陳冬梅 譚志新 孫旭朋 底桐 白樺

摘要：本文利用中國散裂中子源（CSNS）反角白光中子束線開展了45nm工藝XC6SLX150、XC6SLX16兩款SRAM型FPGA器件大氣中子單粒子效應(yīng)地面模擬試驗，分析獲得了器件截面數(shù)據(jù)并與之前結(jié)果進行比較。結(jié)果表明，同工藝器件中子單粒子效應(yīng)截面基本一致，反角白光中子源、LANSCE散裂源及國內(nèi)14MeV單能中子源單粒子試驗截面基本一致，驗證了反角白光中子源開展大氣中子單粒子試驗的可行性。

關(guān)鍵詞：散裂中子源；反角白光中子；FPGA；單粒子

中圖分類號：V216.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.009

大氣中子輻射會觸發(fā)非現(xiàn)場編程邏輯器件（FPGA）、內(nèi)建隨機靜態(tài)存儲器（SRAM）出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）等軟錯誤現(xiàn)象，進而導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障，因此一些關(guān)鍵場合下的FPGA應(yīng)用必須經(jīng)過單粒子效應(yīng)測試才能投入使用。除了高原大氣中子單粒子試驗外，還可以采用單能中子源、散裂中子源等模擬加速單粒子測試過程[1]。散裂中子源被廣泛采用的主要原因是其中子產(chǎn)生機制和宇宙射線在大氣層中簇射產(chǎn)生次級粒子的機制相似，因而其能譜與自然環(huán)境的中子能譜比較接近，如LANSCE ICE House的散裂中子源能譜與地面能譜的形狀相似，而且散裂中子源的中子注量率是自然環(huán)境下海平面中子注量率的3×108倍[2]，因此可以顯著加快器件的測試過程。

近年來，國際電工委員會（IEC）、美國聯(lián)邦航空局（FAA）等機構(gòu)對于機載電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)評價和減緩措施已經(jīng)高度重視，目前國內(nèi)針對大氣中子單粒子效應(yīng)已開展了相應(yīng)防護設(shè)計與14MeV單粒子效應(yīng)試驗評價研究[3-11]。中國散裂中子源（CSNS）于2018年8月通過國家驗收，隨即開始對外開放并提供穩(wěn)定的試驗束流。CSNS包含多條類大氣中子輻照射線，包括CSNS 20m@41°中子束線，其能譜與大氣中子譜非常接近，不過目前還在建設(shè)中；在CSNS入射質(zhì)子的反方向為反角白光中子束線，該束線的出射中子同樣沒有經(jīng)過慢化器，因此具有較高流強的百MeV能量的快中子成分，同樣適用于開展單粒子效應(yīng)測試[12]。為了驗證反角白光中子源對于開展器件單粒子試驗的適用性，本文選定已在國內(nèi)14MeV單能中子源上開展單粒子試驗的器件進行單粒子效應(yīng)試驗，并與國外廠家公布的可靠性數(shù)據(jù)進行比對分析。由于選用的器件非硼硅玻璃（BPSG）工藝[10]，10B引起的熱中子效應(yīng)非常小，因此不予考慮[13]。

1試驗情況

XC6SLX150、XC6SLX16均為XILINX公司Spartan-6系列SRAM型FPGA，這兩款器件都是45nm工藝。單粒子效應(yīng)監(jiān)測有動態(tài)和靜態(tài)兩種方法，考慮到JTAG接口回讀數(shù)據(jù)的非實時性，本文采用的是靜態(tài)監(jiān)測方法。XC6SLX150配置了兩套程序進行試驗，XC6SLX16配置了一套程序進行試驗。器件的基本信息見表1。輻照后回讀FPGA的配置單元與輻照前配置單元的回讀數(shù)據(jù)相比較，統(tǒng)計錯誤的Bit數(shù)。增加測量的單粒子事件數(shù)可以減少隨機誤差，因此本次試驗要求發(fā)生的錯誤數(shù)均應(yīng)大于100個錯誤數(shù)。同時，在試驗過程中還對器件的電流進行監(jiān)測，監(jiān)測是否發(fā)生單粒子閂鎖（SEL）現(xiàn)象。表2為反角白光中子源注量占比。

試驗現(xiàn)場由兩個區(qū)域組成，分別為輻照間和測試間。試驗樣品布置在反角白光中子源的一廳56m位置，通過激光準(zhǔn)直確保待輻照芯片位于束線中心位置。搭建試驗測試的本地站，試驗件通過仿真器與本地計算機連接；遠(yuǎn)程控制計算機放置于控制室內(nèi)，通過網(wǎng)絡(luò)控制試驗進行。設(shè)備布局示意如圖1所示。

試驗在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下開展，保持室溫在15～35℃范圍內(nèi)，相對濕度在20%～80%范圍內(nèi)。器件的中子輻照非均勻度小于10%，輻照束斑直徑60mm，中子注量率為8.03×106/（cm2·s）。

