单粒子效应对微处理器系统的影响分析

微处理器（CPU）是卫星电子系统和设备的核心器件，应用于数管计算机、姿轨控计算机以及有效载荷数据处理设备等。其应用在电路开发板的嵌入式实时计算机系统，能够满足多种航天应用的功能及性能指标要求，只要加上存储器及与应用相关的外围电路，就可以构成完整的单板计算机系统。

（一）航天器常用微处理器及典型结构

美国NASA和欧洲ESA选用的航天微处理器主要有1750、X86、PowerPC、MIPS、ARM、SPARC。在航天器电子设备设计中，美国NASA以RAD750处理器为主，ESA以基于SPARC架构的LEON处理器为主。

8051系列、X86系列和Pentium系列是由NASA和Sandia国家实验室研究和支持开发的，采用普通的体系结构和抗辐射加固设计进行微处理器可靠性加固处理。Sandia国家实验室主导研究的Pentium系列处理器的抗辐照设计，主要通过改变电子器件制造工艺和对电路进行加固设计来提高处理器的可靠性。

SPARC V7系列（ERC32）的研究和支持机构主要是ESA和下属研究机构，主要路线是采用高可靠设计的体系结构（与Pentium系列不同）和抗辐射结合的方式，主要产品包括ERC32的695系列等。ESA使用基于SPARC V7体系结构的TSC695系列微处理器和基于SPARC V8体系结构的LEON系列微处理器。Atmel公司于2004年推出性能达到100MIPS以上的基于LEON2内核的处理器。已经完成基于LEON2的多处理器系统设计，可以实现将多个LEON2内核在一个芯片中集成，研发出哈佛结构的LEON3微处理器支持七级流水，可以在一个芯片中集成4个内核。ESA在设计高可靠高性能处理器过程中采用容错设计体系结构和抗辐射设计相结合手段。

PowerPC系列主要是指BAE公司的RAD6000和RAD750处理器，采用IBM的RISC体系结构进行设计和抗辐射加固设计。这两种微处理器都是32位精简指令处理器，采取了必要的抗辐射加固措施，技术成熟，可应用于各类航天器。

GD-AIS公司的ISC嵌入一个定制的ASIC芯片，用于检测和纠正故障，该系统可以集成6块CPU，所有的CPU采用冗余VME总线。

Astrium空间技术公司提出了基于可重构计算单元的XPP结构，通过编译器和可重构调度器将任务分配到计算单元上。XPP在体系结构上具有可重构计算的特点，通过软件重配置和切割计算单元实现计算单元间相互冷热备份，来检测和消除SEU引起的故障。

国内有关高可靠处理器的设计的研究处于起步阶段，近年来在抗辐射加固方面加大芯片高可靠性的研究，已经能制造出应用于航天的CPU，如适应宽温的基于SOI工艺的386EX，也研制出SPARC V8体系结构的处理器和PowerPC体系结构的微处理器。

典型的微处理器内部包括CPU寄存器、数据存储器、程序存储器、计数器、串行通信口等多个功能单元。例如，SPARC V8 LEON3微处理器是欧洲ESA主导开发的32位基于SPARC V8结构的微处理器，应用于航空局的嵌入式应用开发，具有高性能、低功耗、结构简单的优点。

LEON3处理器的技术特点主要有：哈佛结构的七级流水线，独立的指令Cache和数据Cache，支持硬件乘法器和除法器，内嵌在线调试模块，支持多核扩展，支持所有SPARC V8指令集，包括乘法、除法指令。LEON3的软核结构如图5-1所示。

整数部件：LEON3的整数单元可以执行SPARC V8指令集定义的所有指令，包括硬件乘法和硬件除法指令。寄存器窗口可以配置2～32个，默认配置为8个。

图5-1　LEON3软核结构图

Cache系统：LEON3的Cache系统包括分离的指令Cache和数据Cache，可灵活配置其结构。指令Cache和数据Cache支持1～4路相连，每路有1～256 KB，每行有16或32字节。子块中每32位就有一个有效位。指令Cache使用流方式在线回填来最小化回填延迟。

