一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法

摘要

本发明一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法，涉及一种基于加速器试验数据的系统单粒子防护效果验证的重离子和质子等效试验验证领域；包括：(1)采用基于LET值确定的地面加速器重离子试验；(2)分析质子静态翻转截面；(3)分析系统在任意工作模式下的敏感位因子；(4)分析系统在重离子辐照下的动态翻转截面；(5)分析系统在质子辐照下的动态翻转截面；本发明提供一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法，该方法可用于单粒子防护效果验证，解决国内加速器时间紧张以及难以实现高能质子试验的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于加速器试验数据的系统单粒子防护效果验证的重离子和质子等效试验验证领域，特别是一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法。

背景技术

卫星运行空间中的重离子和质子会在半导体逻辑器件中产生单粒子效应，为保障卫星在轨可靠稳定运行，须对系统进行单粒子效应防护设计，为保障防护设计效果的有效性，一般须进行单粒子软错误防护设计效果验证，确认系统单粒子错误率满足要求。

大规模逻辑器件规模大，发生单粒子效应的阈值一般比较低，在卫星运行过程中发生单粒子的风险比较大，因此更需要进行单粒子软错误防护设计，并对系统防护设计效果进行验证。

针对系统单粒子软错误防护设计效果进行验证，最直接的手段是采用地面加速器粒子源，模拟空间粒子环境对系统进行辐照，获得系统输出错误响应。目前有多项专利涉及此方面内容[1-5]。

直接采用地面加速器粒子进行试验，存在几个方面的问题：

(1)地面加速器资源有限，难以充分开展试验。目前国内可用于单粒子试验的只有两台，分别为中国原子能科学研究院(北京401所)的HI-13静电加速器，以及中国科学院近代物理研究所(兰州近物所)的HIRFL回旋加速器，加速器数量非常稀少；同时，大型加速器作为大型科学装置，承担着原子核物理、放射医学等多项学科的研究工作，分配给单粒子试验时间有限；与此同时，单粒子试验的需求非常大，国内众多从事单粒子效应研究的高校、科研院所、航天部门等，其研究、设计等工作均存在开展单粒子试验需求。在这种情况下，针对每种设计都开展单粒子软错误防护设计效果验证，几乎是不可能的工作。

(2)空间中同时存在重离子和质子，两种粒子均需开展单粒子试验，目前国内可稳定用于单粒子效应试验的质子加速器仅有北京大学的10MeV质子加速器，以及北京401所的23MeV质子加速器；而空间中质子能量分布在0.1MeV～400MeV，难以在国内开展高能质子试验。国外有几百MeV的质子加速器，但到国外进行质子试验综合费用较高。

[1]一种单粒子效应防护有效性的评估系统及方法,CN103838946A.

[2]逻辑器件单粒子效应试验系统及方法,CN102332307A.

[3]逻辑器件单粒子功能性中断的监测系统及方法,CN103529380A.

[4]一种用加速器高能质子进行逻辑器件质子单粒子试验的方法,CN103616631A.

[5]一种逻辑器件单粒子辐照试验测试系统及方法,CN103744014A.

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法，该方法可用于单粒子防护效果验证，解决国内加速器时间紧张以及难以实现高能质子试验的问题。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法，针对包含大规模逻辑器件的电路系统的单粒子软错误防护设计验证方法，包括以下步骤：

步骤(一)、采用地面加速器重离子对模逻辑器件进行辐照，通过基于LET确定重离子加速器试验方法，获取逻辑器件静态翻转截面平均值σ_{ion_static}，以及静态翻转截面与重离子LET值的威布尔函数关系f_Weibull；

步骤(二)、利用步骤(一)获取的威布尔函数关系，采用基于重离子试验数据的逻辑器件质子翻转截面反演方法，分析得到逻辑器件在质子辐照下的静态翻转截面σ_{proton_static}；

步骤(三)、获取包含大规模逻辑器件的电路系统在任意工作模式下的敏感位因子η；

步骤(四)、计算系统在重离子辐照下的动态错误截面：

σ_{ion_dynamic}＝σ_{ion_static}×η

其中：

σ_{ion_dynamic}：逻辑器件在重离子辐照下的动态错误截面，单位为cm²/bit；

σ_{ion_static}：步骤(一)获得的逻辑器件在重离子辐照下的静态翻转截面平均值，单位为cm²/bit；

η：步骤(三)获得的系统任意工作模式敏感位因子；

步骤(五)、计算系统在质子辐照下的动态错误截面：

σ_{proton_dynamic}＝σ_{proton_static}×η

其中：

σ_{proton_dynamic}：逻辑器件在质子辐照下的动态错误截面，单位为cm²/bit；

σ_{proton_static}：步骤(二)获得的逻辑器件在质子辐照下的静态翻转截面，单位为cm²/bit；

η：步骤(三)获得的系统任意工作模式敏感位因子。

在上述的一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法，步骤(一)包括以下步骤：

(1)确定测试逻辑器件，为保证加速器重离子可有效穿透逻辑器件，必要时对逻辑器件进行开帽减薄等处理；

(2)对测试逻辑器件加电，采用特定能量的地面加速器重离子对逻辑器件进行辐照，辐照结束后记录重离子通量F，统计翻转位数n；

(3)采用下面公式计算本次重离子辐照下逻辑器件的重离子静态翻转截面：

σ_ion＝n/(F×N)

