Ошибка единичного события

From Wikipedia, the free encyclopedia

A single-event upset (SEU), also known as a single-event error (SEE), is a change of state caused by one single ionizing particle (ions, electrons, photons…) striking a sensitive node in a live micro-electronic device, such as in a microprocessor, semiconductor memory, or power transistors. The state change is a result of the free charge created by ionization in or close to an important node of a logic element (e.g. memory «bit»). The error in device output or operation caused as a result of the strike is called an SEU or a soft error.

The SEU itself is not considered permanently damaging to the transistor’s or circuits’ functionality unlike the case of single-event latch-up (SEL), single-event gate rupture (SEGR), or single-event burnout (SEB). These are all examples of a general class of radiation effects in electronic devices called single-event effects (SEEs).

History[edit]

Single-event upsets were first described during above-ground nuclear testing, from 1954 to 1957, when many anomalies were observed in electronic monitoring equipment. Further problems were observed in space electronics during the 1960s, although it was difficult to separate soft failures from other forms of interference. In 1972, a Hughes satellite experienced an upset where the communication with the satellite was lost for 96 seconds and then recaptured. Scientists Dr. Edward C. Smith, Al Holman, and Dr. Dan Binder explained the anomaly as a single-event upset (SEU) and published the first SEU paper in the IEEE Transactions on Nuclear Science journal in 1975.^[2] In 1978, the first evidence of soft errors from alpha particles in packaging materials was described by Timothy C. May and M.H. Woods. In 1979, James Ziegler of IBM, along with W. Lanford of Yale, first described the mechanism whereby a sea-level cosmic ray could cause a single-event upset in electronics. 1979 also saw the world’s first heavy ion «single-event effects» test at a particle accelerator facility, conducted at Lawrence Berkeley National Laboratory’s 88-Inch Cyclotron and Bevatron.^[3]

Cause[edit]

Terrestrial SEU arises due to cosmic particles colliding with atoms in the atmosphere, creating cascades or showers of neutrons and protons, which in turn may interact with electronic circuits. At deep sub-micron geometries, this affects semiconductor devices in the atmosphere.

In space, high-energy ionizing particles exist as part of the natural background, referred to as galactic cosmic rays (GCR). Solar particle events and high-energy protons trapped in the Earth’s magnetosphere (Van Allen radiation belts) exacerbate this problem. The high energies associated with the phenomenon in the space particle environment generally render increased spacecraft shielding useless in terms of eliminating SEU and catastrophic single-event phenomena (e.g. destructive latch-up). Secondary atmospheric neutrons generated by cosmic rays can also have sufficiently high energy for producing SEUs in electronics on aircraft flights over the poles or at high altitudes. Trace amounts of radioactive elements in chip packages also lead to SEUs.

Testing for SEU sensitivity[edit]

The sensitivity of a device to SEU can be empirically estimated by placing a test device in a particle stream at a cyclotron or other particle accelerator facility. This particular test methodology is especially useful for predicting the SER (soft error rate) in known space environments but can be problematic for estimating terrestrial SER from neutrons. In this case, a large number of parts must be evaluated, possibly at different altitudes, to find the actual rate of upset.

Another way to empirically estimate SEU tolerance is to use a chamber shielded from radiation, with a known radiation source, such as Caesium-137.

When testing microprocessors for SEU, the software used to exercise the device must also be evaluated to determine which sections of the device were activated when SEUs occurred.

SEUs and circuit design[edit]

By definition, SEUs do not destroy the circuits involved, but they can cause errors. In space-based microprocessors, one of the most vulnerable portions is often the 1st and 2nd-level cache memories, because these must be very small and have very high speed, which means that they do not hold much charge. Often these caches are disabled if terrestrial designs are being configured to survive SEUs. Another point of vulnerability is the state machine in the microprocessor control, because of the risk of entering «dead» states (with no exits), however, these circuits must drive the entire processor, so they have relatively large transistors to provide relatively large electric currents and are not as vulnerable as one might think. Another vulnerable processor component is the RAM. To ensure resilience to SEUs, often an error correcting memory is used, together with circuitry to periodically read (leading to correction) or scrub (if reading does not lead to correction) the memory of errors, before the errors overwhelm the error-correcting circuitry.

