戈 勇，高 一，梅 博，于慶奎，孫 毅，張洪偉

（1.南京理工大學 自動化學院，南京 210094； 2.航天材料及工藝研究所，北京 100076；3.中國航天宇航元器件工程中心，北京 100029）

0 引言

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，星載系統(tǒng)對信息存儲和處理提出越來越高的要求，高可靠、高性能的存儲器成為宇航系統(tǒng)核心器件之一[1]。早在20世紀70年代，磁阻式隨機存儲器（magneto-resistive random access memory,MRAM）的概念就已經(jīng)被提出，但直到1995年隧道磁阻（tunneling magnetoresistance,TMR）效應被發(fā)現(xiàn)，才使得MRAM具備了實用前景[2]。MRAM 記憶狀態(tài)的保持是依靠磁矩的方向而不是電荷，這種記憶保存的非易失性使得MRAM具有非揮發(fā)性，在抗電離輻射方面具備先天的優(yōu)勢，加之MRAM存儲器所具有的低功耗、高密度等特點，使其成為宇航用存儲器的重點關(guān)注對象。研究MRAM的抗輻射特性，有助于評估其空間適用性，為預測在軌輻射效應提供依據(jù)，同時為空間系統(tǒng)設(shè)計人員使用MRAM提供必要的參考。

本文利用中國原子能科學研究院HI-13串列靜電加速器對某公司生產(chǎn)的MR0A08BCYS35型MRAM存儲器進行了重離子單粒子效應試驗，并進行了試驗結(jié)果分析；使用中國航天宇航元器件工程中心（CACEC）自主研發(fā)的元器件輻射效應在軌預計軟件Fore CAST，對該存儲器的在軌翻轉(zhuǎn)率進行了預計，給出了具體的應用建議。

1 MRAM工作原理分析

目前，主流的MRAM利用巨磁阻效應（giant magneto-resistance,GMR）和磁性隧道結(jié)（magnetic tunnel junction,MTJ）的隧穿電阻效應來進行存儲。以MTJ為例，其元胞結(jié)構(gòu)包括自由層、隧道層和固定層3個層面（如圖1所示）。自由層的磁場極化方向是可以改變的，而固定層的磁場方向是固定不變的，在電場作用下，電子會隧穿絕緣層勢壘而垂直穿過器件，電流可隧穿的程度及MTJ的電阻均由2個磁性層的相對磁化方向來確定[3]。當自由層的磁場方向與固定層的磁場方向相同時，存儲單元呈現(xiàn)低阻態(tài)“0”；當兩者磁場方向相反時，存儲單元呈現(xiàn)高阻態(tài)“1”。MRAM器件通過檢測存儲單元電阻的高低來判斷所存儲的數(shù)據(jù)是“0”還是“1”。

圖1 MTJ結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of MTJ structure

典型的存儲單元電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，一般是由1個NMOS管與MTJ單元集成在一起。NMOS管的柵極連接到存儲陣列的字線（word line,WL），源（漏）極通過源極線（source line,SL）與MTJ的固定層相連；而連接到MTJ自由層上的連線為存儲陣列的位線（bit line,BL）。在位線和源極線之間施加不同的電壓，產(chǎn)生流過磁隧道結(jié)的寫入電流（Iwrite），Iwrite可改變磁隧道結(jié)自由層的磁化方向，使隧穿電阻變化，完成“0”和“1”的存儲[4-5]。MRAM電路的讀取機制是電流從位線流入，并通過MTJ和MOS管輸出，電壓的大小同樣依賴于MTJ 電阻的高低，相同讀取電流下所產(chǎn)生的輸出電壓不同。根據(jù)輸出電壓就可以判斷存儲單元所儲存的數(shù)據(jù)是“0”還是“1”。

圖2 MRAM工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of MRAM working principle

1個MTJ和1個MOSFET（即1T1M）結(jié)構(gòu)構(gòu)成MRAM基本的存儲單元，眾多存儲單元又組成存儲陣列，一般的MRAM電路除存儲陣列之外還有相應的外圍電路。如圖3所示，存儲器外圍電路主要包括靈敏放大器、譯碼電路、讀/寫控制電路等。與SRAM等存儲器類似，靈敏放大器主要用來對位線信號進行放大?？梢姵舜鎯﹃嚵兄猓鈬娐肪刹捎门c傳統(tǒng)工藝兼容的CMOS電路進行設(shè)計制造。