其中σ_ion为静态翻转截面，单位为cm²/bit；n为逻辑器件翻转位数；F为重离子注量，单位为cm^-2；N为逻辑器件总位数；

(4)保持地面加速器重离子类型、能量、入射角度，以及逻辑器件位置、 蔽状态不变，重复步骤(2)-(3)，至少共获取6个静态截面数据σ_ion；

(5)对步骤(4)获取的至少6个静态翻转截面进行算术平均，获得在该重离子和屏蔽状态下的逻辑器件静态翻转截面平均值σ_{ion_static}；

(6)根据逻辑器件屏蔽参数，计算本次试验重离子有效LET值：

首先分析重离子在逻辑器件屏蔽层中的能量损失，能量损失计算公式为：

其中：

ΔE：重离子在逻辑器件屏蔽层中的能量损失，单位为MeV；

N：屏蔽层数目；

d_i：第i层屏蔽层的厚度，单位为cm；

e：单位电荷，e＝1.6×10^-19C；

z：入射重离子原子序数；

v：入射重离子速度，根据相对论效应，速度v与能量E的关系为其中m_0ion为入射重离子静止质量；

N：屏蔽材料单位体积中的原子数；

Z：屏蔽材料的原子序数；

m₀：电子质量；

I_i：第i层屏蔽材料的原子平均激发和电离电位，单位为eV；

β：β＝v/c，重离子速度与光速之比，v为入射重离子速度，根据相对论效应，速度v与能量E的关系为

ε₀：真空介电常数，ε₀＝8.85×10^-12C²/(N·m²)；

k：J/m与MeV/cm的单位转换系数，k＝1/1.6×10^-11；

计算重离子经过屏蔽层后的剩余能量，重离子剩余能量计算公式为：

E′＝E₀-ΔE

其中：

E'：重离子剩余能量，单位为MeV；

E₀：重离子初始能量，单位为MeV；

ΔE：重离子在逻辑器件屏蔽层中的能量损失，单位为MeV；

最后计算重离子在有源区表面的LET值，根据重离子穿过屏蔽层、达到有源区表面的剩余能量，计算对应的LET值，计算公式为：

其中：

LET：重离子在有源区表面的线性能量传输系数，单位为MeV·cm²/mg；

ρ：硅的密度，ρ＝2.33×10³mg/cm³；

I：硅的平均电离和激发电位，I＝173eV；

(7)通过步骤(2)-(6)，获取了一组逻辑器件重离子静态翻转截面与重离子LET值的对应数据；更换逻辑器件，重复步骤(1)-(6)，至少共获取5组逻辑器件重离子静态翻转截面与重离子LET值的对应数据；

(8)利用步骤(7)获得的至少5组逻辑器件重离子静态翻转截面与重离子LET值的对应数据，采用最小二乘法拟合逻辑器件静态翻转截面与重离子LET值的Weibull函数fWeibull。

在上述的一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法，步骤(二)中，分析逻辑器件在质子辐照下的静态翻转截面σ_{proton_static}包括以下步骤：

(1)确定质子能量

根据实际需求，确定质子能量，质子能量可取1MeV～1GeV范围内的任意数值；

(2)确定逻辑器件敏感区的厚度

敏感区厚度由两部分组成，一部分是PN结耗尽区的宽度，另一部分是考虑到与重离子入射等效时，重离子的漏斗区长度；总的敏感区厚度是这两部分的和，可根据下面的公式确定：

其中：

d：敏感区厚度，单位为μm；

μ_n：电子迁移率，单位为cm²/(V·s)；

μ_p：空穴迁移率，单位为cm²/(V·s)；

ε：介电常数，单位为C²/(N·m²)；

q：元电荷电量，q＝1.6×10^-19C；

Na：受主掺杂浓度，单位为cm^-3；

Nd：施主掺杂浓度，单位为cm^-3；

V：外加电压，单位为V；

Vb：内建电势，计算公式为其中k为波尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J·K^-1，T为温度，单位为K，n_i为本征载流子浓度，单位为cm^-3；

(3)采用粒子输运分析软件GEANT4分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱

利用GEANT4分析质子穿过逻辑器件金属布线层和氧化层达到敏感区的过程中，次级粒子产生情况以及次级粒子在敏感区中的能量沉积E，进行大量质子入射情况仿真，统计每个能量沉积间隔(E，E+ΔE)的概率由此即可确定能量沉积微分谱