In digital and analog circuits, a single event may cause one or more voltages pulses (i.e. glitches) to propagate through the circuit, in which case it is referred to as a single-event transient (SET). Since the propagating pulse is not technically a change of «state» as in a memory SEU, one should differentiate between SET and SEU. If a SET propagates through digital circuitry and results in an incorrect value being latched in a sequential logic unit, it is then considered an SEU.

Hardware problems can also occur for related reasons. Under certain circumstances (of both circuit design, process design, and particle properties) a «parasitic» thyristor inherent to CMOS designs can be activated, effectively causing an apparent short-circuit from power to ground. This condition is referred to as latch-up, and in absence of constructional countermeasures, often destroys the device due to thermal runaway. Most manufacturers design to prevent latch-up and test their products to ensure that latch-up does not occur from atmospheric particle strikes. In order to prevent latch-up in space, epitaxial substrates, silicon on insulator (SOI) or silicon on sapphire (SOS) are often used to further reduce or eliminate the susceptibility.

Notable SEU[edit]

• In the 2003 elections in Brussels’s municipality Schaerbeek (Belgium), an anomalous recorded number of votes triggered an investigation that concluded an SEU was responsible for giving a candidate named Maria Vindevoghel 4,096 extra votes. The possibility of a single-event upset is suggested by the difference in votes being equivalent to a power of two, 2¹².^[4]
• In 2013, a speedrunner of the video game Super Mario 64 using the Nintendo 64 console experienced a glitch that teleported Mario higher up in the «Tick Tock Clock» stage. This has been hypothesized to have been caused by an SEU, flipping the least significant bit of Mario’s height value’s most significant byte. Attempts by other players to reproduce the glitch, even using the exact controller inputs to recreate the speedrun identically, have not succeeded; only by manually editing the specific memory value in the memory editor of an emulator can players consistently replicate the glitch.^[5]

See also[edit]

• Radiation hardening
• Cosmic rays
• Hamming distance
• Parity bit
• Gray code
• Libaw-Craig code [de] / Johnson code [de]
• Johnson counter
• Soft error

References[edit]

Further reading[edit]

General SEU

• T.C. May and M.H. Woods, IEEE Trans Electron Devices ED-26, 2 (1979)
• www.seutest.com — Soft-error testing resources to support the JEDEC JESD89A test protocol.
• J. F. Ziegler and W. A. Lanford, «Effect of Cosmic Rays on Computer Memories», Science, 206, 776 (1979)
• Ziegler, et al. IBM Journal of Research and Development. Vol. 40, 1 (1996).
• NASA Introduction to SEU from Goddard Space Flight Center Radiation Effects Facility
• NASA/Smithsonian abstract search.
• «Estimating Rates of Single-Event Upsets», J. Zoutendyk, NASA Tech Brief, Vol. 12, No. 10, item #152, Nov. 1988.
• Boeing Radiation Effects Laboratory, focussed on Avionics
• A Memory Soft Error Measurement on Production Systems, 2007 USENIX Annual Technical Conference, pp. 275–280
• A Highly Reliable SEU Hardened Latch and High-Performance SEU Hardened Flip-Flop, International Symposium on Quality Electronic Design (ISQED), California, USA, March 19—21, 2012

SEU in programmable logic devices

• «Single-Event Upsets: Should I Worry?» Xilinx Corp.
• «Virtex-4: Soft Errors Reduced by Nearly Half!» A. Lesea, Xilinx TecXclusive, 6 May 2005.
• Single Event Upsets Altera Corp.
• Evaluation of LSI Soft Errors Induced by Terrestrial Cosmic rays and Alpha Particles — H. Kobayashi, K. Shiraishi, H. Tsuchiya, H. Usuki (all of Sony), and Y. Nagai, K. Takahisa (Osaka University), 2001.
• SEU-Induced Persistent Error Propagation in FPGAs K. Morgan (Brigham Young University), Aug. 2006.
• Microsemi neutron immune FPGA technology.

