段丙皇，杜川华，朱小锋，李 悦，陈泉佑,*

(1.中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 621999；2.中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190)

银河系宇宙射线和太阳系宇宙射线进入大气层时，将与大气原子通过多次级联反应产生中子等多种粒子[1-2]。航空航天中电子学系统的飞行高度纵跨非电离层(60 km以下)和电离层(60～1 000 km为电离层)，在该飞行高度范围内运动将累计受到一定注量的中子辐射。大气中子虽然不带电，但能与半导体器件中的材料原子发生非弹性相互作用或散裂反应在电子器件内淀积电离电荷，从而诱发单粒子效应[3]。20世纪90年代末，IBM和Boeing公司利用飞行试验测试了中子诱发器件的翻转率[4]。国内外对于半导体器件中子单粒子效应的研究主要是利用中子源产生的高能中子模拟单粒子效应[5-8]。北京大学、中国科学院物理研究所、中国科学院空间科学与应用中心等分别采用仿真方法研究了临近空间大气中子诱发电子器件的单粒子翻转(SEU)[9-10]。微处理器是各种电子学系统的核心器件，一旦发生错误将导致整个系统正常工作状态被破坏，可能产生严重后果。对于传统半导体器件，由于器件特征尺寸较大，引起器件节点翻转需要的电荷量较大，中子次级粒子在硅材料中的最大线性能量传输值(LET)不足以引发单粒子效应。然而，随着半导体制造技术的发展、器件特征尺寸不断缩小和电源电压的不断降低，使得器件节点发生翻转所需的临界电荷越来越小，处理器中子单粒子效应逐渐被重视[10-14]。

本文研制一套微处理器中子单粒子效应测试系统，可全面、准确地对微处理器的电源电压、多种存储资源、内部功能和接口模块进行监测。基于NG-11加速器中子源设备，对被测微处理器开展14 MeV中子单粒子效应辐照试验，研究获得器件中的敏感模块和器件的中子单粒子效应截面。

1 单粒子效应测试系统设计

1.1 硬件设计

微处理器属于功能复杂的大规模集成电路，需研制专用的测试系统来监测其内部各单元模块是否发生单粒子效应。为使监测电路尽量不受中子辐照的影响，采用子母板的形式进行测试系统设计。图1为TM4C1294NCPDT型微处理器设计中子单粒子效应测试系统示意图，主要由上位机、直流电源、主控母板、被测子板和通信线缆组成。被测子板和主控母板均放置到辐照室内，被测子板放置在靠近中子源的位置。主控母板通过1 m短线与子板连接，放置在远离中子源的位置，并采取铅砖进行辐射屏蔽。上位机和直流电源放置于测试大厅，通过60 m的长线与主控母板连接。

图1 中子单粒子效应测试系统示意图Fig.1 Application scenario for single event effect monitoring system

主控母板是整个测试系统的控制核心，其硬件设计方案如图2所示，由2片监控微控制器(MCU)、电源转换芯片、电压/电流监视器和其他外围电路组成，其主要实现对待测器件电源和功能的控制监测。主控母板采用电源模块将外部输入的24 V直流电源转换为2路独立电源：1路用于为功能监控MCU供电、1路用于为待测子板供电。电源监控MCU通过串口将电压/电流监视器采集到的输出电压/电流数据上传到上位机，当检测到采集的电压/电流数据超过设定的器件电流阈值参数，电源监控MCU通过控制继电器模块实现对待测器件电源的定时断电和定时上电功能。采用1片功能监控MCU通过切换多路复用器和模拟开关的不同通道，实现对被测MCU器件多个模拟模块、多路通用异步接收/发送装置(UART)和集成总线通信(I2C)接口的功能控制；功能监控MCU通过控制器局域网络总线(CAN)和通用输入/输出(GPIO)接口实现对被测器件CAN和GPIO接口的功能控制。

图2 主控母板硬件设计方案Fig.2 Hardware design scheme of master control board

1.2 软件设计

测试系统软件主要包括电源监控MCU程序、功能监控MCU程序及上位机控制程序。

1)电源监控MCU程序

电源电流检测电路由电源监控MCU、电压/电流监视器和继电器组成。电压/电流监视器用于监视系统温度、电压和电流，其采样率为14 kHz，电流检测范围为0～2 A，检测精度为0.19 mA/bit。电源监控MCU程序每秒读一次电压/电流监视器采集到的数据，并通过串口将采集到的数据上传到上位机。当检测到采集的电压/电流超过设定的器件阈值参数(电流阈值设定为200 mA，约为器件正常工作电流的3倍)，电源监控MCU通过控制继电器实现对待测器件电源的定时通断，防止单粒子闩锁(SEL)对器件造成物理损坏。