浮点部件和协处理器：LEON3的整数单元为FPU和协处理器提供了接口，用户可根据需要选择性配置。有两种FPU控制器可供选择：Gaisler研究机构的高性能GRFPU和SUN微系统公司的Meiko FPU。协处理器、浮点运算单元与整数运算单元并行执行，除非三者之间存在数据或资源依赖。

内存管理单元（Memory Management Unit）：管理虚拟存储器和物理存储器，实现32位虚拟地址和36位物理存储器的映射。

片上调试（On-Chip Debug Support）：LEON3的流水线支持非入侵的硬件调试，调试单元有多达4个观察点寄存器在任意的指令或数据地址产生断点，从断点处进入调试模式。

中断接口：LEON3支持SPARC V8总共15个异步中断方式，中断接口的功能主要就是产生中断和应答中断。

AMBA接口：Cache系统可以作为AMBA的主设备，能够通过AHB总线将主存中数据存储到Cache中，也能将Cache中数据存储到主存中。

（二）微处理器单粒子效应故障表现形式

微处理器工作在空间环境时，受高能粒子和带电粒子的影响可能改变电路节点的正常电压和电流，这种现象称为单粒子效应（Single Event Effect，SEE）。单粒子效应的主要表现有：

（1）单粒子翻转（SEU）：存储单元的数据翻转；

（2）单粒子瞬变（SET）：组合逻辑中出现的瞬时脉冲；

（3）单粒子锁定（SEL）：由单粒子引起的锁定效应；

（4）单粒子栅击穿（SEGR）：高能粒子击穿晶体管栅极。

SET和SEU是可恢复的故障，称为软错误；SEL和SEGR是导致微处理器不可恢复的故障，称为硬错误，一般采用特殊工艺的方法加固，如采用SOI工艺。

微处理器中各种存储单元（数据存储器、指令存储器、寄存器文件等）占芯片面积的40%～70%，更易受单粒子翻转的干扰。资料表明，在微处理器发生的各种故障中，绝大部分是由存储单元发生故障引起的。

单粒子翻转对微处理器的影响主要是对指令（非法指令）、操作数和状态控制寄存器的影响，任意一种情况都有可能导致程序运算错误，出现数据异常和程序紊乱，严重的将导致系统死机，造成空间系统无法正常运行。

微处理器的单粒子效应测试过程中主要观测以下几种情况：

（a）数据完整性错误：处理器输出错误结果，但是仍然正常运行。

（b）可恢复的数据路径错误：处理器连续输出错误结果，必须复位处理器才能正常工作。

（c）可恢复的超时错误：处理器停止工作，但是对外部看门狗电路触发的复位操作指令响应。

（d）不可恢复的错误：处理器复位操作后并没有恢复，但是在重新上电后恢复运行。

（e）破坏性错误：处理器在重新上电后，仍然不能恢复正常运行。

微处理器单粒子效应试验时，主要也是通过测试软件观测并记录以上几种情况。其中，错误类型（a）对应的是单粒子翻转率测试需要关注的情况；错误类型（b）～（d）对应的是功能中断测试需要关注的情况；错误类型（d）～（e）对应的是单粒子锁定测试需要关注的情况。因此，微处理器单粒子效应测试涵盖了DUT、测试硬件电路与测试软件的设计，需要仔细调整以便快速获取所需数据。

（三）微处理器系统单粒子软错误故障模式

1.微处理器SEU故障模式

微处理器的时序电路主要由各种锁存器、寄存器和各种触发器组成，所以单粒子翻转效应对时序电路的干扰主要就是对各种存储单元的干扰。存储单元受到高能粒子的干扰后存储的内容会发生改变，由“0”变为“1”或“1”变成“0”。错误的值将在存储单元下次被改写前一直保存。如果这个时刻读取这个存储单元的内容进行运算处理，其结果就会发生错误。