SEU in microprocessors

• Elder, J.H.; Osborn, J.; Kolasinski, W. A.; «A method for characterizing a microprocessor’s vulnerability to SEU», IEEE Transactions on Nuclear Science, Dec 1988 v 35 n 6.
• SEU Characterization of Digital Circuits Using Weighted Test Programs
• Analysis of Application Behavior During Fault Injection
• Flight Linux Project

SEU related masters theses and doctoral dissertations

• R. Islam (2011). High-speed Energy-efficient Soft Error Tolerant Flip-flops (masters). Concordia University (M. A. Sc. Thesis).
• T. Z. Fullem (2006). Radiation detection using single event upsets in memory chips. Binghamton University (M. S. Thesis). ISBN 978-0-542-78484-2. ProQuest 304928976.
• C. L. Howe (2005). Radiation-induced energy deposition and single event upset error rates in scaled microelectronic structures (thesis). Vanderbilt University (M. S. Thesis).
• J. A. Thompson (1997). Design, Construction and Programming of a Microcontroller-Based Testbench Suitable for Radiation Testing of Microelectronic Circuits. Naval Postgraduate School (M. S. Thesis). Archived from the original on September 30, 2007.
• D. R. Roth (1991). The role of charge collection in the single event upset. Clemson University (M. S. Thesis).
• A. G. Costantine (1990). An Advanced Single Event Upset Tester. Rensselaer Polytechnic Institute (Ph. D Thesis).

Расстроены одним событием ( ГСО ) является изменение состояния , вызванное одной ионизирующей частицей (ионы, электроны, фотоны …) поражает чувствительный узел в микро-электронное устройство, например, в микропроцессор , полупроводниковой памяти , или силовые транзисторы . Изменение состояния является результатом свободного заряда, создаваемого ионизацией в важном узле логического элемента или рядом с ним (например, «бит» памяти). Ошибка в выводе или работе устройства, вызванная забастовкой, называется SEU или программной ошибкой .

Сам по себе SEU не считается необратимо повреждающим функциональность транзистора или схем, в отличие от случая однократного срабатывания защелки (SEL), однократного разрыва затвора (SEGR) или однократного сгорания (SEB). Все это примеры общего класса радиационных эффектов в электронных устройствах, называемых эффектами единичного события (SEE).

История

Одноразовые сбои были впервые описаны во время наземных ядерных испытаний с 1954 по 1957 год, когда в электронном контрольном оборудовании наблюдались многие аномалии. Другие проблемы наблюдались в космической электронике в 1960-х годах, хотя было трудно отделить мягкие отказы от других форм помех. В 1972 году спутник Hughes испытал сбой, когда связь со спутником была потеряна на 96 секунд, а затем восстановлена. Ученые д-р Эдвард С. Смит, Аль-Холман и д-р Дэн Биндер объяснили аномалию как единичное событие (SEU) и опубликовали первую статью SEU в журнале IEEE Transactions on Nuclear Science в 1975 году. В 1978 году вышла первая статья. Свидетельства мягких ошибок от альфа-частиц в упаковочных материалах были описаны Тимоти С. Мэй и М. Х. Вудсом. В 1979 году Джеймс Зиглер из IBM вместе с У. Лэнфордом из Йельского университета впервые описали механизм, посредством которого космические лучи на уровне моря могут вызвать единственное нарушение в электронике. В 1979 году также было проведено первое в мире испытание «эффектов единичного события» тяжелых ионов на ускорителе элементарных частиц, проведенное на 88-дюймовом циклотроне и Беватроне Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли .

Причина

Земные SEU возникают из-за столкновения космических частиц с атомами в атмосфере, создавая каскады или потоки нейтронов и протонов, которые, в свою очередь, могут взаимодействовать с электронными цепями. При глубокой субмикронной геометрии это влияет на полупроводниковые устройства в атмосфере.