圖3 典型存儲單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of MRAM memory cell

2 MRAM重離子單粒子效應試驗

2.1 試驗樣品

選取MR0A08BCYS35型MRAM作為試驗樣品，其存儲容量為128 kByte×8 bit，功能如圖4所示。該存儲器工作電壓3.0～3.6 V，數(shù)據(jù)寬度32 bit，快速讀寫周期35 ns，并且與傳統(tǒng)SRAM時序兼容，無須重新設(shè)計控制器。

試驗樣品共2只，編號分別為16#、17#，試驗前先進行開帽處理，露出內(nèi)部芯片。該樣品為單片MRAM，開帽處理后可以直接進行重離子輻照試驗。其試驗結(jié)果可作為疊層封裝MRAM的參考依據(jù)，即以基片抗輻射能力評估疊層封裝MRAM器件的抗輻射能力；但考慮到空間單個粒子入射可能穿透多層芯片，會導致多位翻轉(zhuǎn)等錯誤，因此疊層封裝MRAM的抗單粒子能力評估需單獨進行，本文僅論及單層封裝的MRAM器件。

圖4 MR0A08BCYS35型MRAM存儲器功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Schematic diagram of MRAM memory MR0A08BCYS35

2.2 試驗測試

根據(jù)存儲器的讀寫時序訪問特性，利用FPGA和S689-T處理器芯片進行控制。通過FPGA適當調(diào)整S698-T芯片的外部I/O總線時序，實現(xiàn)存儲器讀寫時序的精確操作。如圖5所示，F(xiàn)PGA自定義一個可以掛載MRAM存儲器的總線接口ABUS，該接口為通用接口，也可以掛載其他類型存儲器，接口信號如表1所示。通過線性地址對存儲器進行訪問，完成讀寫功能并統(tǒng)計單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)、定位單粒子效應發(fā)生位置。

圖5 MRAM單粒子檢測系統(tǒng)接口示意Fig.5 The external interfaces of MRAM SEE testing system

表1 ABUS接口信號說明Table 1 The portal signal of ABUS

控制FPGA內(nèi)部連接如圖6所示，S689-T處理器的I/O時序完全可滿足MRAM的接口要求，因此，在FPGA內(nèi)部只要簡單地把相應的控制線和數(shù)據(jù)線相連就可以了。另外需要設(shè)計一個片選寄存器，用來區(qū)分MRAM存儲器的16個片選。每個片選可以訪問的空間為128 MByte，片選寄存器的地址為(基址+0x0FFFFFFC)，設(shè)在S698-T I/O總線的最高地址位。

圖6 控制FPGA內(nèi)部連接示意圖Fig.6 Internal interfaces for controlling FPGA

存儲器測試一般包含如下步驟：測試存儲器的數(shù)據(jù)線；測試存儲器的地址線；以棋盤格的方式填充存儲器的所有地址空間，并讀出一一驗證。存儲器的SEU測試包括靜態(tài)讀寫、靜態(tài)寫動態(tài)讀、動態(tài)讀寫3種方式，其中靜態(tài)讀寫是指測試之前將所有數(shù)據(jù)寫入存儲器，然后進行單粒子輻照，輻照至規(guī)定注量后一次讀取存儲器內(nèi)容，并判定和記錄發(fā)生的翻轉(zhuǎn)等錯誤數(shù)；靜態(tài)寫動態(tài)讀是指測試之前寫入測試數(shù)據(jù)，然后進行單粒子輻照，輻照過程中按照一定頻率不停地讀取存儲器內(nèi)數(shù)據(jù)，同時判定和累計記錄翻轉(zhuǎn)等錯誤數(shù)；動態(tài)讀寫是指在單粒子輻照過程中，按照一定的頻率進行循環(huán)的“寫入—讀出”操作，并在每一循環(huán)周期內(nèi)判定和累計記錄翻轉(zhuǎn)等錯誤數(shù)。

