów, ale mogą powodować błędy. W mikroprocesorach kosmicznych jedną z najbardziej wrażliwych części są często pamięci podręczne 1. i 2. poziomu, ponieważ muszą być one bardzo małe i bardzo szybkie, co oznacza, że nie utrzymują dużego ładunku. Często te pamięci podręczne są wyłączane, jeśli projekty naziemne są konfigurowane tak, aby przetrwały SEU. Kolejnym słabym punktem jest maszyna stanowa w sterowaniu mikroprocesorem, ze względu na ryzyko wejścia w stany „martwe” (bez wyjść), jednak obwody te muszą napędzać cały procesor, więc mają stosunkowo duże tranzystory, aby zapewnić stosunkowo duży prąd prądy i nie są tak wrażliwe, jak mogłoby się wydawać. Kolejnym wrażliwym elementem procesora jest pamięć RAM. Aby zapewnić odporność na SEU, często an pamięć korekcji błędów jest używana wraz z obwodami do okresowego odczytu (prowadzącego do korekty) lub czyszczenia (jeśli odczyt nie prowadzi do korekty) pamięci błędów, zanim błędy przytłoczą obwód korygujący błędy.

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

Problemy ze sprzętem mogą również wystąpić z powiązanych przyczyn. W pewnych okolicznościach (zarówno projektu obwodu, projektu procesu, jak i właściwości cząstek) „ pasożytniczy ” tyrystor właściwy dla projektów CMOS może zostać aktywowany, skutecznie powodując pozorne zwarcie między zasilaniem a masą. Stan ten określany jest mianem zatrzaśnięcia i przy braku konstrukcyjnych środków zaradczych często niszczy urządzenie na skutek ucieczki termicznej . Większość producentów projektuje tak, aby zapobiegać zatrzaskiwaniu i testuje swoje produkty, aby upewnić się, że zatrzaskiwanie nie występuje w wyniku uderzeń cząstek atmosferycznych. Aby zapobiec zatrzaskiwaniu się w przestrzeni, podłoża epitaksjalne , krzem na izolatorze (SOI) lub krzem na szafirze (SOS) w celu dalszego zmniejszenia lub wyeliminowania podatności.

Godne uwagi SEU

W wyborach w 2003 r. w brukselskiej gminie Schaerbeek ( Belgia ) odnotowana anormalna liczba głosów doprowadziła do dochodzenia, które wykazało, że SEU była odpowiedzialna za przyznanie kandydatce o imieniu Maria Vindevoghel 4096 dodatkowych głosów. Możliwość pojedynczego zdarzenia wskazuje na to, że różnica głosów jest równoważna potędze dwójki, $212$ .
W 2013 roku speedrunner gry wideo Super Mario 64 korzystający z konsoli Nintendo 64 doświadczył usterki, która przeniosła Mario wyżej na etapie „Tick Tock Clock”. Postawiono hipotezę, że było to spowodowane przez SEU, odwracanie najmniej znaczącego bitu najbardziej znaczącego bajtu wartości wysokości Mario. Próby odtworzenia usterki przez innych graczy, nawet przy użyciu dokładnych danych wejściowych kontrolera, aby odtworzyć identyczny bieg, nie powiodły się; tylko poprzez ręczną edycję określonej wartości pamięci w edytorze pamięci emulatora czy gracze mogą konsekwentnie powielać usterkę.

Zobacz też

^ Często zadawane pytania dotyczące zdenerwowania wywołanego neutronami (SEU) , Microsemi Corporation , pobrane 7 października 2018 r . Przyczyną były błędy w komputerze pokładowym, które prawdopodobnie zostały wywołane przez promienie kosmiczne.
^ Spoiwo, Smith, Holman (1975). „Anomalie satelitarne z galaktycznych promieni kosmicznych”. Transakcje IEEE dotyczące nauki jądrowej . NS-22, nr 6 (6): 2675–2680. Bibcode : 1975ITNS...22.2675B . doi : 10.1109/TNS.1975.4328188 . S2CID 3032512 – przez IEEE Explore. {{ cite journal }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
^ Petersen, Koga, Shoga, Pickel i cena (2013). „Rewolucja pojedynczego wydarzenia” . Transakcje IEEE dotyczące nauki jądrowej. Tom. 60, nr 3.
^ Ian Johnston (17 lutego 2017). „Kosmiczne cząstki mogą zmieniać wybory i powodować spadanie samolotów na niebie, ostrzegają naukowcy” . niezależny . Źródło 5 września 2018 r .
^ Jak jonizująca cząsteczka z kosmosu pomogła Mario Speedrunnerowi zaoszczędzić czas , 16 września 2020 r . , Pobrano 18 lutego 2021 r.