В космосе ионизирующие частицы высокой энергии существуют как часть естественного фона, называемого галактическими космическими лучами (ГКЛ). События с солнечными частицами и протоны высоких энергий, захваченные в магнитосфере Земли ( радиационные пояса Ван Аллена ), усугубляют эту проблему. Высокие энергии, связанные с явлением в среде космических частиц, обычно делают усиленную защиту космических аппаратов бесполезной с точки зрения устранения SEU и катастрофических единичных явлений (например, деструктивного защелкивания ). Вторичные атмосферные нейтроны, генерируемые космическими лучами, также могут иметь достаточно высокую энергию для производства SEU в электронике при полетах самолетов над полюсами или на большой высоте. Незначительные количества радиоактивных элементов в пакетах микросхем также приводят к SEU.

Тестирование на чувствительность SEU

Чувствительность устройства к SEU можно оценить эмпирически, поместив тестовое устройство в поток частиц на циклотроне или другом ускорителе частиц . Эта конкретная методика испытаний особенно полезна для прогнозирования SER (коэффициента мягких ошибок) в известных космических средах, но может быть проблематичной для оценки земной SER по нейтронам. В этом случае необходимо оценить большое количество деталей, возможно, на разных высотах, чтобы определить фактическую скорость высадки.

Другой способ эмпирической оценки устойчивости к SEU — использовать камеру, защищенную от излучения, с известным источником излучения, например цезием-137 .

При тестировании микропроцессоров для SEU программное обеспечение, используемое для тестирования устройства, также должно быть оценено, чтобы определить, какие разделы устройства были активированы при возникновении SEU.

СЭУ и схемотехника

По определению, блоки SEU не разрушают задействованные схемы, но могут вызывать ошибки. В микропроцессорах космического базирования одной из наиболее уязвимых частей часто является кэш-память 1-го и 2-го уровня, потому что они должны быть очень маленькими и иметь очень высокую скорость, что означает, что они не удерживают большой заряд. Часто эти кэши отключаются, если наземные проекты настраиваются для работы с SEU. Другой уязвимостью является конечный автомат в микропроцессорном управлении, поскольку из-за риска входа в «мертвые» состояния (без выходов), однако эти схемы должны управлять всем процессором, поэтому они имеют относительно большие транзисторы для обеспечения относительно больших электрических цепей. токам и не так уязвимы, как можно было бы подумать. Еще один уязвимый компонент процессора — оперативная память. Чтобы обеспечить устойчивость к SEU, часто используется память с исправлением ошибок вместе со схемой для периодического чтения (ведущего к исправлению) или очистки (если считывание не приводит к исправлению) памяти ошибок, прежде чем ошибки перегрузят схему исправления ошибок. .

В цифровых и аналоговых схемах одно событие может вызвать распространение одного или нескольких импульсов напряжения (т. Е. Выбросов) по схеме, и в этом случае это называется переходным процессом с единичным событием (SET). Поскольку распространяющийся импульс технически не является изменением «состояния», как в памяти SEU, следует различать SET и SEU. Если SET распространяется по цифровой схеме и приводит к фиксации неверного значения в последовательном логическом блоке, он считается SEU.

Аппаратные проблемы также могут возникать по связанным причинам. При определенных обстоятельствах (как схемотехнической конструкции, технологического процесса и свойств частиц) « паразитный » тиристор, присущий конструкциям КМОП, может быть активирован, эффективно вызывая кажущееся короткое замыкание между питанием и землей. Это состояние называется защелкиванием и при отсутствии конструктивных мер защиты часто приводит к разрушению устройства из-за теплового разгона . Большинство производителей проектируют так, чтобы предотвратить защелкивание, и тестируют свои продукты, чтобы убедиться, что защелкивание не происходит из-за ударов атмосферных частиц. Чтобы предотвратить защемление в пространстве, часто используются эпитаксиальные подложки, кремний на изоляторе (SOI) или кремний на сапфире (SOS) для дальнейшего снижения или устранения восприимчивости.

