Особенности исследования стойкости одноплатных компьютеров к воздействию отдельных ядерных частиц

АХМЕТОВ1 Алексей Олегович

ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ СТОЙКОСТИ ОДНОПЛАТНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ

Представлены, методика и результаты, исследований радиационных эффектов, возникающих в одноплатных компьютерах при воздействии отдельных ядерных частиц. Методика учитывает, специфику одноплатных компьютеров — большое число микросхем, с различной чувствительностью к воздействию отдельных ядерных частиц, — и позволяет сократить время облучения, без потери информативности.

Ключевые слова: ОЯЧ, тиристорный эффект, одноплатный компьютер.

The technique and some results of Single Event Effects research, of embedded computers are presented. Embedded computers consist of many integrated, circuits with different Single Event Effects sensitivity, and the suggested, research technique allows reducing irradiation time without test data loss.

Keywords: SEE, latchup, embedded, computer.

В настоящее время в космической аппаратуре (КА) стали широко применяться одноплатные компьютеры (ОК), что приводит к необходимости оценки их чувствительности к воздействию отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) космического пространства перед установкой в КА. Проводить оценку чувствительности ОК к воздействию ОЯЧ по методикам, разработанным для интегральных схем (ИС), не всегда возможно в силу конструктивных особенностей ОК и разнообразия режимов работы. Поэтому необходимо проанализировать особенности проведения функционального контроля и методик облучения ОК на ускорителях ОЯЧ.

Объект исследования

ОК представляют собой законченные управляющие устройства в стандартном (PC/104, PCI, PXI, E-brain) или специальном конструктивном исполнении. На базе ОК возможно построение высокопроизводительных цифровых систем, дополнительные модули позволяют обрабатывать аналоговые сигналы, осуществлять цифровой ввод/ вывод, управлять силовой электроникой и многое другое. Плюсом построения данных систем является изначальная ориентация ОК на промышленное применение (широкий температурный диапазон, вибростойкость и т.д.), широкая номенклатура дополнительных

модулей и развитая программная поддержка. В качестве примера рассмотрим типичный процессорный модуль в форм-факторе PC/104 - CME137686LX фирмы RTD Embedded Technologies (рис. 1). В его состав входит большое число ИС, потенциально подверженных негативному воздействию ОЯЧ. К таким ИС, в первую очередь, относятся КМОП-микросхемы большой степени интеграции (БИС): микропроцессоры, контроллеры, ОЗУ, ПЗУ и т.д. Как показал анализ модуля CME137686LX, в

его состав входит всего около 50 микросхем, из них можно предварительно выделить около десяти, в которых могут наблюдаться одиночные сбои (ОС) и тиристорные эффекты (ТЭ) при воздействии ОЯЧ.

Функциональный контроль в ходе исследований

Для проведения функционального контроля (ФК) ОК можно предложить два подхода:

Stackable PCI-104 Expansion Bas

Surface Mount DDR SDRAM

10/100 Ethernet Controller

PCI to ISA Bridge

RTD Custom ASIC

Floppy

Stackable PC/104 ISABas

Full 8/16-bit ISA bus with DMA & Interrups

Рис. 1. Структурная схема одноплатного компьютера CME137686LX

' — аспирант кафедры «Электроника» НИЯУ «МИФИ»

SPEC_2011_SPT-1.indd 21

1) использование штатных режимов работы ОК с максимально полным тестированием всех ИС, входящих в его состав;

2) локальный ФК ИС в составе ОК.

При реализации первого подхода возможности ФК отдельных ИС в составе ОК весьма ограничены и определяются возможными режимами работы этих ИС в различных режимах работы самого ОК. Более того, тестирование отдельных ИС в составе ОК может оказаться просто невозможным. В связи с этим тестирование ОК производится в штатном режиме функционирования с реализацией набора тестов. В качестве примера можно рассмотреть функциональный контроль ОК CME137686LX. На ОК была установлена операционная система MS Windows 2000 и реализована система удаленного доступа, позволяющая регистрировать сбои в процессе тестирования. В ходе ФК проводилась проверка следующих ИС:

♦ процессор — тестирование различных режимов работы, команды MMX и SSE;

♦ видеоподсистема — тесты 2D и 3D графики;

♦ Flash-диск — запись и чтение данных;

♦ ОЗУ — тест свободной памяти в режиме запись/чтение;

♦ интерфейсы USB, COM, Ethernet — передача данных с последующей проверкой.

Второй подход — тестирование отдельных микросхем в составе ОК (ОЗУ, Flash-память, интерфейсные контроллеры и т.д.), — не всегда может быть реализован из-за программной недоступности регистров конкретной ИС или из-за схемы включения в данном устройстве. В табл. 1 приведены примеры реализации ФК различных ОК, которые исследовались на стойкость к ОЯЧ. При наличии видео-подсистемы организация ФК сводится к написанию тестовой программы (производится установка операционной системы и написание программы на языке C ++), при ее отсутствии — в ОК реализуется перенаправление видеоданных через COM-порт и отладка тестовой программы осуществляется на другом компьютере.

