李 強(qiáng) 高 潔 劉偉鑫

1 (上海航天技術(shù)研究院第509研究所 上海 200240)

2 (上海航天技術(shù)研究院第804研究所 上海 201109)3 (上海航天技術(shù)研究院第808研究所 上海 201109)

微處理器是衛(wèi)星上核心器件之一，廣泛應(yīng)用于星載計算機(jī)、有效載荷等關(guān)鍵單機(jī)上?？臻g輻射的高能質(zhì)子、重離子等會對星用微處理器造成單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，嚴(yán)重影響衛(wèi)星在軌運(yùn)行[1,2]。對單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的研究，主要有空間飛行試驗(yàn)和地面模擬試驗(yàn)兩種途徑。前者研究結(jié)果直觀準(zhǔn)確，但費(fèi)用昂貴、周期漫長；后者是較通用的研究方法。而地面模擬試驗(yàn)條件與衛(wèi)星的實(shí)際在軌情況有一定差異[3]，須將地面模擬試驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)軟件計算得到的單粒子翻轉(zhuǎn)率(靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率)與實(shí)際在軌翻轉(zhuǎn)率(動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率)進(jìn)行比較，找出二者的區(qū)別和聯(lián)系。

國外自上世紀(jì) 70年代末期起對衛(wèi)星用電子器件的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)展開了多方位大強(qiáng)度研究。在試驗(yàn)設(shè)備方面，較著名的設(shè)備有美國加州大學(xué)Berkeley分?；匦铀倨鞯萚4]；在翻轉(zhuǎn)效應(yīng)和預(yù)示方法方面，較著名的實(shí)驗(yàn)室有Brookhaven National Laboratory SEUTF、Naval Research Laboratory等，較著名的預(yù)示方法包括 CRèME方法、Space Radiation方法、FOM方法等[5]；同時，在單粒子效應(yīng)的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證方面也取得較大進(jìn)展，如TDRS-1、ERS-1衛(wèi)星的異常和故障已被確認(rèn)系由單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)引起，一些空間飛行試驗(yàn)結(jié)果也已用于驗(yàn)證地面模擬試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證工作，解答了研究人員關(guān)注的一些問題[6]。

我國目前用于衛(wèi)星用電子器件單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)研究的試驗(yàn)設(shè)備主要有中國原子能科學(xué)研究院的HI-13串列靜電加速器、中國科學(xué)院近代物理研究所的HIRAL(蘭州重離子研究裝置)、252Cf源等[4,7]。在單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)示方法方面主要還是跟蹤國外方法，進(jìn)行軟件的編制和計算工作。在運(yùn)用飛行試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證地面模擬試驗(yàn)結(jié)果方面，國內(nèi)的研究報道較少。

本文運(yùn)用程序占空比概念，研究了星用微處理器動態(tài)和靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率間的關(guān)系和轉(zhuǎn)換方法；探討了器件級和系統(tǒng)級的星用微處理器抗單粒子翻轉(zhuǎn)可靠性預(yù)示方法。

1 動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)示

1.1 動態(tài)與靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率的區(qū)別

衛(wèi)星飛行監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，星用微處理器的動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率一般低于用通用軟件包(如CREME、Space Radiation等)計算得到的靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率。其原因主要是程序占空比的影響，即星用微處理器執(zhí)行工程應(yīng)用程序時，微處理器內(nèi)部寄存器占用數(shù)據(jù)總線的時間與工程應(yīng)用程序執(zhí)行所需的全部時間之比。不同的寄存器在工程應(yīng)用程序執(zhí)行過程中具有不同的占空比，應(yīng)用程序執(zhí)行過程中還未使用的寄存器發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)，并不影響星用微處理器工作，寄存器的程序占空比低于100%。

地面模擬試驗(yàn)時，為能保守預(yù)估星用微處理器的抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力，采用的標(biāo)準(zhǔn)檢測程序應(yīng)充分調(diào)用其內(nèi)部每個寄存器單元，盡量提高寄存器使用率，保證寄存器程序占空比接近 100%，因此獲得的翻轉(zhuǎn)率是靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率，高于空間實(shí)際應(yīng)用時的動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率。

1.2 動態(tài)與靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率

理論計算和計算機(jī)仿真得到星用微處理器動態(tài)與靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率之間的關(guān)系為：

式中，Rε、R0分別為星用微處理器動態(tài)和靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率(device?1·day?1)；ε為星用微處理器各個寄存器程序占空比的平均值，ε可通過如下兩種方法計算：

(1) 重離子輻照試驗(yàn)，輻照過程中星用微處理器分別執(zhí)行工程應(yīng)用程序和標(biāo)準(zhǔn)檢測程序，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計算：

式中，Lc0、Lcr分別為星用微處理器靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)閾值和動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)閾值；σL0、σLr分別為星用微處理器靜態(tài)翻轉(zhuǎn)飽和截面和動態(tài)翻轉(zhuǎn)飽和截面。

(2) 用計算機(jī)故障注入進(jìn)行模擬試驗(yàn)，計算星用微處理器各寄存器程序占空比的平均值：

式中，E0為計算機(jī)故障注入時可觀測到的故障數(shù)量；E為計算機(jī)故障注入時的故障總數(shù)。

由式(1)、(2)、(3)，可得星用微處理器動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率與靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率間的轉(zhuǎn)化表達(dá)式為：

1.3 在軌翻轉(zhuǎn)率與標(biāo)準(zhǔn)軟件計算值的轉(zhuǎn)化驗(yàn)證

星用微處理器動態(tài)與靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率間的關(guān)系可采用計算實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。圖1給出了FY-2衛(wèi)星上 80C31微處理器利用中國原子能科學(xué)研究院的HI-13串列加速器進(jìn)行單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)時靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面和動態(tài)翻轉(zhuǎn)截面與重離子 LET值之間的關(guān)系(試驗(yàn)所用重離子種類、能量及 LET值由表 1給出)。