2)功能监控MCU程序

功能检测电路由功能监控MCU、多路复用器和模拟开关组成。被测TM4C1294NCPDT型微处理器的片上资源主要有：可擦编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器(FLASH)、模数转换器(ADC)、UART、I2C、CAN、GPIO等单元模块，针对各单元模块的测试控制程序如下。

(1)EEPROM/FLASH测试：由功能监控MCU控制被测MCU的UART接口，实现对被测MCU内部EEPROM/FLASH不同地址空间存储数据的回读操作，并与正确值(默认为55)进行比对分析。

(2)ADC测试：功能监控MCU产生1路模拟信号给4通道多路复用器，并输出到被测MCU的不同模拟输入通道，通过检测模数转换的结果，实现对被测MCU的ADC功能测试。

(3)UART测试：功能监控MCU控制多路复用器，实现对被测MCU内部的4个UART模块数据收发的轮询测试。

(4)I2C测试：功能监控MCU控制双向转换开关，实现对被测MCU内部的8个I2C模块数据收发的轮询测试。

(5)CAN测试：由功能监控MCU的CAN接口直接调用被测MCU内部的CAN模块，实现对被测MCU内部的CAN模块数据收发的功能测试。

(6)GPIO测试：功能监控MCU的GPIO接口直接调用被测MCU内部的GPIO接口，实现对被测MCU内部的GPIO接口数据收发的功能测试。

(7)算术逻辑单元(ALU)运算功能测试：被测MCU循环执行加、减、乘、除运算功能，由功能监控MCU控制被测MCU的UART接口完成对被测MCU不同运算数据的输入和运算结果的输出数据监测，实现对被测MCU ALU运算功能的测试。

(8)快速傅里叶变换(FFT)测试：功能监控MCU控制被测MCU的UART接口完成对被测MCU快速傅里叶变换运算结果的输出功能，实现对被测MCU运算功能的测试。

微处理器在执行任务过程中会同时调用运算单元、控制单元、存储单元以及输入输出等多个单元。当微处理器出现中子单粒子效应时，需要根据出错现象，结合正在执行的测试内容以及自动生成的日志等，共同判断单粒子效应发生的具体单元模块。如ADC模块测试时，微处理器接收到ADC测试指令后，依次检测每个ADC通道数模转换结果，并将检测结果通过UART接口传递给监控MCU。当发现某个ADC通道数模转换结果总出错，则可判断为该ADC模块发生了单粒子效应；若辐照过程中ADC各通道数模转换结果全出错，且辐照停止后ADC测试正常，则单粒子效应发生在UART接口模块；若辐照过程中和辐照停止后，均检测到ADC转换结果错误，则发生单粒子效应的位置可能是微处理器内部程序储存器。

3)上位机控制程序

上位机控制程序采用LabVIEW进行设计，主要实现人机交互界面、参数配置、测试初始化、测试程序管理及结果显示与保存等功能。

2 中子单粒子效应辐照试验验证

2.1 14 MeV中子辐照试验条件

利用研制的中子单粒子效应测试系统，在中国工程物理研究院核物理与化学研究所的NG-11加速器中子源上进行辐照试验。该源利用氘氚核反应产生能量为14 MeV的中子，全空间中子注量率为1.0×1011cm-2·s-1，辐照试验中被测子板固定于距源16 cm处，该位置中子注量率为3.1×107cm-2·s-1。子板中心法线指向中子源，由器件尺寸引起的辐照注量均匀性<5%。中子单粒子效应辐照试验流程如图3所示，正常启动测试软件后，自动循环执行微处理器测试序列，并开始中子辐照。测试过程中测试系统通过运行测试序列监测处理器状态，测试内容包括Operator、FFT、ADC、UART、I2C、CAN、GPIO、片上Flash和片上EEPROM。当测到处理器某一功能模块单元出现单粒子效应后，记录试验现象和对应的累积中子注量。

图3 中子单粒子效应辐照试验流程Fig.3 Experimental test flow of neutron-induced single event effect

2.2 试验结果与分析

累积中子注量为3.5×1011cm-2的14 MeV中子辐照条件下，中子单粒子效应测试系统总共捕获到23次中子单粒子效应现象，发生单粒子效应的单元模块及次数列于表1。I2C、ADC和FFT等功能模块及内部Flash和EEPROM存储单元均出现中子单粒子效应，其中，I2C出现单粒子效应的频率最高(9次)，属于中子辐射最敏感单元。

表1 微处理器中子单粒子效应试验结果Table 1 Detected single event effect event in tested microprocessor