微处理器程序都是由顺序执行的每个指令构成的指令块的集合，程序块定义为一段顺序执行的指令集合，在块中间没有转移指令，也不允许块外程序直接转移到块中间，在一个指令块中，都为顺序执行的指令，只有在块结束时才有转移指令。在指令块中，指令在正常情况下都顺序执行，但如果块中的某条指令出现SEU故障，指令类型可能发生变化，对于可变长度指令集和固定长度指令集，SEU对指令的影响不完全相同。可变长度的指令集，一条指令发生SEU故障后，其后续的指令的自身含义都可能改变，如原来的单字节指令可能变成双字节指令或多字节指令，也有可能有顺序执行指令改编为转移指令；对于固定长度指令，改变的只是故障指令的自身，对于其后续的指令含义则没有任何影响。但是如果该指令的计算结果是块尾转移指令的转移条件，或者故障指令直接成为一条新的转移指令，程序的控制流程就必然会发生改变。

SEU引起的计算机系统行为故障假定可以归为三类。第一类，操作数的错误，包含指令的一个操作数，如立即数、寄存器、地址模式的不同。如inc cx→inc bi（见图5-2（a））；第二类，单个指令的错误，指令自身的改变，指令长度不变，如clc→stc（见图5-2（b））；第三类，指令序列改变，SEU影响了指令的类型和长度，指令长度改变，后续的指令也发生变化，原有的指令序列改变成新的指令序列，如图5-2（c）所示。

以上三种类型故障模式对于计算机系统可能造成的后果也分为三类：第一类，SEU所造成的指令含义或指令序列发生改变，成为非法指令序列，即所取的指令或指令的顺序不合法，程序由非法指令异常终止；第二类，SEU造成指令块中指令序列变成另外的合法解释，程序的执行不会产生非法指令异常，但是所形成的新指令序列试图执行非法的操作，例如除零，程序会由系统异常退出；第三类，SEU所造成的指令块中的指令为新的合法指令，指令执行顺序也都合法，程序可以正常结束，但执行过程中有计算错误，输出结果不正确。在三种SEU故障结果中，前两种都引起了异常，程序的执行会因为有异常而中止，不会引起故障在系统中的扩散，对整个系统的危害度不会太大；但第三类故障由于不引起任何异常，系统根本没有任何手段感知，同时也没有任何措施保证运算结果的正确性，错误的计算结果会输出，从而引起故障在系统扩散，造成不可预计的后果，尤其对于卫星控制系统，错误的姿态控制信号可以导致卫星姿态变得完全不可控制，严重的可以造成卫星寿命终止。

图5-2　指令一位错的执行序列

（a）某指令操作错误；（b）单个指令错误；（c）指令序列改变

微处理器的单粒子效应不仅与微处理器硬件设计有关，而且还与运行的软件程序有关。中断处理程序对单粒子效应试验结果有很大的影响。当微处理器运行程序正确执行为最高优先级时，中断处理程序一旦探测到无法纠正的存储错误，将会立即复位微处理器；其他情况，例如图像处理过程中，中断处理程序可能会忽略无法纠正的错误，从而保证图像处理的连续性，这就可能在图像数据中引入错误。

微处理器内部包括CPU寄存器、数据存储器、程序存储器、计数器、串行通信口等多个功能单元，不同的应用程序执行过程中，这些功能单元的工作状态均存在差异，一般仅使用部分寄存器和存储器，资源使用率小于100%，未使用到的寄存器和存储器发生单粒子翻转不会对微处理器的正常工作产生影响。因此，模拟试验过程中微处理器执行应用程序时，获得的翻转率即为动态单粒子翻转率。

为预估抗单粒子翻转能力，一般对微处理器内部所有寄存器和存储器的每个存储字节均写入“55H”或“AAH”等测试数据，提高资源使用率，保证程序占空比接近100%；标准检测程序统计不同LET值的重离子或质子辐照下寄存器和存储器存储数据逻辑状态发生翻转的位数，获得σ-LET曲线；根据空间轨道环境和σ-LET曲线计算空间单粒子翻转率。由于程序占空比很高，得到的是静态单粒子翻转率。

卫星在轨飞行监测数据表明，星用微处理器（包括相关外围器件SRAM、FLASH、FPGA、DSP等器件）的动态单粒子翻转率低于CRÈME、SPACE RADIATION等标准软件计算得到的静态单粒子翻转率。这主要是程序占空比的影响，即星用微处理器执行应用程序时，其内部寄存器和存储器占用数据总线的时间与执行程序所需全部时间的比值。