(4)将敏感区中的能量沉积微分谱转化为等效LET微分谱

其中：

质子在敏感区中的能量沉积微分谱，单位为eV^-1；

质子在敏感区中的等效LET微分谱，单位为(MeV·cm²/mg)^-1；

ρ：硅的密度，ρ＝2.33g/cm³；

d：敏感区厚度，单位为μm；

同时，根据敏感区厚度d和能量沉积E，采用下面的公式可以确定LET值：

其中：

LET：线性能量传输系数，单位为MeV·cm²/mg；

E：能量沉积，单位为MeV；

d：敏感区厚度，单位为μm；

ρ：硅的密度，ρ＝2.33g/cm³；

能量沉积E的范围为Emin～Emax，相应可以得到LET的范围为LETmin～LETmax；

(5)以等效LET谱为输入，基于逻辑器件在重离子辐照下的翻转截面Weibull曲线σ-LET，分析逻辑器件在质子辐照下的翻转截面；

通过下面的公式计算得到质子的翻转截面：

其中：

σ_p：逻辑器件质子翻转截面，单位为cm²/bit或cm²/逻辑器件；

σ_i：逻辑器件重离子翻转截面Weibull曲线σ-LET；

质子在逻辑器件中的等效LET谱，单位(MeV·cm²/mg)^-1；

LET：线性能量传输密度，单位为MeV·cm²/mg；

通过上面的公式，就可以质子辐照下的逻辑器件静态翻转截面；

(6)重复步骤(1)-(5)，可获得多个质子能量对应的逻辑器件静态翻转截面。

在上述的一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法，步骤(三)中获取系统的敏感位因子η包括以下步骤：

(1)针对逻辑器件进行系统设计，得到相应逻辑器件程序设计配置文件，配置文件包括逻辑耦合关系、运算关系和输入输出关系；

(2)将步骤(1)获得的配置文件配置到逻辑器件中，测量系统输出；

(3)采用故障软注入方式，修改逻辑器件配置中的任意一个bit位，测量此时系统输出，并与步骤(2)系统输出进行比较，两者输出一致时，不予处理，两者输出不一致时，该bit位为敏感位，将敏感位数ns加1；

(4)重复步骤(3)，直至完全遍历逻辑器件所有配置位，获得系统总敏感位数ns；

(5)采用下面公式计算系统敏感位比例：

η＝ns/N

其中

η：系统敏感位因子；

ns：步骤(4)获得的系统敏感配置位，单位为bits；

N：逻辑器件总配置位数，单位为bits。

在上述的一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法，步骤(一)中，针对一种逻辑器件，只需进行一次完整的重离子辐照下的静态翻转截面试验，系统在重离子辐照下的防护效果通过分析实现，避免重复进行大量重离子加速器试验。

在上述的一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法，步骤(二)中，系统在质子辐照下的防护效果，可基于重离子试验数据获取，无需进行质子加速器试验。

在上述的一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法，单粒子软错误防护设计验证方法可针对以逻辑器件进行设计的任意系统进行分析。

在上述的一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法，所述步骤(3)中，GEANT4为通用粒子输运分析软件，包含高能物理模块和粒子能量损失分析模块，这两个模块可应用于质子在敏感区中的能量沉积分析；其中高能物理模块根据入射质子能量进行选择，质子能量在0MeV～70MeV时选择预 复合模型，在70MeV～1GeV时选择级联模型；粒子能量损失分析模块选择标准电磁相互作用模型。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明通过加速器获得逻辑器件静态翻转截面，结合无故障模拟方法获取的逻辑器件在任意工作模式下的敏感位因子η，可以分析得到逻辑器件在重离子辐照下的动态错误特性，实现了针对一种逻辑器件，只需进行一次完整的重离子试验获得静态截面，其他基于同种逻辑器件进行的电路设计在重离子辐照下的动态错误可通过本发明分析得到，大大减少了加速器试验需求，降低了设计开发成本；

(2)本发明利用加速器获得逻辑器件静态翻转截面，通过分析获得逻辑器件在质子辐照下的静态翻转截面，结合无故障模拟方法获取的逻辑器件在任意工作模式下的敏感位因子η，可以分析得到逻辑器件在质子辐照下的动态错误特性，达到了不需进行质子加速器单粒子试验，可通过本发明直接得到质子辐照下的单粒子软错误防护设计效果，而且可获得国内加速器难以实现的百MeV的质子试验效果。

附图说明

图1为本发明基于加速器试验数据的逻辑器件任意工作模式单粒子防护效果验证的重离子和质子等效试验方法的流程图；

图2为本发明XC4VSX55静态翻转截面Weibull拟合结果图；

图3为本发明XC4VSX55电路图；

图4为本发明正常状态下的系统输出图；

图5为本发明质子在敏感区中的能量沉积微分谱；

图6为能量沉积微分谱转化得到的等效LET微分谱.