测试系统从上电后开始辐照，到出现第1个中子单粒子效应的最低中子注量为1.4×109cm-2。杨善潮等[11]总结了大量中子辐照试验结果，发现西安反应堆脉冲工况下的静态随机存取存储器(SRAM)翻转效应与稳态工况下相同，仍然是独立单粒子事件简单叠加造成的，反应堆实验条件下脉冲和稳态中子单粒子效应不存在效应机理层面的差异。因此，本试验观察到的辐射效应仍为中子单粒子效应，而不是位移损伤效应。试验结果表明，被测微处理器中ALU和FFT运算模块发生了单粒子效应后，未影响其他单元的正常工作。这表示入射粒子大概率打在了被测微处理器内部逻辑运算单元中的寄存器，该寄存器数据出错只会影响单次计算的结果。

图4、5分别为I2C功能模块单元出现单粒子效应的测试软件及器件工作电流变化曲线的截图。由图4可看出，测试系统循环执行测试序列到第7轮次时，前4路I2C测试结果为通过(PASS)，第5路I2C测试结果为失败(FAIL)，随后剩余3路测试测结果也为失败。这表示第5路I2C在测试过程中发生了单粒子效应，并导致整个I2C模块功能失效。图5为软件捕获的器件发生单粒子效应时工作电流的变化，在单粒子效应发生时刻，器件工作电流从约80 mA下降至65 mA左右。由上述试验结果可知，1路I2C测试序列出错，会导致后续其他路I2C测试出错，且会伴随有器件工作电流的局部下降现象。通过分析TM4C1294NCPDT型微处理器内部I2C的结构和工作原理可知，I2C通过数据线(SDA)和时钟线(SCL)进行接口间、外部随机存储内存(RAM)和只读内存(ROM)等I2C通信器件间的双向数据传输。1个I2C测试序列出错，后续其他I2C测试也会出错，这说明发生单粒子效应的位置可能不在某一个通道上，而是I2C模块的功能控制单元。微处理器内部I2C模块包含数据缓存寄存器、状态控制寄存器和通道选择控制寄存器等，当入射粒子打在数据缓存寄存器或状态控制寄存器时，会使得I2C传输数据错误或功能失效，而在I2C功能失效的情况下，被测微处理器处于静止状态，会导致器件工作电流出现下降。

图4 I2C发生单粒子效应的测试软件截图Fig.4 Screenshot of testing software when single event effect occurs in I2C unit

图5 I2C发生单粒子效应时处理器工作电流变化曲线Fig.5 Device working current change when single event effect occurs in I2C unit

图6为微处理器内部EEPROM发生单粒子效应时测试系统自动生成的日志，可看出，在整个存储单元内很多行与列同时发生了翻转，表现出爆发式错误的现象。这种出错模式与常规SRAM的单粒子表现形式不同，并没有表现出单位翻转、多位翻转或多单元翻转的特点，这与一些动态随机存取存储器(DRAM)的单粒子效应模式有点类似，说明发生单粒子效应的位置应为微处理器EEPROM外围的控制逻辑。

图6 EEPROM发生单粒子效应时测试系统自动生成的日志Fig.6 Automatically generated single event effect record for EEPROM

对于整个被测微处理器，器件的单粒子效应截面等于发生单粒子事件的次数除以总的累积中子注量。理论上，统计的单粒子事件数越多，截面计算值越准确。实际试验过程中，随着氘氚核反应对靶的消耗，加速器源提供的中子辐射场时间有限，只能进行有限轮次的测试试验。根据表1列出的试验结果，可算出微处理器单粒子效应截面σ为：

根据试验结果可知，微处理器在14 MeV中子辐照条件下发生中子单粒子效应的截面约为6.6×10-11cm2，最敏感单元为I2C。需注意的是，微处理器的单粒子效应截面还与器件运行状态和程序占空比有关，程序占空比越高，越易发生单粒子效应[15]。

3 结论

基于ARM架构的处理器设计了一款监测微处理器中子单粒子效应的测试系统。该测试系统可监测被测微处理器中Operator、FFT、ADC、UART、I2C、CAN、GPIO、片上Flash和片上EEPROM等功能单元或存储单元的工作状态是否正常，并检测器件工作电压电流随时间的变化。利用研制的单粒子效应测试系统在加速器14 MeV中子源上进行中子辐照验证试验。累积中子注量为3.5×1011cm-2辐照条件下，测试系统监测检到CMOS 65 nm工艺的TM4C1294NCPDT处理器共发生23次中子单粒子效应。I2C为敏感模块单元，共发生9次单粒子效应。通过辐照试验证明了测试系统的可靠性，估算了TM4C1294NCPDT处理器的14 MeV中子单粒子效应截面约为6.6×10-11cm2。