Известный SEU

• На выборах 2003 года в брюссельском муниципалитете Схарбек ( Бельгия ) аномальное зарегистрированное количество голосов послужило поводом для расследования, в ходе которого был сделан вывод, что SEU несет ответственность за предоставление кандидату 4096 дополнительных голосов. На возможность расстройства из-за одного события указывает разница в голосах, эквивалентная степени двойки, 2 ¹² .
• В 2013 году speedrunner из 64 Супер Марио видеоигры с помощью Nintendo 64 консоли испытали глюк , который телепортировался Марио выше в стадии «Tick Tock Clock». Считается, что это было вызвано SEU, переворачивающим восьмой бит первого байта высоты Марио. это подняло их на более высокую платформу.

Смотрите также

• Радиационное упрочнение
• Космические лучи
• Расстояние Хэмминга
• Бит четности
• Код Грея
• Код Либоу-Крейга  [ de ] / Код Джонсона  [ de ]
• Счетчик Джонсона

использованная литература

дальнейшее чтение

Генеральный ГЭУ

• TC May и MH Woods, IEEE Trans Electron Devices ED-26, 2 (1979)
• www.seutest.com — ресурсы по тестированию программных ошибок для поддержки протокола тестирования JEDEC JESD89A.
• Дж. Ф. Циглер и В. А. Ланфорд, «Влияние космических лучей на компьютерную память», Science , 206, 776 (1979)
• Зиглер и др. Журнал исследований и разработок IBM. Vol. 40, 1 (1996) .
• НАСА Введение в SEU от Центра космических полетов Годдарда Средство по радиационным эффектам
• НАСА / Смитсоновский абстрактный поиск .
• «Оценка скорости одиночных расстройств», J. Zoutendyk, NASA Tech Brief , Vol. 12, No. 10, item # 152, ноябрь 1988 г.
• Лаборатория радиационных эффектов Boeing, специализирующаяся на авионике
• Измерение программных ошибок памяти в производственных системах, Ежегодная техническая конференция USENIX 2007 г., стр. 275-280
• Высоконадежная защелка с усиленной защитой SEU и высокопроизводительный триггер с повышенной степенью защиты SEU, Международный симпозиум по качественному проектированию электроники (ISQED), Калифорния, США, 19—21 марта 2012 г.

СЭУ в устройствах с программируемой логикой

• «Расстройства, связанные с одним событием: стоит ли мне волноваться?» Xilinx Corp.
• «Virtex-4: количество мягких ошибок уменьшено почти вдвое!» А. Лесеа, Xilinx TecXclusive, 6 мая 2005 г.
• Отдельное событие расстраивает Altera Corp.
• Оценка мягких ошибок LSI, вызванных земными космическими лучами и альфа-частицами — Х. Кобаяси, К. Сираиси, Х. Цучия, Х. Усуки (все Sony) и Ю. Нагаи, К. Такахиса (Университет Осаки), 2001.
• Вызванное SEU устойчивое распространение ошибок в ПЛИС К. Морган (Университет Бригама Янга), август 2006 г.
• Микрополунейтронная иммунная ПЛИС.

СЭУ в микропроцессорах

• Старейшина, JH; Osborn, J .; Коласинский, Вашингтон; «Метод определения уязвимости микропроцессора к SEU», IEEE Transactions on Nuclear Science , декабрь 1988 г., v 35, n 6.
• SEU-характеристика цифровых схем с использованием программ взвешенных испытаний
• Анализ поведения приложения во время ввода неисправностей
• Проект Flight Linux

ГЭУ по тематике магистерских и докторских диссертаций

• Р. Ислам (2011). Высокоскоростные энергоэффективные мягкие устойчивые к ошибкам триггеры (мастера). Университет Конкордия (кандидатская диссертация).
• Т.З. Фуллем (2006). Обнаружение излучения с использованием единичных сбоев в микросхемах памяти . Бингемтонский университет (диплом магистра). ISBN 978-0-542-78484-2. ProQuest  304928976 .
• CL Howe (2005). Радиационно-индуцированное выделение энергии и частота ошибок одиночного события в масштабируемых микроэлектронных структурах . Университет Вандербильта (докторская диссертация).
• Дж. А. Томпсон (1997). Проектирование, конструирование и программирование испытательного стенда на основе микроконтроллера, пригодного для радиационных испытаний микроэлектронных схем . Военно-морская аспирантура (дипломная работа).
• ДР Рот (1991). Роль сборов в единичном событии огорчила . Университет Клемсона (докторская диссертация).
• А. Г. Костантин (1990). Усовершенствованный тестер расстройства отдельного события . Политехнический институт Ренсселера (докторская диссертация).

