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第1章 天地间的软错误：历史回顾、实验证据和未来趋势1

1.1 介绍1

1.2 历史2

1.3 电子系统中的软错误6

1.4 等比例缩小对于软错误的影响8

1.4.1 SRAM软错误率的变化趋势8

1.4.2 DRAM软错误率的变化趋势11

1.4.3 锁存器和触发器的软错误率13

1.4.4 组合逻辑电路软错误率15

1.4.5 单粒子闩锁变化趋势15

1.4.6 未来趋势16

1.5 结论17

参考文献18

第2章 单粒子效应：机理和分类20

2.1 介绍20

2.2 背景环境、作用机理及反冲能量损失21

2.2.1 自然辐照环境21

2.2.2 中子和物质的相互作用：产生高能反冲物22

2.2.3 反冲物：离化和射程25

2.2.4 电离26

2.2.5 结论28

2.3 电子元器件和系统中的单粒子效应29

2.3.1 单粒子效应定义29

2.3.2 软错误率29

2.3.3 临界电荷标准30

2.3.4 电路仿真中的电流脉冲描述31

2.4 器件敏感度32

2.4.1 单粒子瞬态33

2.4.2 单粒子翻转34

2.4.3 SRAM和DRAM中的多位翻转和多单元翻转37

2.4.4 单粒子功能中断37

2.4.5 单粒子事件闩锁38

2.5 结论40

参考文献40

第3章 JEDEC标准：用于测试和报告α粒子和地表宇宙射线引起的软错误43

3.1 介绍43

3.1.1 JESD89系列标准的意义43

3.1.2 术语和定义44

3.1.3 标准所涵盖的器件45

3.1.4 报告要求45

3.2 加速α粒子软错误率测试（参见JESD89A第四部分和JESD89-2A）45

3.2.1 α粒子能谱和发射率（参见JESD89A附录D）45

3.2.2 α粒子源的选择（参见JESD89A 5.4.1节和JESD89-2A 4.2.2.1节）47

3.2.3 封装和制样（参见JESD89A 5.3节和5.4.5节以及JESD89-2A 4.4节）47

3.2.4 外推加速失效率至现场使用环境（参见JESD89A 5.6.4节）48

3.2.5 加速α粒子测试的优势和局限性48

3.3 加速高能中子测试（参见JESD89A第六部分和JESD89-3 A）48

3.3.1 地球环境高能中子注量与能谱（参见JESD89A 6.6.2.4节）48

3.3.2 基于参考谱外推至其他位置和条件（参见JESD89A附录A.3）49

3.3.3 测试装置（参见JESD89A 6.2节）50

3.3.4 封装、制样和次级离子效应（参见JESD89-3 A 5.4节和附录A）50

3.3.5 束流特性（参见JESD89A 6.5节）51

3.3.6 单一能量束流下的软错误率（参见JESD89A 6.6节）51

3.3.7 基于宽谱中子束流的软错误率（参见JESD89A 6.6.2.4节）52

3.3.8 加速高能中子测试的优点和局限性52

3.4 加速热中子软错误率测试53

3.4.1 背景（参见JESD89A 7.1节）53

3.4.2 热中子谱（参见JESD89A附录A.4）53

3.4.3 封装和制样（参见JESD89A 7.3节）54

3.4.4 热中子源的选择、校准和屏蔽效应（参见JESD89A 7.4节）54

3.4.5 单粒子翻转截面和单粒子翻转率（参见JESD89A 7.6.2节）54

3.4.6 加速热中子测试的优势和局限性54

3.5 实时（非加速）软错误率测试55

3.5.1 测试方法目标55

3.5.2 大样本和长时间测试55

3.5.3 区分α粒子和中子对于软错误率的影响55

3.5.4 高空测试以增加中子对软错误率的影响56

3.5.5 建筑物的屏蔽效应（参见JESD89A附录A.5）56

3.5.6 最小FIT和置信度（参见JESD89A附录C）56

3.5.7 实时测试的优点和局限性57

3.6 结论57

参考文献58

第4章 门级建模和仿真59

4.1 介绍59

4.2 基于核反应的蒙特卡罗选择和器件仿真，从核交互到瞬态电流计算61

4.2.1 中子／物质核反应数据库62

4.2.2 次级离子引发的瞬态电流63

4.2.3 举例：高能中子在SRAM中引发的单粒子翻转和多单元翻转65

4.3 逻辑门电路SET和SEMT蒙特卡罗仿真66

4.3.1 单个粒子引起多个瞬态电流66

4.3.2 拓扑描述和工艺描述66

4.3.3 核反应实例67

4.3.4 瞬态脉冲计算68

4.3.5 电流脉冲统计69