Методы испытаний и испытательные установки

Исследования ОК на стойкость к воздействию ОЯЧ проводились с использованием следующих испытательных установок [3 — 6]:

♦ ускоритель тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ);

♦ ускоритель протонов;

♦ лазерный имитатор.

Из-за малых пробегов ионов в материале корпуса при работе на ускорителях ТЗЧ необходимо проводить предварительную декапсуляцию ИС в составе ОК. Декапсуляция производится химическим травлением части корпуса над кристаллом с последующим ФК. Возможные проблемы связаны с тем, что не всегда удается сохранить работоспособность ОК после декапсуляции нескольких ИС. Кроме того, одновременная декапсуляция сразу нескольких ИС в составе ОК не целесообразна, так как в этом случае отказ одной из них в процессе облучения может привести к отказу всего ОК, что сделает невозможным дальнейшие исследования.

В то же время положительной особенностью ускорителей ТЗЧ является большая область облучения (порядка 50 см2), что позволяет облучать типичные ОК, как правило, всего за четыре сеанса (по два на каждую сторону для модуля размерами 10x10 см) и дать относительно оперативную оценку чувствительности к воздействию ОЯЧ ОК в целом. Кроме того, ускорители ТЗЧ при использовании ионов с различными значениями линейных потерь энергии (ЛПЭ) в кремнии (от единиц до десятков Мэв-см2/мг) позволяют получить

Таблица 1. Организация ФК одноплатных компьютеров

Процессорные модули Исполнение Функциональный состав ФК

VGA н « USB Flash Ethernet IDE PS/2 и P Q f“4 £(*5 w U? _l ^ S ”

CME1366B6LX333HR-256 PC-104 + + + + + + + - - установлена операционная система и реализованы локальный ФК (процессора, ОЗУ, Ethernet контроллера) и штатный режим работы

CME1376B6LX333HR-256 + + + + + + + + -

PR-Z16-LC-ST - + + + - + + - - используется перенаправление видеоданных через СОМ-порт, реализован штатный режим работы

Cmi54B6DXLC66HR - + - + - + + - -

TA1-SMART-01-M - + - + - - + - +

HLV300-12BDV + + + + + + + - -

EB-425-E2 E-Brain - + + + + + - + - используется перенаправление видеоданных через СОМ-порт, разработана специализированная материнская плата, штатный режим работы

зависимость сечения тиристорных эффектов и одиночных сбоев от ЛПЭ, а из нее — оценку частоты возникновения ТЭ и ОС в КА.

Протоны с энергией ~1 ГэВ обладают высокой проникающей способностью, это позволяет устанавливать сразу несколько образцов на оси пучка ускорителя и не требует вакуумирования рабочей зоны (в отличие от ускорителей ТЗЧ). К недостаткам ускорителей протонов стоит отнести меры радиационной безопасности на них — необходимо контролировать наведенную активность в образцах (актуально для ОК с большой степенью металлизации и для ИС с позолоченными выводами). Значения ЛПЭ от вторичных ядерных частиц в кремнии при воздействии протонами с энергией больше 200 МэВ не превышают 14 МэВ-см2/мг, поэтому при отсутствии ТЭ и ОС требуются дополнительные исследования на ускорителях ТЗЧ или лазерных имитаторах. Лазерные имитаторы позволяют избежать проблем моделирующих установок, однако требуют декапсуляции ИС и калибровки на моделирующих установках.

Рассмотрим специфику исследований чувствительности ОК к воздействию ОЯЧ на примере ОК CME137686LX. Исследования проводились на синхроциклотроне Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН. Стенд для установки исследуемых образцов позволяет проводить одновременное облучение различных образцов (около десяти). Пучок протонов имеет диаметр 20 мм и энергию 1 ГэВ. Связь с измерительным залом осуществлялась по локальной сети. Для локального сканирования кристаллов ИС применялся комплекс ПИКО-3 (ОАО «ЭНПО «СПЭЛС») с пикосекундным лазерным излучателем PL2201. Блок фокусировки позволял получить пятно с диаметром не более 3 мкм.

Методики исследований

Облучение всех микросхем, входящих в состав ОК, связано с большими временными затратами, что при работе на моделирующих установках неоправданно. Поэтому при работе на ускорителях протонов целесообразно использование следующих методических решений.

♦ Облучение потенциально нестой-

ких БИС (рис. 2а), которые выбраны на основе имеющихся данных по стойкости, технологии производства и стойкости аналогов. Как показала практика исследований ОК на ускорителе протонов, при облучении потенциально нестойких БИС модуля приходится выделять 10 — 20 областей, что требует такого же числа сеансов облучения (один сеанс облучения — дневная рабочая смена при флюенсе за сеанс 7*1010 протон/см2). Этот подход позволяет дать наиболее достоверную оценку стойкости ОК к воздействию ОЯЧ при значительных временных затратах.