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为基于加速器试验数据的逻辑器件任意工作模式单粒子防护效果验证的重离子和质子等效试验方法的流程图，由图可知，针对包含大规模逻 辑器件的电路系统的单粒子软错误防护设计验证方法，包括以下步骤：

步骤(一)、采用地面加速器重离子对模逻辑器件进行辐照，通过基于LET确定重离子加速器试验方法，获取逻辑器件静态翻转截面平均值σ_{ion_static}，以及静态翻转截面与重离子LET值的威布尔函数关系f_Weibull；

步骤(二)、利用步骤(一)获取的威布尔函数关系，采用基于重离子试验数据的逻辑器件质子翻转截面反演方法，分析得到逻辑器件在质子辐照下的静态翻转截面σ_{proton_static}；

步骤(三)、获取包含大规模逻辑器件的电路系统在任意工作模式下的敏感位因子η；

步骤(四)、计算系统在重离子辐照下的动态错误截面：

σ_{ion_dynamic}＝σ_{ion_static}×η

其中：

σ_{ion_dynamic}：逻辑器件在重离子辐照下的动态错误截面，单位为cm²/bit；

σ_{ion_static}：步骤(一)获得的逻辑器件在重离子辐照下的静态翻转截面平均值，单位为cm²/bit；

η：步骤(三)获得的系统任意工作模式敏感位因子；

步骤(五)、计算系统在质子辐照下的动态错误截面：

σ_{proton_dynamic}＝σ_{proton_static}×η

其中：

σ_{proton_dynamic}：逻辑器件在质子辐照下的动态错误截面，单位为cm²/bit；

σ_{proton_static}：步骤(二)获得的逻辑器件在质子辐照下的静态翻转截面，单位为cm²/bit；

η：步骤(三)获得的系统任意工作模式敏感位因子。

其中步骤(一)包括以下步骤：

(1)确定测试逻辑器件，为保证加速器重离子可有效穿透逻辑器件，必要 时对逻辑器件进行开帽减薄等处理；

(2)对测试逻辑器件加电，采用特定能量的地面加速器重离子对逻辑器件进行辐照，辐照结束后记录重离子通量F，统计翻转位数n；

(3)采用下面公式计算本次重离子辐照下逻辑器件的重离子静态翻转截面：

σ_ion＝n/(F×N)

其中σ_ion为静态翻转截面，单位为cm²/bit；n为逻辑器件翻转位数；F为重离子注量，单位为cm^-2；N为逻辑器件总位数；

(4)保持地面加速器重离子类型、能量、入射角度，以及逻辑器件位置、蔽状态不变，重复步骤(2)-(3)，至少共获取6个静态截面数据σ_ion；

(5)对步骤(4)获取的至少6个静态翻转截面进行算术平均，获得在该重离子和屏蔽状态下的逻辑器件静态翻转截面平均值σ_{ion_static}；

(6)根据逻辑器件屏蔽参数，计算本次试验重离子有效LET值：

首先分析重离子在逻辑器件屏蔽层中的能量损失，能量损失计算公式为：

其中：

ΔE：重离子在逻辑器件屏蔽层中的能量损失，单位为MeV；

N：屏蔽层数目；

d_i：第i层屏蔽层的厚度，单位为cm；

e：单位电荷，e＝1.6×10^-19C；

z：入射重离子原子序数；

v：入射重离子速度，根据相对论效应，速度v与能量E的关系为其中m_0ion为入射重离子静止质量；

N：屏蔽材料单位体积中的原子数；

Z：屏蔽材料的原子序数；

m₀：电子质量；

I_i：第i层屏蔽材料的原子平均激发和电离电位，单位为eV；

β：β＝v/c，重离子速度与光速之比，v为入射重离子速度，根据相对论效应，速度v与能量E的关系为

ε₀：真空介电常数，ε₀＝8.85×10^-12C²/(N·m²)；

k：J/m与MeV/cm的单位转换系数，k＝1/1.6×10^-11；

计算重离子经过屏蔽层后的剩余能量，重离子剩余能量计算公式为：

E′＝E₀-ΔE

其中：

E'：重离子剩余能量，单位为MeV；

E₀：重离子初始能量，单位为MeV；

ΔE：重离子在逻辑器件屏蔽层中的能量损失，单位为MeV；

最后计算重离子在有源区表面的LET值，根据重离子穿过屏蔽层、达到有源区表面的剩余能量，计算对应的LET值，计算公式为：

其中：

LET：重离子在有源区表面的线性能量传输系数，单位为MeV·cm²/mg；

ρ：硅的密度，ρ＝2.33×10³mg/cm³；

I：硅的平均电离和激发电位，I＝173eV；

(7)通过步骤(2)-(6)，获取了一组逻辑器件重离子静态翻转截面与重离子LET值的对应数据；更换逻辑器件，重复步骤(1)-(6)，至少共获取5组逻辑器件重离子静态翻转截面与重离子LET值的对应数据；

(8)利用步骤(7)获得的至少5组逻辑器件重离子静态翻转截面与重离子LET值的对应数据，采用最小二乘法拟合逻辑器件静态翻转截面与重离子LET值的Weibull函数fWeibull。

所述步骤(二)中，分析逻辑器件在质子辐照下的静态翻转截面σ_{proton_static}包括以下步骤：

(1)确定质子能量

根据实际需求，确定质子能量，质子能量可取1MeV～1GeV范围内的任意数值；

(2)确定逻辑器件敏感区的厚度

敏感区厚度由两部分组成，一部分是PN结耗尽区的宽度，另一部分是考虑到与重离子入射等效时，重离子的漏斗区长度；总的敏感区厚度是这两部分的和，可根据下面的公式确定：

其中：

d：敏感区厚度，单位为μm；

μ_n：电子迁移率，单位为cm²/(V·s)；

μ_p：空穴迁移率，单位为cm²/(V·s)；

ε：介电常数，单位为C²/(N·m²)；

q：元电荷电量，q＝1.6×10^-19C；

Na：受主掺杂浓度，单位为cm^-3；

Nd：施主掺杂浓度，单位为cm^-3；

V：外加电压，单位为V；

Vb：内建电势，计算公式为其中k为波尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J·K^-1，T为温度，单位为K，ni为本征载流子浓度，单位为cm^-3；