MRAM是非易失存儲器，若連續(xù)2次讀取在同一位置均發(fā)生翻轉(zhuǎn)，無法區(qū)分是外圍電路翻轉(zhuǎn)還是存儲單元被單粒子連續(xù)打翻2次，因此SEU測試采用動態(tài)讀寫模式，而且每次寫入后進行多次讀取，直到連續(xù)2次讀取均發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)再進行下一次寫入。每一個步驟都要打印測試結(jié)果，通過RS232接口輸出給上位機顯示。具體來講就是首先寫入數(shù)據(jù)，然后在離子束輻照過程中連續(xù)讀。

第1步是數(shù)據(jù)線的測試，逐位檢測數(shù)據(jù)線的每一個位。以8位的數(shù)據(jù)線為例，從0地址開始，連續(xù)向存儲器開始的8個單元依次寫入1,2,4,8,···,27，再從0單元依次讀取其中的值；如果讀出的值與寫入的值不符，則相應的數(shù)據(jù)線連接不正常，需要打印出出錯的位置，以便檢修。

第2步是地址線的測試，逐位測試每一根地址線。以27根地址線為例，連續(xù)向地址單元1,2,4,8,···,2n-1分別寫入固定值1,2,3,···,n，其中n取值范圍為1～27，再逐個讀出各地址單元的值，檢查其是否與寫入的值一致，如果不符則打印出出錯的地址線位置。

只有上述2步測試正常通過以后，方可進入第3步的測試。

第3步是連續(xù)向地址單元0,1,2,3,···,n依次寫入0x55,0xAA，其中n是整個空間的最后一個地址單元，再依次讀出所有的地址單元值，一一進行比較，如果全部正確則第3步測試通過。如果中途有翻轉(zhuǎn)，則記錄下翻轉(zhuǎn)位的位置，再重新依次讀出所有的地址單元值，一一進行比較，若之前的翻轉(zhuǎn)恢復則記錄1次瞬態(tài)翻轉(zhuǎn)，第3步測試通過；若之前的翻轉(zhuǎn)依然發(fā)生，則記錄1次SEU，并重新寫回原來的棋盤格數(shù)據(jù)，最終統(tǒng)計并打印出測試結(jié)果（翻轉(zhuǎn)次數(shù)和翻轉(zhuǎn)位置）。第3步的測試一直反復循環(huán)。

2.3 單粒子試驗

利用中國原子能科學研究院HI-13串列靜電加速器上的F、Cl、Ge離子對MR0A08BCYS35型MRAM存儲器進行單粒子輻照試驗，離子種類、LET值、射程等參數(shù)見表2所示。選取16#、17#共2只樣品進行單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定效應試驗。

表2 試驗用的重離子及其特性Table 2 The heavy ion of SEE test

2.3.1 單粒子翻轉(zhuǎn)試驗

對被測器件進行單粒子翻轉(zhuǎn)測試時，電源電壓（VDD）為3 V。測試系統(tǒng)向被測器件提供運行程序，使其處在工作狀態(tài)，同時還能監(jiān)測被測器件對單粒子翻轉(zhuǎn)的敏感性。器件的單粒子翻轉(zhuǎn)檢測通過實時監(jiān)測芯片輸出與預設(shè)標準數(shù)據(jù)比對的方式進行。輸入對應的配置激勵，器件接收外部串行數(shù)據(jù)并將其分配到后端4路驅(qū)動器，產(chǎn)生相應的并行控制信號；器件回收并行控制信號并將其轉(zhuǎn)換為串行信號后轉(zhuǎn)發(fā)，然后實時采集芯片輸出數(shù)據(jù)與預設(shè)的標準數(shù)據(jù)進行比對：一致即認為工作正常，沒有發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)；反之則認為發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)，記錄單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)并通過串口發(fā)回上位機。單粒子翻轉(zhuǎn)計數(shù)達到100次，或累積注量達到1×107cm2（以先到者為準），則停止輻照。

