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蘇州萊瑞測信息科技有限公司

從抗輻射到耐輻射:如何打造強韌耐輻射系統

?? 2021-12-01 安規與電磁兼容網Troy Jones1440
本文導讀:微電子或集成電路 (IC) 是許多前沿應用的核心,其工藝進步直接影響各種應用的創新。但在機器人、太空探索、航空航天、核電站、精密檢測、醫學成像、甚至環境保護和食品安全等應用中,工藝的先進性并不是全部,輻射是
微電子或集成電路 (IC) 是許多前沿應用的核心,其工藝進步直接影響各種應用的創新。但在機器人、太空探索、航空航天、核電站、精密檢測、醫學成像、甚至環境保護和食品安全等應用中,工藝的先進性并不是全部,“輻射”是這些領域的 IC 需要解決的核心問題。輻射可能會導致機器人發生故障,使醫學成像不準確,或者工業應用機器出現停轉等等。
 
對于 IC 設計師來說,在所有上述應用中,宇宙空間應該說是最具挑戰性的應用場景。失去地球大氣層的保護,電子系統在阿爾法 ( Alpha ) 和貝塔 ( Beta ) 粒子、伽馬 ( Gamma ) 和 X 射線以及銀河宇宙輻射等高能(電離)輻射面前,相當脆弱,所以能夠抗衡此類輻射的航空級IC 代表了防輻射IC 技術的塔尖。 
 
電離輻射有足夠的能量讓電子脫離軌道。如果這個電子代表存儲器中的一個數位或總線接口上的一個值,該值就可能被改變或“翻轉”。這種狀況有多種叫法,包括單粒子效應 (SEE)、單粒子翻轉或單粒子閂鎖。無論具體叫什么,如果錯誤的數位發生翻轉,例如應用代碼中的指令或寄存器中的控制數位,整個系統就會崩潰。
 
耐輻射 (Radiation-tolerant)和抗輻射加固 (Radiation-hardened)的區別
 
為了在宇宙空間中運行,電子系統需要具有防范輻射風險的能力。某些 IC 制造商采用標準半導體晶圓中加入防護襯底的方式提供“ 加固 ( hardened ) ”組件。雖然抗輻射加固 IC 具有更強的耐輻射能力,但卻不能徹底免疫。與此同時,因為抗輻射芯片設計要求更復雜且產量更低,因而價格也明顯更加昂貴。
 
此外,即便所需要的組件可以被設計成抗輻射加固IC,因為其投產速度的滯后性,也阻礙了航天器設計人員對抗輻射加固 IC 選用。
 
在遭遇電離輻射時,除了采用抗輻射加固IC的設計方法提供抗輻射能力,設計人員還可以通過運用器件和設計方法進行檢測并予以糾正。
 
這就是所謂的耐輻射。
 
這種方法的主要優勢在于,可以將大量組件都制作成耐輻射組件。例如,眾多存儲器技術采用糾錯碼技術來檢測和糾正存儲器內的位翻轉。
 
三重模塊冗余
 
如果寄存器內發生了位翻轉,或由存儲器檢索的數據在總線接口傳輸的過程中發生了翻轉,對此類事件進行檢測則極為復雜。開發者通常使用三重模塊冗余技術?。╰riple modular redundancy, TMR)來檢測和糾正此類性質的事件。通過TMR,主要電路采用完全相同的設計提供并行三冗余,由“票決”電路比較這些相同路徑的輸出,按少數服從多數的原則決定輸出。(參見圖 1)
 
如果其中一條電路遭遇影響輸出的事件,其輸出將不同于其余兩條電路的輸出。如果只使用兩條完全相同的電路進行比較,輸出不同將提示有事件發生,但無法辨別具體發生在哪條電路上。
 
哪個輸出是正確的?使用三條電路,可以確定正確的輸出(可以進行合理假設,在兩條電路上發生完全相同的 SEE 的概率基本為零)。
 
開發者隨即可以采納多數輸出或重新評估設備運行。大量 OEM 廠商對自己的設計采用定制 IC,因此為了實現 TMR,他們在電路板上并行布局 IC 的三個副本并追加一個投票器 IC。
 
 
圖 1:采用三模冗余的情況下,使用“票決”電路對并行的三個相同的電路開展評估,確保電路產生正確(大多數)輸出。
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