(3)采用粒子输运分析软件GEANT4分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱

GEANT4为通用粒子输运分析软件，包含高能物理模块和粒子能量损失分析模块，这两个模块可应用于质子在敏感区中的能量沉积分析；其中高能物理模块根据入射质子能量进行选择，质子能量在0MeV～70MeV时选择预复合模型，在70MeV～1GeV时选择级联模型；粒子能量损失分析模块选择标准电磁相互作 用模型。

利用GEANT4分析质子穿过逻辑器件金属布线层和氧化层达到敏感区的过程中，次级粒子产生情况以及次级粒子在敏感区中的能量沉积E，进行大量质子入射情况仿真，统计每个能量沉积间隔(E，E+ΔE)的概率由此即可确定能量沉积微分谱

(4)将敏感区中的能量沉积微分谱转化为等效LET微分谱

其中：

质子在敏感区中的能量沉积微分谱，单位为eV^-1；

质子在敏感区中的等效LET微分谱，单位为(MeV·cm²/mg)^-1；

ρ：硅的密度，ρ＝2.33g/cm³；

d：敏感区厚度，单位为μm；

同时，根据敏感区厚度d和能量沉积E，采用下面的公式可以确定LET值：

$LET=\frac{E}{d\rho }$

其中：

LET：线性能量传输系数，单位为MeV·cm²/mg；

E：能量沉积，单位为MeV；

d：敏感区厚度，单位为μm；

ρ：硅的密度，ρ＝2.33g/cm³；

能量沉积E的范围为Emin～Emax，相应可以得到LET的范围为LETmin～LETmax；

(5)以等效LET谱为输入，基于逻辑器件在重离子辐照下的翻转截面Weibull曲线σ-LET，分析逻辑器件在质子辐照下的翻转截面；

通过下面的公式计算得到质子的翻转截面：

其中：

σ_p：逻辑器件质子翻转截面，单位为cm²/bit或cm²/逻辑器件；

σ_i：逻辑器件重离子翻转截面Weibull曲线σ-LET；

质子在逻辑器件中的等效LET谱，单位(MeV·cm²/mg)^-1；

LET：线性能量传输密度，单位为MeV·cm²/mg；

通过上面的公式，就可以质子辐照下的逻辑器件静态翻转截面；

(6)重复步骤(1)-(5)，可获得多个质子能量对应的逻辑器件静态翻转截面。

所述步骤(三)中获取系统的敏感位因子η包括以下步骤：

(1)针对逻辑器件进行系统设计，得到相应逻辑器件程序设计配置文件，配置文件包括逻辑耦合关系、运算关系和输入输出关系；

(2)将步骤(1)获得的配置文件配置到逻辑器件中，测量系统输出；

(3)采用故障软注入方式，修改逻辑器件配置中的任意一个bit位，测量此时系统输出，并与步骤(2)系统输出进行比较，两者输出一致时，不予处理，两者输出不一致时，该bit位为敏感位，将敏感位数ns加1；

(4)重复步骤(3)，直至完全遍历逻辑器件所有配置位，获得系统总敏感位数ns；

(5)采用下面公式计算系统敏感位比例：

η＝ns/N

其中

η：系统敏感位因子；

ns：步骤(4)获得的系统敏感配置位，单位为bits；

N：逻辑器件总配置位数，单位为bits。

所述步骤(一)中，针对一种逻辑器件，只需进行一次完整的重离子辐照下的静态翻转截面试验，系统在重离子辐照下的防护效果通过分析实现，避免 重复进行大量重离子加速器试验。

所述步骤(二)中，系统在质子辐照下的防护效果，可基于重离子试验数据获取，无需进行质子加速器试验。

单粒子软错误防护设计验证方法可针对以逻辑器件进行设计的任意系统进行分析。

实施例

一种基于重离子加速器的单粒子软错误防护设计验证方法，包括以下步骤：

(一)采用地面加速器重离子对逻辑器件进行辐照，通过基于LET修正逻辑器件重离子加速器试验方法，获取逻辑器件静态翻转截面数据平均值σ>ion_static，以及静态翻转截面与重离子LET值的威布尔(Weibull)函数关系f_Weibull。

以Xilinx Virtex4 FPGA XC4VSX55为例，XC4VSX55为倒装芯片，采用中国原子能科学研究院(北京401所)HI-13静电加速器和中科院近代物理研究所(兰州近物所)的HIRFL回旋加速器的重离子进行辐照以获得逻辑器件的静态翻转截面平均值σ_{ion_static}，以及静态翻转截面与重离子LET值的威布尔(Weibull)函数关系f_Weibull。

该步骤包括以下内容：

(1)确定试验逻辑器件，为保证加速器重离子可有效穿透逻辑器件，必要时对逻辑器件进行开帽减薄等处理.