♦ Облучение с торца модуля (рис. 2б) в двух перпендикулярных направлениях. Данный подход заключается в выявлении на первом этапе координат ИС, чувствительных к воздействию ОЯЧ, а на втором этапе — к дальнейшему их исследованию. На выявление чувствительных ИС требуется порядка 10 сеансов, дальнейшее их исследование возможно проводить на лазерных имитаторах или локальным воздействием протонов на чувствительные области. Следует отметить, что при таком подходе наведенная активность оказывается гораздо больше, чем в первом случае, так как протоны облучают весь ОК (с установленными радиаторами и разъемами).

♦ Облучение с торца модуля в одном направлении. Такой подход требует порядка 4 — 6 сеансов облучения, что существенно меньше, чем в двух предыдущих случаях. Его реализация позволяет в несколько раз снизить временные затраты и может применяться при определении чувствительности к ОЯЧ устройства в целом. Однако он не дает информации о чувствительности отдельных ИС.

При длительном облучении образцов ОК протонами может наблюдаться до-зовая деградация параметров и функциональные сбои и отказы ОК, это необходимо учитывать при облучении большого числа областей ОК. Лазерные имитаторы выгодно отличаются от моделирующих установок удобством их использования. Установки позволяют в лабораторных условиях и в автоматическом режиме проводить сканирование кристалла ИС и фиксировать возникающие ТЭ и ОС.

При проведении исследований ОК на лазерных установках необходимо последовательно проводить декапсуляцию ИС с последующим их сканированием. Обычно на лазерных имитаторах проводится исследование «живучести» ИС и ОК в целом при длительной выдержке в состоянии ТЭ. Данные исследования позволяют спроектировать устройства защиты ОК от ТЭ в составе КА (парирование ТЭ за определенное время) и дать гарантию безотказной работы КА на орбите.

Возможности параметрического контроля для определения ТЭ

При исследовании влияния ОЯЧ на ОК возникает трудность идентификации ТЭ на фоне большого тока потребления (0,5 — 1,0 А) и бросков тока в процессе нормального функционирования ОК. Типовая зависимость тока потребления ОК от флюенса протонов представлена на рис. 3. Значения тока ТЭ, возникающего в современных СБИС, может не превышать 100

а

б

Рис. 2. Маркировка зон облучения ОК СМЕ137686ЬХ: а) - локальное облучение БИС модуля (центральный процессор, чипсет, Flash-память, ОЗУ, контроллеры интерфейсов и т.д.); б) - локальное облучение с торца

8РБС_2011_8РТ-1.ідаа 23

Ф, ст"

Рис. 3. График зависимости тока потребления ОК СМЕ136686ЬХ при локальном облучении

протонами с энергией 1 ГэВ

мА, что не всегда заметно на фоне скачкообразного изменения рабочего тока потребления ОК. Решением данной проблемы может служить предварительная регистрация (запись) «эталонного» тока потребления ОК в различных режимах его работы и последующее сравнение тока потребления в ходе облучения с «эталонным». Данный подход позволит выделить ТЭ из общего тока потребления, а также выделить скачки тока потребления ОК при переходе в другие режимы работы, не связанные с ТЭ. Возможен

перевод ОК в режим низкого энергопотребления со стабильным током, на фоне которого детектирование ТЭ не представляет трудности, однако в данном случае можно получить информацию только о ТЭ без исследования ОС.

Заключение

Исследование чувствительности ОК к воздействию ОЯЧ существенно отличается от исследований отдельных ИС и требует дополнительных ресур-

сов и предварительного анализа данных для выявления чувствительных элементов. При подготовке и проведении исследований в каждом конкретном случае необходимо искать компромисс между информативностью (данные по ОС и ТЭ в отдельных ИС или в ОК в целом) и временем облучения. Предложенный метод сравнения токов ОК со значениями, полученными до облучения в различных режимах работы, будет экспериментально проверен в ходе дальнейших исследований

Литература

1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. — М.: Радио и связь, 2004.

2. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты, в КМОП ИС. — М.: Радио и связь, 1994.

3. ОСТ 11 073.013-83 часть 10.

4. Чумаков А.И., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б. и др. Сканирующий лазерный комплекс ПИКО-3 для. моделирования, ионизационных эффектов в ИС. / Радиационная, стойкость электронных систем. — Стойкость-2009. Научно-технический сборник. — М.: МИФИ, 2009. — С. 181, 182.

5. Абросимов Н.К., Воробьев А.С., Иванов Е.М. и др. Ускорительный комплекс ПИЯФ: испытания. ЭКБ. / Петербургский журнал электроники, 2009. - №1 (58) - С. 31 - 43.

6. Ватуев А.С., Гульбекян Г.Г., В.В. Емельянов и др. Отработка методики испытаний изделий полупроводниковой электроники на воздействие тяжелых заряженных частиц на циклотроне У-400. / Радиационная стойкость электронных систем — Стойкость-2009. Научно-технический сборник. — М.: МИФИ, 2009. — С. 147, 148.