单粒子功能的中断机理优化

单粒子功能中断（SEFI）是一个通用术语，一般指单粒子效应导致的部件或器件整体功能故障的所有非破坏性失效模式。这种失效模式的诱发原因和影响，因部组件的不同而呈现出不同过程和特征，特别是在先进存储器件（SDRAM，闪存器件）、可编程逻辑器件（FPGA）及微处理器这些器件中，单粒子功能中断失效模式及表现形式具有不同的特征，存在一定的差异性。然而，综合各种已有测试试验数据的器件之单粒子功能中断的主要特征，在大多数情况下，单粒子功能中断是与电子器件及集成电路中配置具体功能的控制寄存器中的单粒子翻转或某些敏感单元的单粒子瞬态相关联，其引起的失效形式主要表现为电子器件及集成电路工作时的功能丢失。

我们知道，器件内部某单元的单粒子翻转（SEU）和某敏感节点的单粒子瞬态（SET）不能在器件的管脚处直接观察到，然而，在SEU和SET发生之后的某个时间，器件可能会以不可预测的方式工作。如上所述，在诸如闪存和微处理器这些复杂器件中，就可以观察到被称为单粒子功能中断的这类单粒子效应。试验测试中发现，单粒子功能中断可能使器件处于一种不可恢复的反常工作模式状态，它通常不会造成器件损坏，但会对数据、控制及功能造成中断或混乱，而故障发生后需要对器件进行复杂的恢复操作，对在轨运行的航天器来说，有时甚至包括对整个航天器电子设备子系统的重置操作。

例如，微处理器的程序计数寄存器中的一个单粒子翻转可能导致指令执行序列意外跳转到代码的不同部分，从而导致不正确的程序行为；而闪存是非易失性存储器，它包括复杂的内部时序逻辑和要操作的内部状态。该器件可以被外部命令擦除某个块，进行页编程，并在外部引脚读取页等。这些命令的执行由内部状态机控制和排序。当采用重离子对闪存进行验证试验时，在没有任何外部激励的情况下，却观察到了闪存器件执行了擦除、编程和读取操作。这是非易失性存储器单粒子功能中断的一种表现形式，在重离子照射下，闪存器件呈现出了随机块擦除和页写入的现象。

具体针对同步动态随机存取存储器（SDRAM）器件来说，依据其对器件影响后果和恢复过程，单粒子功能中断又可以细分成三种主要类型：

首先是逻辑单粒子功能中断，在有关文献中，这种类型的单粒子功能中断又被称为地址错误（AE）、可恢复突发错误（RBE）或者临时块错误，这些错误特征主要表现为基于行和列的逻辑错误，在基于行的逻辑错误方面，一个行地址寄存器或者冗余行地址寄存器中发生单粒子翻转后，可能导致两种情况发生，一种是导致错误的行选择，另一种是冗余行的激活，而冗余行用于替代制造测试中识别的缺陷单元。在基于列的逻辑错误方面，一个列地址寄存器或者冗余列地址寄存器中发生单粒子翻转后，会导致与行逻辑错误相似的逻辑错误特征。而这种错误发生后，只有写入正确的数值才能恢复状态。

其次是可重置单粒子功能中断，当器件结构中隐含的逻辑单元受到重离子撞击后，将可能发生这种类型的单粒子功能中断现象，这种现象会在特定的地址区间出现，试验测试中发现，通过使用模式寄存器设置这条命令重新配置器件，可以恢复器件的功能。尽管如此，试验中发现，在发生这种故障期间，可能某单元数值被修改，因此，需要对存储器进行重新写入。(www.xing528.com)

最后为重新启动单粒子功能中断，在有关文献中，这种类型的单粒子功能中断又被称为不可恢复错误、不可重置错误或者硬错误单粒子功能中断或永久性单粒子功能中断，引起这种单粒子功能中断的缘由有几种，如刷新计数器寄存器中的翻转，内部状态机遭受重离子撞击，测试模式或其他不确定模式被激活；不管其原由究竟是什么，其结果就是器件丧失了其存储功能，唯一的恢复过程是器件的一个完整电源循环。

我们知道，单粒子翻转可以发生在微电子器件或集成电路中的不同模块及结构部分，如果单粒子翻转发生在我们可以通过I/O端口直接访问的区域，那么就容易检测到翻转并加以正确识别。一个明显的例子就是随机存储器（RAM）中的单粒子翻转，在对RAM的重离子照射试验测试中，可以明确识别出单粒子翻转位，并且在大多数情况下，这些错误的翻转横截面也确实表征了器件敏感区域的几何面积大小。尽管如此，在试验测试中发现，由于离子的撞击，器件本身无意中执行了其自测试模式功能，这时候测试获取的翻转错误就不能归于明确定义的某个位，这种现象就可以认为是一种单粒子翻转造成的器件功能中断现象。总体而言，对正常测试造成的干扰就是单粒子功能中断的最主要特征之一，从这一点来看，单粒子功能中断是由于微电子器件（RAM）敏感区域的单粒子翻转所引起的一种现象学事件，其具体过程和机理因器件的不同而不同，我们通常无法访问，或者由于我们对器件结构了解很少，无法确定单粒子翻转的具体位置，只能观察到器件功能的失效。下面我们举一些例子来说明这一点。

在1997年以前，人们在很多类型的动态随机存取存储器（DRAM）中观察到了正常的单粒子翻转现象，可能由于单粒子功能中断截面比较小的缘故，没有提及单粒子功能中断的现象。1997年，Koga等人第一次报道了针对几类器件的单粒子功能中断现象的试验测试和观察。在总结分析DRAM的重离子试验研究中，指出在某些DRAM器件中，至少有一类翻转诱发异常现象可能属于单粒子功能中断，即单粒子翻转表现出将DRAM器件“编程”进入运行测试模式。这里应当提及的是，大多数DRAM器件可以被认为是具有各种功能的控制器，例如，其可以实现“刷新”“快写”和“预充电”。这些功能通过正确使用顺序输入操作和存储的控制逻辑状态进行调节。此外，许多DRAM器件都有一组模式寄存器，它们可以将器件配置为各种工作模式，其中有些模式已有明确规定，如测试模式，而其他模式却没有明确规定，只为将来的使用留下了空间（由器件制造商规定），或者保持在永久未定义状态。

Koga等人在试验中发现，在Atmel公司制造的电擦除器件（EEPROM）中观察到两种类型的单粒子功能中断现象，第一种类型被认为是激活了器件内部一些未定义的逻辑状态，这时候，器件的偏置电流有所增加，其原由可能是受照射影响的输出节点中的“冲突”所造成，试验过程中，通过长时间对器件的照射可以消除这种功能故障，推测分析认为是受影响的位可能经历了两次翻转后消除了这种异常。第二种类型是长时间的照射并不能消除这种电流增大的状态，但也不是一种单粒子锁定现象，后来，人们称这种现象为“单粒子微锁”现象，这种现象已在先进复杂器件中呈现出来，这里不再赘述，有兴趣读者可以进一步参阅相关技术文献。