以Xilinx Virtex4 XC4VSX55 FPGA为例，XC4VSX55为倒装芯片，基底约800μm，远大于国内加速器(特别是北京401静电加速器)重离子射程，需进行开帽减薄，以某次成功减薄后的芯片为例，减薄后芯片基底厚度大约为54μm。

(2)逻辑器件加电，采用特定能量的地面加速器重离子对逻辑器件进行辐照，辐照结束后记录重离子通量F，并统计翻转位数。

以北京401所的80MeV的C¹²重离子为例，采用该重离子对减薄后的XC4VSX55进行辐照，辐照后回读配置文件，记录重离子通量F＝8.30×10⁴cm^-2。

以步骤(1)的试验为例，统计得到翻转位数n＝2479，配置文件总位数 N＝16386144。

(3)采用公式σ_{ion_static}＝n/(F×N)计算本次重离子辐照下逻辑器件的重离子静态翻转截面，其中σ_{ion_static}为静态翻转截面平均值，单位为cm²/bit；n为配置文件翻转位数；F为重离子注量，单位为cm^-2；N为逻辑器件配置文件总有效位数。

以步骤(2)结果为例，根据公式可以计算得到本次试验中，XC4VSX55在80MeV的C¹²重离子辐照下，静态翻转截面平均值为

σ_{ion_static}＝2479/(8.30E4×16386144)＝1.88E-09(cm²/bit)

(4)保持地面加速器重离子类型、能量，以及逻辑器件屏蔽状态不变，重复步骤(2)-(3)，至少共获取6个静态截面数据。

仍以80MeV的C¹²粒子对XC4VSX55进行辐照，可以获得下表共12个重离子辐照下的静态翻转截面。

表1采用北京401所80MeV的C12重离子辐照XC4VSX55芯片结果

(5)对步骤(4)获取的至少6个静态翻转截面进行算术平均，获得在该重离子和屏蔽状态下的逻辑器件静态翻转截面平均值。

对步骤(4)表1中的12个静态翻转截面求解算术平均值，可以得到在80MeV 的C¹²重离子辐照下，XC4VSX55的静态范围截面平均值为：

σ_{ion_static}＝(1.88E-09+1.95E-09+2.33E-09+2.35E-09+2.34E-09+2.45E-09+2.13E-09+1.88E-09+2.25E-09+2.72E-09+2.19E-09+2.25E-09)/12＝2.23E-9(cm²/bit)

(6)采用确定元逻辑器件单粒子效应试验中的重离子LET值的方法，确定本次试验重离子有效LET值。

以本次试验重离子的类型(C¹²)、能量(80MeV)，以及逻辑器件屏蔽参数(54μm硅材料)为输入参数，采用确定元逻辑器件单粒子效应试验中的重离子LET值的方法”，确定本次试验重离子有效LET值,包括以下内容：

首先分析重离子在逻辑器件屏蔽层中的能量损失，该逻辑器件只有一层屏蔽层，屏蔽位置为硅材料，厚度为54μm，试验重离子为80MeV的C¹²粒子，由此可以得到

其中：ΔE为重离子在逻辑器件屏蔽层中的能量损失，单位为MeV；N为屏蔽层数目，本例中逻辑器件只有一层硅屏蔽材料，N＝1；d_i为第i层屏蔽层的厚度，单位为cm，本例中逻辑器件只有一层54μm硅材料，可得到d＝5.4E-3cm；e为单位电荷，e＝1.6×10^-19C；z为入射重离子原子序数，本例中入射重离子为C，可得z＝6；v为入射重离子速度，根据相对论效应，速度v与能量E的关系为N为屏蔽材料单位体积中的原子数，屏蔽材料为硅，可得N＝5.0E22cm-3；Z为屏蔽材料的原子序数，屏蔽材料为硅，可得Z＝14；m₀为电子质量，m0＝9.11E-31kg；I_i为第i层屏蔽材料的原子平均激发和电离电位，单位为eV，本例中只有硅一种屏蔽物，可得I＝173eV；β＝v/c，重离子速度与光速之比，根据速度v＝3.56E7m/s，可得到β＝0.12；ε₀为真空介电常数，ε₀＝8.85×10^-12C²/(N·m²)；k为J/m与MeV/cm的单位转换系数，k＝1/1.6×10^-11。

然后计算重离子经过屏蔽层后的剩余能量，重离子剩余能量计算公式为：

E′＝E₀-ΔE＝80-22.4＝57.6(MeV)

其中：E'为重离子剩余能量，单位为MeV；E₀重离子初始能量，单位为MeV，E0＝80MeV；ΔE为重离子在逻辑器件屏蔽层中的能量损失，单位为MeV，上一步中得到ΔE＝22.4MeV。

最后计算重离子在有源区表面的LET值，根据重离子穿过屏蔽层、达到有源区表面的剩余能量，计算对应的LET值，计算公式为：

其中：LET为重离子在有源区表面的线性能量传输系数，单位为MeV·cm²/mg；ρ为硅的密度，ρ＝2.33×10³mg/cm³；I：硅的平均电离和激发电位，I＝173eV；其余各参数含义与第一步相同。

