前言
从1962年高海拔核测试导致的Telestar卫星失效开始,自然或人造辐射可能干扰电子设备的操作这一事实已被人们所知晓。今天,航天器高度依赖于电子学。因此,空间辐射效应必须在设计阶段就予以考虑,以保证这些项目的高可靠性和安全性要求。即使宇航级器件存在,在设计和/或制造层面采用所谓的辐射效应“加固”,它们相比于同等货架产品(CommercialOffTheShelf,COTS) 的高成本和低性能导致其用于空间的元器件量产(不是专门设计用于空间) 是准强制性的。这给未来任务的可行性和成功带来一个巨大挑战:一方面,必须尽可能地理解空间环境的本质和变化性;另一方面,必须评价空间环境对电子器件的影响,考虑持续演化的技术和多种多样的器件种类。

此外,随着制造技术的持续发展,纳米电子器件的特点(晶体管的尺寸、操作频率)导致其潜在地对地球大气,甚至地面上的粒子敏感。各种各样应用中的大量集成电路产生一个不可忽略的概率:晶体管出现错误,统称为“SEE”

(SingleEventEffects,单粒子效应),源于大气中子与硅中原子核反应产生的二次粒子电离。这使得高可靠性/安全性的应用必须强制地在应用设计的前期考虑这些问题,引入需要的硬件/软件错误耐受性机制。

估计一个器件或架构对辐射的敏感性是深入了解辐射对可靠性/安全性层次影响的强制步骤。这样一个步骤要求辐射地面测试,即所谓的加速测试,通过辐射装置,如粒子加速器或激光设备,和对应用环境建模的软件工具来执行。这样的估计,尤其对于导致存储器单元内容扰动的单粒子翻转(SEU),也可能要求实现故障注入;在故障注入中,辐射效应的影响在对目标器件合适描述可用的层次被考虑。基于不使用束流的故障注入方法获得结果的实现和利用构成了一个宝贵的信息源,涉及应用的SEE敏感性估计和一个设计或架构潜在的、应被加固的弱点识别。

本书致力于为读者提供重要的指南,用于处理当今空间以及高海拔大气或地面应用中应当包括的元器件辐射效应。本书包括一系列章节,基于2005年11月20-25日在巴西玛瑙斯市举办的“用于空间的嵌入式系统辐射效应国际学校”

的内容。本书共分十二章,前三章分别涉及空间辐射环境的分析和建模、电子器件辐射效应的基础机理、累积或瞬态辐射效应导致的一系列已知的电子器件飞行异常案例描述。

接着的三章致力于多级错误效应的评价、辐射对模拟和混合信号电路的影响[转变为单粒子瞬态(SET)和单粒子翻转(SEU)]、用于SEU模拟的脉冲激光技术基理。

后续的三章涉及辐射效应的减缓技术:用于CMOS技术、保护电路不受辐射效应影响的设计加固(HBD) 方法学,FPGA中的辐射效应和相关的缓和技术,设计加固自动工具的研究和进展。

最后三章致力于SEE和剂量测试的装置描述、数字架构错误率预计的测试方法学和工具以及一个脉冲激光系统用于研究辐射导致的集成电路单粒子瞬态的可能性。列出了三个案例研究,用于说明这种技术空间和时间分辨率的优点。

RaoulVelazco,PascalFouillat,RicardoReis


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