4.4 时序电路和组合电路的软错误评估SPICE分析方法学70

4.4.1 精简的瞬态电流分析70

4.4.2 敏感结点列表71

4.4.3 自动化多瞬态电流仿真72

4.4.4 结果分析72

4.4.5 以反相器为例73

4.4.6 多瞬态故障注入结果74

4.5 结论77

参考文献77

第5章 电路级和系统级的单粒子效应建模与仿真79

5.1 介绍79

5.2 定义目标对象80

5.2.1 单粒子效应模型和度量80

5.2.2 功能失效85

5.2.3 电路表征和抽象级别86

5.3 SEE分析方法和概念89

5.3.1 定量SEE分析89

5.3.2 电学降额90

5.3.3 时序降额91

5.3.4 逻辑降额96

5.3.5 功能降额96

5.4 动态SEE分析97

5.4.1 综述97

5.4.2 门级网表SEE仿真98

5.4.3 行为级／RTL／HLS SEE仿真99

5.5 静态SEE分析100

5.5.1 综述100

5.5.2 门级100

5.5.3 行为级／RTL级101

5.5.4 架构／模块102

5.6 结论104

参考文献104

第6章 硬件故障注入108

6.1 介绍108

6.2 硬件故障注入技术109

6.2.1 物理故障注入110

6.2.2 逻辑故障注入111

6.2.3 基于电路仿真的逻辑故障注入113

6.3 故障注入系统115

6.3.1 工作负载116

6.3.2 故障列表117

6.3.3 故障分类117

6.3.4 结果分析118

6.3.5 通信118

6.4 故障注入优化118

6.4.1 自动仿真119

6.4.2 故障评估进程120

6.4.3 状态恢复121

6.4.4 早期故障分类122

6.4.5 嵌入式存储器123

6.5 结论125

参考文献125

第7章 用于空间和地面应用的集成电路的鉴定：加速实验和错误率预测128

7.1 介绍128

7.2 辐射产生单粒子效应及其对集成电路的影响129

7.3 加速实验：方法和相关的结果130

7.3.1 截面的概念130

7.3.2 静态和动态的SEU试验方法133

7.4 实验设施：重离子、中子、质子加速器和激光134

7.4.1 重离子134

7.4.2 质子134

7.4.3 中子135

7.4.4 微束和激光135

7.5 需求的实验平台和通用实验平台的描述136

7.5.1 介绍136

7.5.2 ASTERICS实验平台136

7.6 地面辐照实验：案例研究138

7.6.1 SRAM存储器138

7.6.2 处理器和微控制器138

7.6.3 SRAM型现场可编程门阵列（FPGA）144

7.7 针对处理器架构的动态截面预测的硬件／软件故障注入方法：案例研究148

7.8 结论154

参考文献154

第8章 电路级软错误抑制技术156

8.1 介绍156

8.2 存储器中软错误的加固设计157

8.2.1 1位纠错2位检错码157

8.2.2 消除ECC保护存储器的速度代价162

8.2.3 ECC与非标准存储器166

8.3 CRC码168

8.4 里德-所罗门码170

8.4.1 编码172

8.4.2 校正子计算172

8.5 使用内置电流传感器保护存储器173

8.6 抑制逻辑电路中的错误174

8.6.1 加固存储单元175

8.6.2 抑制SET178

8.7 结论191

参考文献191

第9章 软件级软错误抑制技术196

9.1 介绍196

9.2 影响数据的错误197

9.2.1 运算复制197

9.2.2 进程级复制199

9.2.3 程序级复制201

9.2.4 可执行的判断204

9.3 影响执行流程的故障204

9.3.1 背景205

9.3.2 ECCA206

9.3.3 CFCSS207

9.3.4 YACCA208

9.3.5 CEDA209

9.4 容错210

9.4.1 设计多样性211

9.4.2 检查点213

9.4.3 基于算法的容错214

9.4.4 复制216

9.5 结论218

参考文献218

第10章 可靠电子系统的软错误性能的规范与验证221

10.1 介绍221

10.2 系统软错误的规范221

10.2.1 互联网核心网络的要求222

10.2.2 构建规范225

10.3 设计一个满足规范的系统228

10.3.1 存储器229

10.3.2 触发器230

10.3.3 模型的结果236

10.4 软错误的性能验证237

10.5 结论238

参考文献239