空间环境特殊效应实验室

激光试验单粒子助力空间站抗辐射

发布日期：2020-05-18 10:06:46

长五B首飞成功拉开了我国空间站建设的帷幕。庞大的空间站系统包括大量平台电子设备及有效载荷，有较多的单机设备要实现高性能研制目标却受限于成本和周期，使用了低等级高性能器件，这些设备的抗单粒子效应设计任务艰巨，需要及时、充分、可靠的辐照试验，以开展拟用器件的评估筛选，对必须使用的辐射敏感器件进行电路系统防护设计及验证。中科院国家空间科学中心中科院复杂航天系统电子信息技术重点实验室下属空间环境效应研究室，针对中科院、中国电科、航天科技集团等的近10家单位承担的空间站10余台单机设备，开展了有针对性的空间辐射风险分析，利用便捷的脉冲激光装置开展了近150款器件的单粒子效应评估筛选试验及防护设计验证试验，及时、低成本、有效地保障了这些设备的抗辐射设计研制，“快、省、好”地支持了国家空间站的研制建设。

1.空间站轨道空间辐射风险总体分析

低于2000千米的低地球轨道（LEO）是各种小卫星、商业航天卫星、空间站的运行空间。我国空间站运行的400km高度、42⁰倾角轨道空间，地磁场的保护作用效果较明显，宇宙线重离子诱发单粒子效应的风险相对中高轨道降低；但是，此轨道空间的辐射带质子对于单粒子效应阈值较低（≤15MeV∙cm²/mg）的器件造成的在轨单粒子效应不比中高轨弱。如图1是利用空间中心自主开发的“空间环境效应分析”专业仿真软件，以典型应用的Virtex-Ⅱ FPGA为例分析计算的不同轨道发生的单粒子翻转（SEU）情况^[1]，对于LEO卫星大量的内辐射带质子导致的SEU远远强于银河宇宙线重离子作用，是器件SEU的绝对主要贡献；500km以上的LEO轨道，由辐射带质子诱发的SEU均比中高轨道及月球轨道银河宇宙线重离子作用严重。

面对空间站可能的单粒子效应风险，既不能放松警惕；也不能过度防护，造成宇航器件厂商过高研制压力，平台及载荷设计师以牺牲高性能的过度冗余设计等。依据空间中心长期从事航天型号任务抗辐射实践经验，低等级器件空间应用可遵循以下一般原则：

SEU等软错误可接受，考核指标可适当降低；
单粒子锁定(SEL)、单粒子烧毁(SEB)等硬损伤不可接受，阈值大于75 MeV∙cm²/mg的器件可直接使用；阈值在37-75 MeV∙cm²/mg之间的器件经过防护设计并通过验证后方可使用；阈值更低的器件经过严格的防护设计不影响主任务、并且采取必要的恢复预案措施后也可以使用。

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图1利用“空间环境效应分析”软件分析的不同高度地球轨道Virtex-Ⅱ FPGA SEU情况

2.空间站用器件单粒子效应评估筛选试验

未来2-3年内，在空间站关键技术验证和建造阶段，中国将实施11次高密度发射任务^[2]，空间站应用的低等级器件估计至少上万只。如此大批量的高性能、低成本器件空间应用，对器件抗辐射筛选评估带来严峻挑战。

近年来，空间中心累计开展近150款空间站任务拟用的低等级器件的抗辐射试验评估，相关规律及趋势统计如下：

大规模集成电路风险突出表现主要是单粒子效应，考虑空间站应用辐射防护设计余量，总剂量阈值水平一般能满足应用要求；
从单粒子硬损伤效应的阈值考核衡量，近一半的拟选用低等级器件不满足抗SEL、SEB等效应要求，需要弃用或加以防护；通常大规模集成电路如CPU、FPGA等的SEU及单粒子瞬态脉冲效应阈值极低，单粒子多位翻转及多瞬态脉冲效应常态化，是系统防护设计的要点及难点；
被测器件功能种类越来越多，如光电器件空间应用数量大幅上升，除位移损伤效应等累积效应，单粒子效应带来的瞬态性能变化也需引起重视；新型抗辐射电源电路中，宽禁带半导体功率器件因低功耗高性能特点，空间应用优势明显，除SEB等硬损伤效应，单粒子瞬态脉冲传播危害不可忽视。