图5-3给出了Intel 80C3l微处理器单粒子效应试验的静态翻转截面和动态翻转截面与重离子LET值之间的关系（中国原子能科学研究院的HI-13串列加速器）。由图5-3可得出80C31微处理器动态和静态条件下的单粒子翻转阈值及翻转饱和截面分别为：（a）动态条件下：LETr=～3 MeV·cm2/mg，σr=3×10-4 cm2/device：（b）静态条件下：LET0=～2 MeV·cm2/mg，σ0=3×10-3 cm2/device。

图5-3　Intel 80C31微处理器静态翻转截面和动态翻转截面与LET值之间的关系

2.微处理器SET故障模式(www.xing528.com)

辐射粒子轰击组合逻辑电路的敏感节点区域，会导致逻辑节点产生电压的变化出现瞬时脉冲，这称为单粒子瞬态（SET），如果产生的脉冲足够宽，将会沿着组合逻辑通路向下传播，一旦被链路终端的时序单元捕获将会产生电路的软错误。

SET在数字电路中表现为传播中的信号脉冲，它能扰乱有限状态机的正确状态。

（1）单粒子必须产生一个可持续的电压脉冲，从受影响的门开始传播，进入逻辑信号通道，其他未产生可持续电压脉冲的SET则会被电气屏蔽所过滤。

（2）瞬态信号必须找到一条开启从组合逻辑通道到寄存器的传播通道（如果瞬态信号无法到达寄存器，则不会对电路系统产生影响，即会被逻辑屏蔽所过滤）。

（3）锁存必须到达寄存器内部，符合建立时间和保持时间的特性（其他未能符合建立保持时间特性的SET将被时间屏蔽所过滤）。

（4）一旦锁存，这个错误必须以某种形式影响系统的输出（即该错误结果不会被随后的系统操作忽略，称其为操作屏蔽）。

随着晶体管尺寸的减小，运行频率加快、电源电压减小，逻辑电路对SET的敏感度明显增加。事实上，由单粒子效应引起的错误被认为已经成为主要的可靠性问题。随着IC频率加快，轰击组合逻辑电路造成的软错误已超过了对存储单元的软错误。纠错码设计可用于消除存储单元的SEU，但是不能用于消除组合电路的SET。描述SET轰击组合电路的一个重要参数是SET脉冲宽度。时间冗余技术能够消除大于预定宽度阈值的SET脉冲。然而SET脉冲宽度从几百皮秒到几纳秒不等，限制了诸如时间冗余这样的技术效果。此外，当脉冲宽度大于时钟周期时，还可能会出现多个错误被锁存。目前，纳米工艺的集成电路时钟频率往往大于1 GHz，在此类微处理器中，宽度大于1 ns的SET脉冲就会产生多个软错误。

大量的试验研究表明，随着工艺尺寸的不断缩减，组合逻辑电路中的SET对于系统软错误的贡献将超过存储节点的SEU在系统软错误中的作用。到了65 nm工艺，组合单元中的SET已经成了系统软错误的主要来源。

瞬时故障对于组合电路的影响表现为电路中的信号会出现毛刺，即瞬时脉冲，该毛刺将沿着电路路径传播并最终传播至时序电路，被时序电路捕获，这个现象叫作单粒子瞬态效应（SET）。带电粒子撞击时序电路的敏感节点，产生瞬时电流脉冲，导致存储值倒置，这个效应叫作单粒子翻转（SEU），如图5-4所示。瞬态故障的发生是没有规律的，且持续时间短。

图5-4　单粒子瞬态诱发的故障

组合电路受到SET的干扰，电路状态会发生变化。组合电路只对输入信号的变化敏感。如果组合电路中产生SET干扰，电路中的信号会出现毛刺（瞬时脉冲），毛刺会沿着电路路径传播到电路输出端，只有这个瞬时脉冲传播时序电路，并且被时序电路捕获，导致时序电路产生瞬态脉冲，才会对电路的最终运行结果产生影响。很多时候，瞬态脉冲不会被时序电路锁存，或者锁存的数据可能并不影响处理器的工作，组合电路的实际故障率会大大降低。