Dalsza lektura

Generał SUE

TC May i MH Woods, IEEE Trans Electron Devices ED-26, 2 (1979)
www.seutest.com — zasoby do testowania błędów miękkich w celu obsługi protokołu testowego JEDEC JESD89A.
JF Ziegler i WA Lanford, „Wpływ promieni kosmicznych na wspomnienia komputerowe”, Science , 206, 776 (1979)
Zieglera i in. IBM Journal of Research and Development. Tom. 40, 1 (1996) .
NASA Wprowadzenie do SEU z Goddard Space Flight Center Radiation Effects Facility
Wyszukiwanie abstrakcyjne NASA/Smithsonian .
„Szacowanie wskaźników niepokojów związanych z pojedynczym zdarzeniem”, J. Zoutendyk, NASA Tech Brief , tom. 12, nr 10, poz. 152, listopad 1988.
Boeing Radiation Effects Laboratory, skupiające się na awionice
Pomiar błędów miękkich pamięci w systemach produkcyjnych, doroczna konferencja techniczna USENIX 2007, s. 275–280
A Highly Reliable SEU Hardened Latch and High Performance SEU Hardened Flip-Flop, International Symposium on Quality Electronic Design (ISQED), Kalifornia, USA, 19-21 marca 2012 r.

SEU w programowalnych urządzeniach logicznych

„Zmartwienia związane z pojedynczym wydarzeniem: czy powinienem się martwić?” Xilinx Corp.
„Virtex-4: Błędy programowe zmniejszone o prawie połowę!” A. Lesea, Xilinx TecXclusive, 6 maja 2005 r.
Pojedyncze wydarzenie niepokoi Altera Corp.
Ocena miękkich błędów LSI wywołanych przez ziemskie promienie kosmiczne i cząstki alfa — H. Kobayashi, K. Shiraishi, H. Tsuchiya, H. Usuki (wszyscy z Sony) i Y. Nagai, K. Takahisa (Uniwersytet w Osace), 2001.
Wywołana przez SEU trwała propagacja błędów w układach FPGA K. Morgan (Brigham Young University), sierpień 2006.
Technologia FPGA odporna na mikropółneutrony.

SEU w mikroprocesorach

Starszy, JH; Osborn, J.; Kołasiński, WA; „Metoda charakteryzowania podatności mikroprocesora na SEU”, IEEE Transactions on Nuclear Science , grudzień 1988, wersja 35, nr 6.
Charakterystyka SEU obwodów cyfrowych za pomocą ważonych programów testowych
Analiza zachowania aplikacji podczas wstrzykiwania błędów
Projekt Flight Linux

Prace magisterskie i doktorskie związane z SEU

R. Islam (2011). Szybkie, energooszczędne, miękkie, odporne na błędy przerzutniki (master). Uniwersytet Concordia (praca magisterska).
TZ Fullem (2006). Wykrywanie promieniowania przy użyciu zakłóceń pojedynczych zdarzeń w układach pamięci . Uniwersytet Binghamton (praca magisterska). ISBN 978-0-542-78484-2 . ProQuest 304928976 .
CL Howe (2005). Depozycja energii indukowana promieniowaniem i współczynniki błędów zakłócenia pojedynczego zdarzenia w skalowanych strukturach mikroelektronicznych (praca dyplomowa). Vanderbilt University (praca magisterska).
JA Thompsona (1997). Projektowanie, budowa i programowanie stanowiska testowego opartego na mikrokontrolerze, odpowiedniego do testowania radiacyjnego obwodów mikroelektronicznych . Szkoła Podyplomowa Marynarki Wojennej (praca magisterska). Zarchiwizowane od oryginału w dniu 30 września 2007 r.
DR Rotha (1991). Rola pobierania ładunku w pojedynczym zdarzeniu zdenerwowania . Clemson University (praca magisterska).
AG Costantine (1990). Zaawansowany tester zdenerwowania pojedynczego zdarzenia . Rensselaer Polytechnic Institute (praca doktorska).

[1] Często zadawane pytania dotyczące zdenerwowania wywołanego neutronami (SEU) , Microsemi Corporation , pobrane 7 października 2018 r . Przyczyną były błędy w komputerze pokładowym, które prawdopodobnie zostały wywołane przez promienie kosmiczne.

[2] Spoiwo, Smith, Holman (1975). „Anomalie satelitarne z galaktycznych promieni kosmicznych”. Transakcje IEEE dotyczące nauki jądrowej . NS-22, nr 6 (6): 2675–2680. Bibcode : 1975ITNS...22.2675B . doi : 10.1109/TNS.1975.4328188 . S2CID 3032512 – przez IEEE Explore. {{ cite journal }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )

[3] Petersen, Koga, Shoga, Pickel i cena (2013). „Rewolucja pojedynczego wydarzenia” . Transakcje IEEE dotyczące nauki jądrowej. Tom. 60, nr 3.

[4] Ian Johnston (17 lutego 2017). „Kosmiczne cząstki mogą zmieniać wybory i powodować spadanie samolotów na niebie, ostrzegają naukowcy” . niezależny . Źródło 5 września 2018 r .

[5] Jak jonizująca cząsteczka z kosmosu pomogła Mario Speedrunnerowi zaoszczędzić czas , 16 września 2020 r . , Pobrano 18 lutego 2021 r.