针对低等级器件空间应用的及时、批量单粒子效应筛选评估的需求，空间中心通过理论仿真建模、试验技术攻关、激光与重离子比对试验三方面综合发展，建立了较好的器件锁定LET阈值-激光能量阈值对应关系（如图2所示），在20%~30%不确定范围内与重离子试验结果一致（其他单粒子效应可参考）。如某空间站载荷研制单位前期针对了10款器件分别开展了激光与重离子单粒子效应试验（如图3所示），二者试验结果相符并且激光试验可给出更具体的阈值数据^[3]；之后对空间站任务拟大量应用的器件，利用激光装置开展了批量筛选评估试验（如图4所示），实现了上百种器件的阈值摸底评估，并形成了可靠的数据库文件。该数据库为某单位承担的空间站研制任务选用的几百款目录外器件提供了数据检索，将待试验器件数量减少到几十款。

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图2诱发器件SEL的激光有效能量与重离子 LET 对应关系图

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图3空间站任务少量低等级器件单粒子效应激光与重离子试验对比

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图4 空间站任务批量低等级器件单粒子效应激光评估试验

3.电路系统抗单粒子效应设计调试及验证试验

对于空间站单机设备必须使用的单粒子效应较敏感（SEL、SEB等阈值在37-75 MeV∙cm²/mg之间、甚至更低）的高性能器件，需要加强电路系统级的防护设计与验证。抗单粒子效应防护设计往往需要单机电子系统设计师针对具体的电路结构及负载情况具体设计。单粒子硬损伤效应会导致整个电路系统电流瞬间增大、功能异常、器件烧毁失效等故障。设计师需要充分了解这些器件单粒子现象的特征、以及对电路系统的连锁影响，需要针对SEL开展充分、精细的试验测试，在此基础上设计和调试出合理的防护措施。SEU等效应会导致系统出现软错误异常，软错误要通过板级或系统级健康检测、EDAC等实时检测和纠错手段予以解决，同样需要合理的故障注入手段对软硬件加固措施进行有效验证。除此之外，电路系统抗单粒子效应设计调试及验证试验一般还有以下特点及特殊需求：

单粒子效应加固验证试验通常是板级测试，被测器件以超大规模集成电路为主（封装形式多为倒封装）；
存在对板上敏感器件进行特定功能模块特定区域、特定时间周期、特定故障模式的故障注入需求；
存在发生单粒子效应后电路在轨电学性能可靠性影响模拟需求，如观测发生单次锁定、单次锁定维持一段时长、频繁发生多次锁定等特殊需求；
存在可现场改进软硬件加固措施，测试环境要求尽量小的电磁信号干扰等测试环境需求。

针对上述需求，空间中心发挥激光试验装置可方便板级测试、高穿透芯片背部辐照、故障注入方式精准可调、实验环境开放、电磁干扰小等优势，支撑了空间站任务十余台平台设备和有效载荷，开展了电路系统抗单粒子效应设计调试及验证试验。如在2019年最后一个工作日，针对某单位的重要载荷设备开展了抗SEL设计试验验证，如图5所示。首先，经过激光摸底试验迅速掌握了关键器件的SEL特征；其次，开展抗SEL设计及验证，保证芯片一旦锁定进入高电流和高温状态后，电路系统的防护模块监测到电流及温度超过预设阈值主动调控芯片工作参数，使得芯片锁定电流及温度调整至安全范围。经过试验，被防护的芯片保持稳定的锁定电流达8小时，芯片的工作温度始终稳定未升高。最后，对电路系统进行断电和重上电，芯片电参数、功能及工作温度均恢复正常。快速响应和操作便捷的脉冲激光试验，验证了该单机电路系统的SEL防护措施的有效性。