随着集成电路工艺的改进，组合电路对于单粒子翻转效应的敏感程度也逐渐加强。特征尺寸、供电电压和阈值电压的减少会降低电路对SEU的容忍能力。尺寸的减少导致电路节点的平均电容变小，相同能量的粒子将会产生更多的电荷，电路SEU敏感性增加。主频的增加也将导致组合电路对SEU的敏感性增加。时钟频率提高，增加了组合电路毛刺被时序电路捕获的机会。

微处理器错误可以由存储单元的SEU引起，也可以由数字逻辑门和模拟电路的SET引起。并不是所有SEU或SET都会造成微处理器错误。例如，影响整个时钟树的锁相环电路中的SET，将很可能会引起微处理器错误；而发生在触发器之间的NAND门上的SET，在其到达该路径上的下一个触发器之前，将可能被逻辑上过滤掉。

3.微处理器SEFI故障模式

SEFI是数字逻辑器件在单个带电粒子的轰击下丧失原有功能的效应。该效应常发生在CPU、DSP和可编程逻辑器件中，使器件处在功能失效的状态，需要重新复位才能恢复正常。大规模集成电路的集成度越来越高，单个晶体管的特征尺寸变得与空间宇宙射线产生的电离径迹量级不相上下，当单个重离子撞击集成电路芯片，所沉积的局部剂量能够使一个MOS管沟道长度范围的硅区受到损伤，导致位的电状态固定不再产生变化。当运行编制的程序时，这些固定位不能被正确读出，就有可能发生SEFI效应。

在超大规模集成电路，SEFI效应发生的概率在不断增加。很难给出SEFI的准确定义，因为引起器件功能中止的任何失效模式都可以看成是SEFI效应。通常，器件配置位的SEU（例如FPGA），时钟树的SET，或者复杂器件的不同部位的多个SET效应等，都可以引起器件SEFI效应。不同SEFI现象的共同特征是，系统在发生SEFI后，可以通过器件重新加载配置程序、器件复位或断电重启等方式恢复系统运行。

CPU的SEFI与SEU密切相关，但是SEU发生并不一定导致SEFI发生，其发生概率与运行程序有很大关系，也与系统抗SEU加固措施等相关，因此其发生概率相对较低。但是在设计之初必须加以考虑，因为一旦发生SEFI现象，带来的后果可能是灾难性的。

下面介绍对某同步轨道卫星的服务舱电子设备使用的80C32开展单粒子翻转试验结果。在单粒子效应诱发故障试验评估中，首先，通过重离子试验，在三种不同LET值条件下，评估了80C32的单粒子效应敏感性；其次，比对分析了不同版本星上软件的抗误指令能力；最后，采用辐射环境及效应分析计算软件，对80C32的空间翻转率进行了计算分析。

在器件单粒子效应敏感性考核试验过程中，当采用LET值为15.0 MeV·cm2/mg的Ar+离子照射时，80C32均出现了单粒子翻转现象，在30 min的照射时间内其翻转次数达到几十次以上。而在LET值为5.0 MeV·cm2/mg的Ar+离子照射时，在30 min的照射时间内，80C32只出现了1次单粒子翻转。在辐照控制器80C32时，由于80C32的状态寄存器参数存储在内部RAM中，如PC（程序指针）、IE（中断使能控制器）、ACC（累加器），PSW（程序状态字）等，这些寄存器和其他用户数据一样存在单粒子翻转诱发数据错误的可能性。一旦这些寄存器参数发生单粒子翻转，会造成系统发生单粒子功能中断（SEFI）现象，80C32便不能正常工作，造成程序跑飞、中断无法响应、通信失败等故障。有关数据记录可参见表5-2和表5-3。