由此可以得到80MeV的C¹²离子经过54μm硅材料后的LET值为LET＝2.0MeV·cm²/mg。

(7)通过步骤(2)-(6)，获取了一组逻辑器件重离子静态翻转截面与重离子LET值的对应数据；重复步骤(1)-(6)，至少共获取5组逻辑器件重离子静态翻转截面与重离子LET值的对应数据。

分别北京401所80MeV的C¹²、115MeV的F¹⁹，兰州近物所2150MeV的Kr⁸⁶，并在不同的逻辑器件屏蔽状态下，获得了5组XC4VSX55在重离子辐照下静态翻转截面与重离子LET值的关系，见下表所示。

表2 XC4VSX55逻辑器件翻转截面与重离子LET值的关系

(8)利用步骤(7)获得的至少5组逻辑器件重离子静态翻转截面与重离子LET值的对应数据，拟合逻辑器件静态翻转截面与重离子LET值的Weibull函数f_Weibull。

以Xilinx Virtex4 XC4VSX55逻辑器件为例，利用步骤(8)中的5组静态翻转截面与重离子LET值的数据，采用最小二乘拟合的方法，获得逻辑器件静态翻转截面与重离子LET值的Weibull函数。威布尔函数f_Weibull形式为：

其中σ为静态翻转截面，单位为cm²/bit。

(二)利用步骤(一)获取的威布尔函数关系，采用种基于重离子试验数据的逻辑器件质子翻转截面反演方法，分析得到逻辑器件在质子辐照下的静态翻转截面σ_{proton_static}。本步骤的逻辑器件应与步骤(一)是同种逻辑器件，但逻辑器件屏蔽状态可以有所不同；因步骤(一)需进行重离子试验，必须进行>

以Xilinx Virtex4 FPGA XC4VSX55为例，以步骤(1)获得的XC4VSX55获得的重离子辐照下静态翻转截面与重离子LET值的威布尔函数作为输入，采用基于重离子试验数据的逻辑器件质子翻转截面反演方法，获得XC4VSX55在质子辐照下的静态翻转截面。

该步骤包括以下内容：

(1)确定质子能量，本步骤中取质子的能量为6.9MeV，6.9MeV的质子经过逻辑器件屏蔽后，能量衰减为4.9MeV，4.9MeV是质子的有效能量。

(2)确定逻辑器件敏感区的材料和厚度，敏感区材料根据逻辑器件采用的材料确定，厚度根据下面的公式确定：

其中d为敏感区厚度，单位为μm；μ_n为电子迁移率，单位为cm²/(V·s)；μ_p为空穴迁移率，单位为cm²/(V·s)；ε为介电常数，单位为C²/(N·m²)；q为元电荷电量，q＝1.6×10^-19C；Na为受主掺杂浓度，单位为cm^-3；Nd为施主掺杂浓度，单位为cm^-3；V为外加电压，单位为V；Vb为内建电势，计算公式为其中k为波尔兹曼常数，T为温度，ni为本征载流子浓度。

以Xilinx Virtex4 FPGA XC4VSX55为例，该FPGA采用90nm硅工艺，电源电压V＝1.2V，典型掺杂浓度Na＝1×10²⁰cm^-3，Nd＝1×10¹⁷cm^-3，硅的相对介电常数ε＝11.9×8.85×10^-12C²/(N·m²)，电子迁移率μ_n大约是空穴迁移率μ_p的3倍，T＝300K时，硅的本征载流子浓度ni＝1.5×10¹⁰cm^-3，由此可以根据公式计算得到敏感区厚度d＝0.68μm。

(3)采用粒子输运分析软件GEANT4分析质子在敏感区中的能量沉积微分谱

利用GEANT4分析质子穿过逻辑器件金属布线层和氧化层达到敏感区的过程中，次级粒子产生情况以及次级粒子在敏感区中的能量沉积，进行大量质子入射情况仿真，统计每个能量沉积间隔(E，E+ΔE)的概率由此即可确定能量沉积微分谱分析过程中，其中高能物理模块根据入射质子能量进行选择，质子能量在0MeV～70MeV时选择预复合模型，在70MeV～1GeV时选择级联模型；粒子能量损失分析模块选择标准电磁相互作用模型。

如图5所示为质子在敏感区中的能量沉积微分谱。

(4)将敏感区中的能量沉积微分谱转化为等效LET微分谱

转化公式为：

其中：是质子在敏感区中的能量沉积微分谱，单位为eV^-1；是质子在敏感区中的等效LET微分谱，单位为(MeV·cm²/mg)^-1；ρ是硅的密度，ρ＝2.33g/cm³；d是敏感区厚度，d＝0.68μm。

同时，根据敏感区厚度d和能量沉积E，采用下面的公式可以确定LET值：

其中：LET是线性能量传输系数，单位为MeV·cm²/mg；E是能量沉积，单位为MeV。能量沉积E的范围为Emin～Emax，相应可以得到LET的范围为LETmin～LETmax。