MR0A08BCYS35型MRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)包括2種，其中一種是瞬態(tài)翻轉(zhuǎn)，即第1次讀取發(fā)現(xiàn)SEU錯誤，第2次再讀取不發(fā)生錯誤；另一種是連續(xù)2次讀取均發(fā)生SEU錯誤。瞬態(tài)翻轉(zhuǎn)是由于單粒子瞬態(tài)（SET）導致邏輯電路產(chǎn)生的瞬態(tài)錯誤，不會傳輸?shù)酱鎯?jié)點對存儲狀態(tài)產(chǎn)生影響?？紤]到在軌單粒子入射的概率遠低于地面模擬試驗時的，通過刷新等操作可以避免該類錯誤，不會影響MRAM器件在軌的應用，因此瞬態(tài)錯誤在此處不再分析討論，僅作為參考數(shù)據(jù)在表3中給出。

表3 MR0A08BCYS35型MRAM單粒子效應試驗結(jié)果Table 3 SEE result of MRAM MR0A08BCYS35

本研究試驗數(shù)據(jù)中的SEU數(shù)統(tǒng)計的是由測試系統(tǒng)連續(xù)2次讀取均發(fā)生翻轉(zhuǎn)的錯誤。由于試驗所用的單粒子翻轉(zhuǎn)測試模式是通過實時監(jiān)測芯片輸出與預設(shè)標準數(shù)據(jù)比對的方式進行，所以這種翻轉(zhuǎn)錯誤可能是存儲位錯誤，也可能是由于地面加速器離子輻射密度高，而讀取頻率低于離子2次入射的時間差，在2次讀取之間讀寫電路再次被單粒子打翻，從而導致的讀寫電路的連續(xù)錯誤。通過對MRAM存儲單元結(jié)構(gòu)的分析可知，數(shù)據(jù)寫入之后，其數(shù)值取決于MTJ的磁阻狀態(tài)，單粒子入射產(chǎn)生瞬態(tài)電流不會影響MTJ的磁阻狀態(tài)，因此，MRAM的存儲單元不會發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。但是，MRAM器件外圍讀寫電路采用CMOS工藝制造，進行串行讀寫的時候，外圍讀寫電路在重離子輻照下可能產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)，因此，本研究試驗中統(tǒng)計的SEU數(shù)（即表3中的SEU數(shù)）應該是外圍電路的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)。

2.3.2 單粒子鎖定試驗

對被測器件進行單粒子鎖定測試時，一般選取器件的最高工作電壓。該被測器件的最高電源電壓為3.6 V。對器件進行功能測試，實時監(jiān)測電源電流并保存記錄。器件的工作電流突然大于設(shè)定值（如正常工作電流的1.5倍）且器件功能異常時，認為器件發(fā)生單粒子鎖定；若電流增大但器件功能未發(fā)生異常，則需要手動刷新直到電流恢復正常。器件發(fā)生單粒子鎖定時，要求系統(tǒng)能夠遠程切斷器件供電電源。

2.4 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

MR0A08BCYS35型MRAM的單粒子效應試驗在常溫大氣環(huán)境下進行，試驗過程中實時監(jiān)測器件單粒子翻轉(zhuǎn)和工作電流，試驗結(jié)果參見表3。

試驗發(fā)現(xiàn)，在LET值為4.2 MeV·cm2/mg的F離子輻照下，MRAM器件未發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)；在LET值為13.1 MeV·cm2/mg的Cl離子輻照下，MRAM器件均有單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生；在LET值為37.3 MeV·cm2/mg的Ge離子輻照下，MRAM器件均未發(fā)生單粒子鎖定現(xiàn)象。MRAM存儲單元采用NMOS管與MTJ集成工藝，物理上不存在PNPN寄生結(jié)構(gòu)，不會產(chǎn)生單粒子鎖定效應[6-7]；但外圍讀寫電路依然采用CMOS工藝制造，存在發(fā)生單粒子鎖定的風險，因此需在設(shè)計上進行加固[8]。根據(jù)試驗結(jié)果，在LET值為37.3 MeV·cm2/mg的Ge離子輻照下，MRAM器件未發(fā)生單粒子鎖定現(xiàn)象，可見其單粒子鎖定閾值大于37 MeV·cm2/mg，而其發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的LET閾值大于4.2 MeV·cm2/mg。