表5-2　80C32芯片抗单粒子翻转的能力试验统计表

表5-3　抗误指令能力试验统计表

依据SPACE RADIATION软件包中的Pickel经验计算模型，可以估算出器件在同步轨道的单粒子翻转率大小。80C32在同步轨道环境中的翻转率为9.29×10-4次/（器件·天），即80C32在同步轨道环境中1 076天（2.95年）发生一次翻转。此次试验数据也表明，当80C32发生单粒子翻转时，并不一定诱发单粒子功能中断现象出现，其出现概率约为10%。测控软件的不同，单粒子功能中断概率差别较大。SINOSAT-2在轨数据表明，2片80C32约4.5年未发生单粒子事件造成的功能中断。

SPARC V8体系结构微处理器是一款国产32位精简指令集RISC结构的嵌入式微处理器，该微处理器经过加固设计的0.18 μm CMOS工艺的处理器电路。

待测器件工作在最低工作电压（I/O端口：2.97 V，内核1.62 V），分别进行了Cache打开和关闭两种单粒子功能中断试验，其中F离子下没有发生单粒子功能中断，其他四种离子下均出现了功能中断。

从图5-5中可以得到单粒子功能中断饱和截面σsat，根据美军标，取σsat的10%对应的LET值作为中断阈值LETth，代入在轨错误率预估软件中进行GEO轨道的在轨错误率估计，3 mm等效Al屏蔽，具体两种模式的单粒子评估结果汇总如表5-4所示。

图5-5　单粒子功能错误截面图

表5-4　单粒子效应评估结果表

在运行相同程序的条件下，处理器工作在关Cache模式下比开Cache模式发生单粒子功能中断的概率要高3倍左右。经过对微处理器芯片电路结构进行分析，产生这种结果的主要原因有三个：

（1）微处理器中本身自带容错机制。微处理器中寄存器组（REG）采用了纠一检二的EDAC容错机制，向寄存器组中写入数据时，将数据和校验位一并写入。读取数据时，如果检测到可以纠正的错误，流水线暂停，将正确的数据写入发生错误的寄存器，因此可以纠正寄存器中发生的单个位单粒子翻转；高速缓存（Cache）中利用奇偶校验技术，数据Cache和指令Cache由数据和校验码组成，发生奇位错时可以直接从存储器中该地址处读取数据送往IU/FPU，并重新写入Cache。因此当单粒子翻转发生较少、较慢时，微处理器本身的容错机制可以自动纠正，不会发生系统死机。

（2）高速模式下刷新快，错误累积少。当微处理器中单粒子翻转发生较快时，寄存器组和高速缓存中积累了多位错，无法被自动纠正，特别是在指令Cache和REG中发生的错误被错误执行或者无法执行时，系统发生单粒子功能中断死机。试验中，开Cache模式下微处理器高速运行，快速访问Cache和REG，实现了不停刷新和更正发生的单粒子翻转错误，减少了功能中断情况的发生；反之，关Cache模式下微处理器运行较慢（为开Cache模式下的五分之一），单粒子翻转容易积累并导致功能中断。

（3）注量率较高，单粒子翻转发生快。试验在104 Hz的注量率，远高于实际太空中辐射环境的粒子通量率，因此发生累积多位错概率高，容易发生单粒子功能中断。作为对比，在较低离子注量率（103 Hz）下，功能中断错误截面约为高注量率下的1/5。

（四）微处理器系统单粒子硬错误故障模式

单粒子闩锁（SEL）效应是体硅CMOS电路中的寄生4层PNPN结构的可控硅被触发导通，在电源与地之间形成低阻抗大电流通路，导致器件无法正常工作，甚至烧毁器件的现象。由于体硅CMOS工艺自身的缺陷，会寄生双极性BJT管，比如N阱结构中，就构成了由NMOS源、P衬底、N阱及PMOS源构成的NPN-PNP结构，形成了两个三极管，当其中一个三极管正偏时，就形成了正反馈，产生闩锁。在空间辐射环境中，当有带电粒子入射到器件中时，由于电离的电子-空穴对产生的瞬时电流就可能产生闩锁效应。