由圖1可得出80C31微處理器動態(tài)和靜態(tài)條件下的單粒子翻轉(zhuǎn)閾值及翻轉(zhuǎn)飽和截面分別為：a) 動態(tài)條件下：LLr=3 MeV·mg?1·cm?2，σcr= 3×10–4cm2/device；b) 靜態(tài)條件下：LL0=2 MeV·mg?1·cm?2，σc0= 3×10–3cm2/device。

根據(jù)上述結(jié)果可計算該80C31微處理器靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率和動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率，設(shè)實(shí)際空間環(huán)境為M=3(銀河宇宙射線+90%置信度下太陽耀斑最壞情形)[8]、程序占空比平均值ε=10%，使用CRèME通用軟件包可計算出該80C31微處理器的靜態(tài)粒子翻轉(zhuǎn)率R0=1.13×10–1device?1·day?1，該靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率試驗(yàn)結(jié)果與法國國家空間研究中心(CNES)對80C31微處理器的重離子輻照試驗(yàn)結(jié)果相符[9]。根據(jù)式(4)可計算出M=3天氣條件下80C31微處理器動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率Rε=2.5×10–3device?1·day?1，即1 device?1·day?1。

圖1 80C31微處理器靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面和動態(tài)翻轉(zhuǎn)截面與LET值之間的關(guān)系Fig.1 The static/dynamic upset cross-section as a function of LET of heavy ions for 80C31 microprocessor.

表1 試驗(yàn)所用重離子種類、能量及LET值Table 1 LET value of the heavy ions used in this study.

另外，應(yīng)用FOM方法[5]也可直接計算出80C31微處理器的動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率Rε=2.1×10–3device?1·day?1，即1device?1·day?1。

由以上結(jié)果看出，利用程序占空比ε根據(jù)式(4)計算出的動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率與應(yīng)用 FOM 法直接計算出的單粒子翻轉(zhuǎn)率比較吻合，驗(yàn)證了式(4)的有效性。

2 抗單粒子翻轉(zhuǎn)可靠性預(yù)示

2.1 器件級抗單粒子翻轉(zhuǎn)可靠性預(yù)示

為預(yù)估星用微處理器在軌工作期間發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的風(fēng)險，我們用“抗單粒子翻轉(zhuǎn)可靠性”描述星用微處理器在軌運(yùn)行期間不發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的概率；用“至多發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)概率”描述星用微處理器在軌運(yùn)行期間不發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和只發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)的概率之和。

通過理論計算和計算機(jī)仿真得到星用微處理器在軌運(yùn)行期間抗單粒子翻轉(zhuǎn)可靠性P0以及至多發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)的概率P1：

式中，T為星用微處理器在軌運(yùn)行壽命指標(biāo)。

2.2 系統(tǒng)級抗單粒子翻轉(zhuǎn)可靠性預(yù)示

對于星用微處理器，程序占空比的存在使動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率低于地面模擬試驗(yàn)中的靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率。在軟件設(shè)計過程中，可通過降低星用微處理器內(nèi)部各個寄存器程序占空比的平均值來降低器件的動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率，即對軟件進(jìn)行加固設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率的降低。將程序占空比分別引入式(5)和式(6)即可得到系統(tǒng)級星用微處理器在軌運(yùn)行期間抗單粒子翻轉(zhuǎn)可靠性PS0以及至多發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)的概率PS1：

2.3 應(yīng)用

表2和表3給出了加固設(shè)計前后三種不同軌道下 BX1750A星用微處理器在軌運(yùn)行期間的抗單粒子翻轉(zhuǎn)可靠性PS0以及至多發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)的概率PS1，設(shè)BX1750A星用微處理器程序占空比為5%。

由表2和表3，軟件加固設(shè)計前BX1750A星用微處理器抗單粒子翻轉(zhuǎn)率PS0最低值為 62.3%，對應(yīng)軌道參數(shù)為836 km/98.7°、5年壽命；軟件加固設(shè)計后，該軌道參數(shù)和壽命對應(yīng)的抗單粒子翻轉(zhuǎn)率PS0提高至 97.7%，而至多發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)的概率PS1從91.8%提高至99.9%。這說明，星用微處理器的軟件加固設(shè)計可有效提高其抗單粒子翻轉(zhuǎn)可靠性。

表2 加固設(shè)計前BX1750A抗單粒子翻轉(zhuǎn)可靠性PS0 、至多發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)概率PS1 Table 2 PS0 and PS1 of BX1750A before hardening design.

表3 加固設(shè)計后BX1750A抗單粒子翻轉(zhuǎn)可靠性PS0 、至多發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)概率PS1 Table 3 PS0 and PS1 of BX1750A after hardening design.

3 結(jié)語

星用微處理器的靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率反映了器件的抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力，是器件生產(chǎn)廠商最為關(guān)注的效應(yīng)參數(shù)?？臻g應(yīng)用時，星用微處理器的程序設(shè)計決定了器件的動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率，完成的功能不同，獲取的動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率也不盡相同。本文運(yùn)用程序占空比概念將星用微處理器靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率和動態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)率結(jié)合起來，對二者之間的轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了研究；將星用微處理器在軌運(yùn)行期間滿足單粒子翻轉(zhuǎn)指標(biāo)要求的概率與單粒子翻轉(zhuǎn)率和飛行壽命聯(lián)系起來，探討了器件級和系統(tǒng)級的星用微處理器抗單粒子翻轉(zhuǎn)可靠性預(yù)示方法。

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