Расстроены одним событием ( ГСО ) является изменение состояния , вызванное одной ионизирующей частицей (ионы, электроны, фотоны …) поражает чувствительный узел в микро-электронное устройство, например, в микропроцессор , полупроводниковой памяти , или силовые транзисторы . Изменение состояния является результатом свободного заряда, создаваемого ионизацией в важном узле логического элемента или рядом с ним (например, «бит» памяти). Ошибка в выводе или работе устройства, вызванная забастовкой, называется SEU или программной ошибкой .

Сам по себе SEU не считается необратимо повреждающим функциональность транзистора или схем, в отличие от случая однократного срабатывания защелки (SEL), однократного разрыва затвора (SEGR) или однократного сгорания (SEB). Все это примеры общего класса радиационных эффектов в электронных устройствах, называемых эффектами единичного события (SEE).

Единичные сбои были впервые описаны во время наземных ядерных испытаний с 1954 по 1957 год, когда в электронном контрольном оборудовании наблюдались многие аномалии. Другие проблемы наблюдались в космической электронике в 1960-х годах, хотя было трудно отделить мягкие отказы от других форм помех. В 1972 году спутник Hughes испытал сбой, когда связь со спутником была потеряна на 96 секунд, а затем восстановлена. Ученые доктор Эдвард С. Смит, Аль Холман и доктор Дэн Биндер объяснили аномалию как единичное событие (SEU) и опубликовали первую статью SEU в журнале IEEE Transactions on Nuclear Science в 1975 году. ^[2] В 1978 году , первое свидетельство мягких ошибок от альфа-частицв упаковочных материалах был описан Timothy C. May и MH Woods. В 1979 году Джеймс Зиглер из IBM вместе с У. Лэнфордом из Йельского университета впервые описали механизм, посредством которого космические лучи на уровне моря могут вызвать единственное нарушение в электронике. В 1979 году также было проведено первое в мире испытание «эффектов единичного события» тяжелых ионов на ускорителе элементарных частиц, проведенное на 88-дюймовом циклотроне и Беватроне Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли . ^[3]

Земные SEU возникают из-за столкновения космических частиц с атомами в атмосфере, создавая каскады или потоки нейтронов и протонов, которые, в свою очередь, могут взаимодействовать с электронными цепями. При глубокой субмикронной геометрии это влияет на полупроводниковые устройства в атмосфере.

В космосе ионизирующие частицы высокой энергии существуют как часть естественного фона, называемого галактическими космическими лучами (ГКЛ). События с солнечными частицами и протоны высоких энергий, захваченные в магнитосфере Земли ( радиационные пояса Ван Аллена ), усугубляют эту проблему. Высокие энергии, связанные с явлением в среде космических частиц, обычно делают усиленную защиту космического корабля бесполезной с точки зрения устранения SEU и катастрофических единичных явлений (например, деструктивного защелкивания ). Вторичные атмосферные нейтроны, генерируемые космическими лучамитакже может иметь достаточно высокую энергию для производства SEU в электронике при полетах самолетов над полюсами или на большой высоте. Незначительные количества радиоактивных элементов в пакетах микросхем также приводят к SEU.

Чувствительность устройства к SEU можно оценить эмпирически, поместив тестовое устройство в поток частиц на циклотроне или другом ускорителе частиц . Эта конкретная методология испытаний особенно полезна для прогнозирования SER (коэффициента мягких ошибок) в известных космических средах, но может быть проблематичной для оценки земной SER по нейтронам. В этом случае необходимо оценить большое количество деталей, возможно, на разных высотах, чтобы определить фактическую скорость высадки.