CMOS器件和电路具有功耗低、噪声容限大、温度稳定性高等优点，在现代卫星中有着不可替代的地位，而随着微电子特征尺寸的不断缩小，其中很多CMOS电路（特别是大规模和超大规模CMOS电路）的SEL敏感性也会随之显著增加，因此SEL效应的防护显得尤为重要。在空间飞行任务实施时常会遇到没有抗辐射加固产品供选用或条件不允许选用的情况，此时必须采取一定的SEL效应防护设计实现空间抗辐射加固的需求。

发生SEL可能会对飞行器系统造成三方面的危害：一是器件及设备可能被SEL产生的大电流烧毁，二是设备上使用的二次电源可能被突然骤增的负载电流所损坏，三是当该器件所用二次电源受SEL影响导致输出电压变化后，使用相同二次电源的其他设备工作可能将受到影响。

目前解决闩锁的方法有很多，其中采用SOI工艺的器件就能完全避免闩锁现象的发生。SOI技术的特点是把电路制作在置于绝缘衬底的硅膜上，替代了体硅器件的硅衬底。

SOI与体硅器件相比较，SOI独特的绝缘埋氧层把器件与衬底隔开，减轻了衬底对器件的影响，消除了SEL效应，并在很大程度上抑制了体硅器件的寄生效应，充分发挥了硅集成技术的潜力，大大提高了电路的性能，工作性能接近于理想器件，被认为是制造MOS晶体管的理想衬底材料。

在对80C32进行重离子考核试验中，发现外部供电电源的电流读数上升，单片机电流增大了约200 mA，但是功能并未完全丧失，仍可以实现1553B总线通信。但在此期间内，遥测数据出错频度较高，测控单元向地检设备输出了非预期的离散指令。对深圳国微和Intel生产的80486CPU开展重离子单粒子效应辐照试验，深圳国微和Intel生产的80486CPU都会发生单粒子锁定现象，两者锁定阈值均约为5.96 MeV·cm2/mg。对Intel公司生产的商用80C3l微处理器和上海复旦微电子公司生产的80C31微处理器开展重离子辐照试验，发现Intel 80C31对重离子诱发的单粒子翻转和单粒子锁定比较敏感，而上海复旦80C31发生单粒子翻转的LET阈值大于58.96 MeV·cm2/mg，该器件对单粒子翻转不敏感，但是对锁定敏感，单粒子锁定LET阈值在5.02～13.90 MeV·cm2/mg。

深圳国微公司研制的16位1750 A微处理器，由于采用CMOS/SOI工艺，SEL阈值超过96 MeV·cm2/mg，并且单粒子翻转LET阈值也很高，超过了60 MeV·cm2/mg，属于单粒子翻转与锁定不敏感器件，体现了SOI工艺的抗辐射能力。

静态随机存储器（SRAM）作为程序与数据存储介质，是星载计算机的核心器件。静态随机存储器（SRAM）的单粒子锁定现象可能引起星载计算机运行崩溃，威胁整星运行安全。

单粒子闩锁（SEL）引发的寄生电流会造成芯片失效或烧毁，这是COTS SRAM在空间应用的主要障碍。随着特征尺寸的降低，新型辐射损伤机制与效应不断出现，经地面辐照试验证明，大部分COTS SRAM器件的实测闩锁能量阈值低于40 MeV·cm2/mg，对空间辐射环境普遍敏感，且COTS SRAM经测大量存在单粒子微闩锁（micro-SEL，mSEL）现象。

mSEL是一种不会造成芯片毁坏且掉电可修复的闩锁效应，是由空间高能粒子触发的寄生电流被限制于器件内部结构中的微闩锁现象。试验证明，发生mSEL效应的SRAM具备三类特征：电流mA级微增；存储单元发生几十至上百字节的簇型数据错误；器件局部失效。已知mSEL效应可使芯片发生局部失效，破坏数据完整性，在无mSEL检测措施的条件下，存在两种可能：①数据错误被SRAM EDAC算法屏蔽，未来空间任务的执行将伴随重大安全隐患，且局部寄生电流可影响SRAM芯片使用寿命；②数据错误超过EDAC纠错能力，必然引发整星功能失常，可带来巨大损失。故执行快速有效的mSEL检测以及时掉电恢复，是保证低等级SRAM器件可靠性乃至整星可靠性的必要手段。