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NASA利用脉冲激光进行的低等级器件抗单粒子效应筛选及防护设计实验
发布日期:2018-05-15 10:05:58

针对低等级星用器件

1. 首先采用脉冲激光装置进行快速评估试验,给出有一定不确定范围的单粒子效应阈值;

 

2. 确定或直接舍弃单粒子锁定、烧毁等阈值明显低的器件;

 

3. 对于单粒子效应阈值较高的器件,采用重离子加速器进行确认试验;

 

4. 针对必须使用的对单粒子锁定、烧毁等较敏感的器件,采取电路系统防护、工作电压降额等设计,利用脉冲激光置试验验证防护设计的有效性;

 

5. 针对单粒子翻转敏感的器件,综合采用故障软件仿真与脉冲激光试验相结合的方式,高效率地全面暴露单粒子翻转造成的故障影响及充分验证防护设计的有效性。

 

    在航天工程中,由于研制高性能有效载荷及星用设备的需要,或者由于研制成本、周期等的限制,需要主动地或者不得不采用非宇航的低等级器件,需要对这些低等级器件进行抗单粒子效应能力评估及筛选,针对那些对单粒子效应敏感又必须使用的器件还要进一步进行系统级加固设计并验证防护有效性,这都要求 能够及时、充分地实施单粒子效应试验。近年,NASA利用脉冲激光装置,针对多个空间任务用的低等级器件开展了有效的单粒子效应试验,形成了一些可借鉴的经验。

 

    2005年,NASA发表了论文“COTS ADC & DAC Selection and Qualification for the GLAST Mission”(原文下载点击http://www.seelab.ac.cn/learning/download?id=30),介绍了针对伽马射线大面积空间望远镜(GLAST,Gamma-ray Large Area Space Telescope)空间任务采用的数千只商用ADC及DAC器件的抗单粒子效应筛选评估试验情况。该文章提到“Searching for and qualifying devices is a route normally viewed as crazy in the modern electronics world, but our results show that it is possible to find modern commercial Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) devices that are usable for space flight”。他们的工作流程是:

(1)对于意向选用器件,先利用海军研究实验室(NRL)的皮秒激光器进行单粒子效应试验,给出这些器件粗略的单粒子锁定阈值;
(2)剔除锁定阈值明显较低的器件;
(3)对于锁定阈值较高的器件,利用重离子加速器进行确认试验,“the picosecond laser results matched fairly well with the heavy-ion SEL results”;
(4)最终选定锁定阈值高、甚至对锁定免疫、且其他功能性能优异的器件用作该任务。

  他们总结的经验之一是:“Picosecond lasers can help perform initial SEL/SEU screening”。他们还描述到“In presenting the data from all the ADCs and DACs tested, and explaining our test and qualification process, we hope to aide other designers with this difficult process. ”

 

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图1 脉冲激光初步筛选的ADC器件和重离子试验结果比对

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脉冲激光初步筛选的DAC器件(上)   

  和重离子确认试验结果(下)比对

 

         2013年,NASA发表了论文“A Practical Characterization of a NASA SpaceCube Application through Fault Emulation and Laser Testing” (原文下载点击http://www.seelab.ac.cn/learning/download?id=31),介绍了针对国际空间站(ISS)基于商用Virtex-4FX60 FPGA研制的高性能在轨数据处理器SpaceCube进行的抗单粒子翻转评估,采用了故障仿真和激光试验两种手段。他们的研究指出:

(1)故障仿真可针对软件可写部位的单粒子翻转故障进行高效率的仿真,“As a practical matter, fault emulation proved valuable as a precursor to our laser test”,以尽可能多的测试案例暴露可能的故障;
(2)“Laser testing provides a far more realistic fault mechanism, injecting faults independent of processor state, causing multi-bit upsets, and injecting into logic that is unavailable to a software-based fault emulator”;
(3)综合使用这两种手段,能够较高效率地、全面评估系统的单粒子翻转故障。

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图3 待评估器件的可访问性(上)
和两种手段评估结果比对(下)

 

    近年来,国内利用脉冲激光对低等级器件抗单粒子效应筛选评估及防护设计的试验技术发展亦取得重大进展,并在若干空间任务中得到有效应用。中科院空间中心通过近二十年的理论建模、试验技术攻关、激光与重离子比对试验三方面综合发展,建立了较好的器件单粒子锁定LET阈值-激光能量阈值对应关系(如图4所示),已成功应用于上百种器件的单粒子锁定阈值摸底评估中,在20%~30%不确定范围内与重离子试验结果一致。对于大量空间任务必须采用的单粒子效应(尤其是锁定)敏感器件,激光试验为电路系统防护设计提供了优异的调试试验和验证试验。

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图4 空间中心建立的器件单粒子锁定LET阈值-激光能量阈值对应关系

 

    例如,中科院上海技术物理所针对某空间任务用的工业级时间测量芯片TDC-GP1,利用中科院空间中心的脉冲激光装置进行了单粒子锁定摸底评估和防护设计试验,尝试、调试和验证了接入限流电阻、提高芯片工作电压、调整限流电阻接入位置等多种抗锁定防护措施,取得了满意结果,具体见论文“TDC-GP1 器件单粒子锁定效应的脉冲激光模拟试验研究”(2014年,航天器环境工程,原文下载点击http://www.seelab.ac.cn/learning/download?id=32)。

 

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图5 TDC-GP1时间测量芯片抗单粒子锁定防护设计激光试验

     再如,中国科学技术大学针对暗物质粒子探测卫星(DAMPE)采用的关键ASIC电路VA160及VATA160,利用中科院空间中心的脉冲激光装置和兰州重离子加速器均发现其对单粒子锁定敏感,并且通过激光试验确定了芯片对单粒子锁定敏感的具体部位,工程师设计了自主检测锁定大电流以及断电重上电的外围电路,并利用激光试验验证了该防护设计的有效性,保证了该卫星在轨科学探测不受单粒子锁定影响,具体见论文“Single event effect hardness for the front-end ASICs in the DAMPE satellite BGO calorimeter”(2016年,Chinese Physics C,(原文下载点击http://www.seelab.ac.cn/learning/download?id=33)。

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图6 暗物质粒子探测卫星用ASIC单粒子锁定脉冲激光试验