如图6所示为将图5的能量沉积微分谱转化得到的等效LET微分谱。

(5)以等效LET谱为输入，基于逻辑器件在重离子辐照下的Weibull曲线σ-LET，分析逻辑器件在质子辐照下的翻转截面。

通过下面的公式计算得到质子的翻转截面：

其中：σ_p是逻辑器件质子翻转截面，单位为cm²/bit或cm²/逻辑器件；σ>i是逻辑器件重离子翻转截面Weibull曲线σ-LET，包含4个参数逻辑器件饱和翻转截面σ_sat、LET阈值Lth、宽度参数W、形状参数S，对于Xilinx>Weibull拟合参数，σ_sat＝5.26×10^-8cm²/bit，Lth＝0.27MeV·cm²/mg，W＝487MeV·cm²/mg，S＝0.57。

可以得到4.9MeV质子辐照下，Xilinx Virtex4 FPGA XC4VSX55的静态翻转截面为6.14E-15cm²/bit。

(6)重复步骤(1)-(5)，可获得多个质子能量对应的逻辑器件静态翻转截面。以Xilinx Virtex4 FPGA XC4VSX55为例，重复步骤(1)-(5)，可以得到不同有效能量质子辐照下，逻辑器件对应的静态翻转截面，如下表所示。

表3 XC4VSX55在质子辐照下的静态翻转截面

序号质子能量(MeV)质子辐照下逻辑器件静态翻转截面(cm²/bit)14.96.14×10^-1528.96.74×10^-1539.61.40×10^-14419.02.32×10^-14540.34.90×10^-14670.54.57×10^-14799.64.27×10^-148149.82.62×10^-149198.82.75×10^-14

(三)采用故障软注入方法，获取系统在任意工作模式下的敏感位因子η；

以Xilinx Virtex 4 XC4VSX55逻辑器件为例，在该逻辑器件为基础进行系统设计，本例中采用组合应用电路，电路如图3所示，主要由三部分组成，第一部分是16位计数器，第二部分是乘法器，第三部分是移位寄存器。该配置 电路能够尽量均匀的占用逻辑器件中的主要可用资源，具有一定的代表性和通用性。

采用故障软注入方法，可以得到在XC4VSX55中设计的上述组合应用电路，该步骤包括以下内容：

(1)针对逻辑器件进行系统设计，得到相应的配置文件；

以Xilinx Virtex4逻辑器件XC4VSX55为例，设计电路如图2所示，采用Xilinx逻辑器件设计软件ISE完成开发后，生成以.bit为后缀的配置文件。

(2)将步骤(1)获得的配置文件配置到系统中，测量系统输出；

启动系统，并将步骤(1)生成的配置文件下载到逻辑器件中，运行逻辑器件，获得系统正常状态下的输出结果。以图2电路为例，图2电路为计数器+乘法器电路，计数器每隔2个时钟周期加1，并送给乘法器作为输入，最终乘法器经过256个一位寄存器后输出，因此正常状态下的系统输出如图4所示。

(3)采用故障软注入方式，修改逻辑器件配置中的任意一个bit位，测量此时系统输出，并与步骤(2)系统输出进行比较，两者输出一致时，不予处理，两者输出不一致时，该bit位为敏感位，将敏感位数ns加1；

采用部分动态重配置方式修改配置文件后，重新运行系统，当此时系统输出与图4不一致时，敏感位数n_s加1，否则不处理。

(4)重复步骤(3)，直至完全遍历系统所有配置位，获得总的敏感位数ns；

通过重复步骤(3)，得到总的敏感位数n_s＝59254bits。

(5)采用公式η＝n_s/N计算系统敏感位比例，其中η为系统敏感位因子；n_s为步骤(4)获得的系统敏感配置位，单位为bits；N为逻辑器件总配置位数。

XC4VSX55逻辑器件的总配置位数N＝22702848，采用步骤(4)得到的敏感配置位数ns，可以得到图2电路的敏感因子为：

η＝n_s/N＝59254/22702848＝2.61E-3。

(四)采用公式σ_{ion_dynamic}＝σ_{ion_static}×η计算系统在重离子辐照下的动态错误截面,其中σ_{ion_dynamic}为逻辑器件在重离子辐照下的动态错误截面，单位为>2/bit；σ_{ion_static}为步骤(1)获得的逻辑器件在重离子辐照下的静态翻转截面平均值，单位为cm²/bit，见表1第3列“重离子辐照下逻辑器件静态翻转截面”；η为步骤(三)获得的系统敏感位因子，η＝2.61×10^-3。

表4 XC4VSX55在重离子辐照下的动态错误截面

(五)采用公式σ_{proton_dynamic}＝σ_{proton_static}×η计算系统在质子辐照下的动态错误截面，其中：σ_{proton_dynamic}为系统在质子辐照下的动态错误截面，单位为cm²/bit；σ_{proton_static}为步骤(二)获得的逻辑器件在重离子辐照下的静态翻转截面，单位为cm²/bit，见表2第3列“质子辐照下逻辑器件静态翻转截面”；η为步骤(三)获得的系统敏感位因子，η＝2.61×10^-3。

表5 XC4VSX55在质子辐照下的动态错误截面

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。