3 在軌單粒子翻轉(zhuǎn)率預估及應用建議

由表3，在Ge離子（LET=37.3 MeV·cm2/mg）的輻照下，SEU數(shù)一共是1 768，翻轉(zhuǎn)截面為1.51×10-4cm2/器件；在Cl離子（LET=13.1 MeV·cm2/mg）的輻照下，SEU數(shù)為32，翻轉(zhuǎn)截面為1.60×10-6cm2/器件；在F離子（LET=4.2 MeV·cm2/mg）的輻照下，SEU數(shù)為0。可見當入射重離子LET從37.3 MeV·cm2/mg下降至13.1 MeV·cm2/mg的過程中，SEU數(shù)迅速減少2個數(shù)量級；而當重離子LET下降至4.2 MeV·cm2/mg時，不再發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。因此，可以認為MR0A08BCYS35型MRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)的LET閾值大于4.2 MeV·cm2/mg；而從翻轉(zhuǎn)截面迅速減小的趨勢可以判定，在LET從13.1 MeV·cm2/mg增大到37.3 MeV·cm2/mg的過程中必然存在“拐點”，也即SEU數(shù)的增長從“上升”趨勢轉(zhuǎn)為“平緩”趨勢，因此可以認為LET=37.3 MeV·cm2/mg之后，MRAM的翻轉(zhuǎn)截面9.38×10-8cm2/器件即可認為是其單粒子翻轉(zhuǎn)飽和截面。

利用中國航天宇航元器件工程中心具有自主知識產(chǎn)權(quán)的單粒子翻轉(zhuǎn)在軌預計軟件Fore CAST計算MR0A08BCYS35型MRAM的單粒子在軌翻轉(zhuǎn)率。器件的單粒子翻轉(zhuǎn)閾值取4.2 MeV·cm2/mg，飽和截面取9.38×10-8cm2/器件，選用GEO，Adams 90%最壞情況，3 mm等效Al屏蔽模型，計算獲取該MRAM的在軌翻轉(zhuǎn)率為6.0×10-4次/(器件·天)，也即4.57年翻轉(zhuǎn)1次。這里需要注意的是，該翻轉(zhuǎn)率忽略了SET的影響，在高頻應用的時候，應謹慎考慮SET在存儲節(jié)點間傳輸造成的影響。

存儲器作為存儲程序代碼和數(shù)據(jù)的主要器件，在航天器中有著廣泛應用。不同類型存儲器在軌使用過程中的注意事項也不完全相同，例如，SRAM型存儲器需要注意信號完整性問題，以免由于輸入信號抖動觸發(fā)內(nèi)部電路動作，造成誤讀寫操作；FLASH器件需注意器件擦寫的時間離散性問題等。MRAM器件作為宇航應用時，除了正常的電性能與參數(shù)指標需要關(guān)注外，更應該注意其單粒子翻轉(zhuǎn)效應，并針對存儲區(qū)和外圍電路的不同類型的翻轉(zhuǎn)設(shè)計不同的加固方式，例如，針對MRAM存儲器單粒子翻轉(zhuǎn)閾值較高，可通過多次讀出來判斷是否有單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤，也可以通過EDAC（錯誤監(jiān)測與糾正）對于單粒子翻轉(zhuǎn)造成的誤碼進行檢錯和糾錯，從而達到器件在軌可靠使用的目的。

4 結(jié)束語

通過對MR0A08BCYS35型MRAM進行重離子單粒子效應試驗，獲取了器件在Ge、Cl、F等離子輻照下的試驗數(shù)據(jù)，分析了MRAM的抗單粒子輻射能力。存儲單元部分MTJ具有天然的抗輻射特性，但是MRAM中CMOS外圍電路易受輻射效應影響。因此MRAM與SRAM等存儲器不同，由于主要是外圍電路易受影響，其抗單粒子能力無法通過EDAC等方法進行加固，但存儲單元不會受單粒子輻射影響，完全可以通過定時刷新等軟件加固方法進行加固，進而在節(jié)省硬件開銷的情況下實現(xiàn)抗單粒子加固。此外，也可以針對外圍CMOS電路的特殊性，進行設(shè)計加固，從而達到整體提升MRAM抗單粒子輻射能力的目的。