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图5 针对空间站某设备开展抗SEL设计验证的激光试验现场

空间中心还针对空间站拟用的某计算机电路用Kintex-7 FPGA开展了抗SEU设计试验验证，如图6所示。首先，成功实现了单位翻转、多位翻转及功能错误等多种故障模式的准确触发，掌握了基础的单粒子效应敏感特征规律。之后，通过固化FPGA寄存器三模后的程序，并采用重加载策略后，试验验证了大三模冗余方法对SEU效应加固设计的有效性。最后，同时利用软件和脉冲激光的故障注入方式，均有效验证抗了SEU防护设计效果。

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图6 针对某计算机电路开展抗SEU设计及验证的激光试验

NASA也针对国际空间站（ISS）基于商用Virtex-4 FPGA研制的高性能在轨数据处理器SpaceCube（如图7所示），采用软件仿真和激光试验手段，开展了抗SEU评估[4]。他们研究也发现：

软件故障注入方式可针对软件可写区域的SEU进行高效率仿真，以尽可能多的测试案例暴露可能的故障；
红外聚焦脉冲激光试验无需减薄倒封装器件硅衬底，并可提供相对真实的单粒子效应故障注入，可在软件方式无法实现的逻辑功能区实现有效的故障注入；
综合使用这两种手段，能够较高效率地、全面评估系统的SEU故障。

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图7 国际空间站上的立方星（红圈）MISSE-7 试验

综合国内外空间站任务用低等级器件单粒子效应激光试验经验，空间中心形成了器件筛选评估及电路系统防护设计调试及验证的一般策略如下：

采用脉冲激光装置进行快速摸底评估试验，给出有一定不确定范围的单粒子效应阈值；
直接舍弃SEL、SEB等阈值小于15 MeV∙cm²/mg的器件；阈值在37-75 MeV∙cm²/mg之间的器件经过防护设计通过试验验证后可以使用；阈值更低的器件经过严格的防护设计不影响主任务、并且采取必要的恢复预案措施后也可以使用；
对于单粒子效应阈值较高的器件，必要时可采用重离子加速器进行确认试验；
针对SEU敏感的器件，可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SEU造成的故障影响及充分验证防护设计的有效性。

4.小结与展望

面向高性能、低功耗、高可靠的空间站任务元器件应用需求，使用满足需求的低等级器件具有低成本、短周期的显著优势。为保证使用了低等级器件的电路及设备在轨安全运行，可利用脉冲激光开展批量单粒子效应试验评估及防护设计验证工作。

空间中心已形成了低等级器件单粒子效应激光试验策略及方法。已支撑国内所有宇航器件厂商及重要星用设备研制单位70余家，已试验器件650余款（如图8所示）。除空间站载人航天任务，同样可助力空间科学先导专项、月球与深空探测、商业航天、北斗导航等其他航天任务“快、省、好”地进行抗辐射设计研制。

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图8 当前空间中心单粒子效应激光试验用户分布图

参考文献：

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/QObvLfv6DkWJaAkO03dCAg

[2]http://www.csu.cas.cn/gb/zxyw/202005/t20200505_5568469.html

[3]Ma Yingqi, Han Jianwei, Shangguan ShiPeng, Chen Rui, Zhu Xiang, Li Yue, and Zhan Yueying. SEE Characteristics of COTS Devices by 1064nm Pulsed Laser Backside Testing，IEEE Nuclear & Space Radiation Effects Conference (NSREC) 2018.

[4]John Paul Walters, Kenneth M. Zick, and Matthew French. A Practical Characterization of a NASA SpaceCube Application through Fault Emulation and Laser Testing, IEEE/IFIP International Conference on Dependable Systems & Networks（DSN）2013.