2試驗結(jié)果

XC6SLX150型FPGA執(zhí)行LED_150測試用例，共計輻照3673s，累計中子注量為2.9489×1010n/cm2，累計翻轉(zhuǎn)數(shù)為1052次。XC6SLX150型FPGA執(zhí)行RAM_150測試用例，共計輻照4635s，累計中子注量為3.7068×1010n/cm2，累計翻轉(zhuǎn)數(shù)為1413次。XC6SLX16型FPGA執(zhí)行LED_16測試用例，共計輻照4635s，累計中子注量為3.8698×1010n/cm2，累計翻轉(zhuǎn)數(shù)為192次。試驗過程中兩款器件均未觀察到SEL現(xiàn)象。圖2為反角白光中子源FPGA配置位翻轉(zhuǎn)錯誤數(shù)隨輻照時間的變化情況。從試驗結(jié)果可以看出，隨時間變化，翻轉(zhuǎn)錯誤數(shù)線性遞增，趨勢一致性較好，這與試驗期間CSNS穩(wěn)定供束的情況一致。圖3為FPGA配置位翻轉(zhuǎn)錯誤數(shù)示意圖。試驗結(jié)果見表3。

由于XC6SLX16配置位容量為XC6SLX150配置位容量的1/10左右，因此翻轉(zhuǎn)位數(shù)趨勢較低。將其轉(zhuǎn)換為翻轉(zhuǎn)位數(shù)占總位數(shù)比例后，兩款器件的翻轉(zhuǎn)情況一致性較好，如圖4所示，兩款器件累計翻轉(zhuǎn)位數(shù)占其容量的比例分別為3.65×10-5和5.17×10-5。

3結(jié)果分析

3.1截面

根據(jù)試驗獲得翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，采用JESD89A散裂中子源試驗截面公式計算平均中子截面。

通過計算，獲得兩款器件的單粒子翻轉(zhuǎn)的平均截面。XC6SLX150兩個測試用例單粒子翻轉(zhuǎn)平均截面分別為1.14×10-14cm2/bit，隨機誤差±3.1%；1.22×10-14cm2/bit，隨機誤差±2.7%。XC6SLX16單粒子翻轉(zhuǎn)平均截面為1.44×10-14cm2/bit，隨機誤差±8.6%。從平均截面可以看出，同一器件兩次試驗結(jié)果平均截面基本一致，同工藝兩款器件的平均截面相對誤差在30%以內(nèi)。

3.2對比分析

Xilinx在其2019年可靠性報告中發(fā)布45nm Spartan-6系列FPGA在LANSCE中子源下配置位翻轉(zhuǎn)截面為1.00×10-14cm2/bit（>10MeV）[14]，誤差為±18%。

本文開展的XC6SLX150兩次國內(nèi)14MeV中子單粒子試驗截面分別為1.00×10-14cm2/bit，隨機誤差±8.6%；8.37×10-15cm2/bit，隨機誤差±9.3%。

兩款器件在不同中子源下的誤差如圖4所示，可以看出，整體上45nm的FPGA的SEU截面在1.00×10-14cm2/bit量級，整體偏差不超過30%，不同源之間獲得截面數(shù)據(jù)一致性較好。不同源之間獲得截面數(shù)據(jù)具有一定的偏差，但在同一量級水平?？紤]反角白光中子源能譜偏軟，與大氣中子能譜相比，其1～10MeV低能成分占比偏高，大于10MeV的中子成分偏低，因此可能是由于計算公式（1）中考慮的有效中子成分偏低導(dǎo)致，表明該器件的SEU閾值可能低于10MeV。

4結(jié)論

通過分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）45nm Spartan-6系列FPGA在CSNS散裂中子源反角白光中子源下發(fā)生SEU，在中子能量>10MeV情況下其截面在1.00×10-14cm2/bit量級。

（2）對于45nm SRAM型FPGA器件，反角白光中子源在能量大于10MeV時的截面與14MeV單能中子源獲取截面具有一定差異，這可能是由于SEU閾值取值偏高引起的。單粒子效應(yīng)測試結(jié)果不僅與器件有關(guān)，還與束線能譜中不同組分的占比有關(guān)，因此需要開展不同輻照源之間的對比，這也是我們本次測量的出發(fā)點，后續(xù)我們將繼續(xù)關(guān)注該問題。

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作者簡介

陳冬梅（1969-）女，碩士，高級工程師。主要研究方向：空間輻射環(huán)境可靠性及試驗。

Tel：010-58830061E-mail：steayf@163.com

譚志新（1979-）男，博士，助理研究員。主要研究方向：白光中子成像及中子輻照應(yīng)用。

Tel：0769-89156331E-mail：tanzhixin@ihep.ac.cn

Experimental Study of SEE in SRAM Based FPGA by Neutrons from Back-n Beamline at CSNS

Chen Dongmei1，Tan Zhixin2，Sun Xupeng1，Di Tong1，Bai Hua1

1. Beijing San-talking Testing Engineering Academy，Co. Ltd.，Beijing 100089，China 2. Spallation Neutron Source Science Center，Dongguan 523803，China

Abstract： The ground simulation experiments of atmospheric neutron single event effects for XC65LX150 and XC6SLX16 FPGA devices in 45nm process have been carried out with the Chinese Spallation Neutron Source （CSNS） Back-n Beamline white neutron source， and the SEU cross section data is obtained. It shows that the cross section is basically the same for the two devices， and the cross sections obtained by the LANSCE spallation source and the 14MeV neutron source are very close. The feasibility of atmospheric neutron single event effect test for Back-n Beam line white neutron source is verified.

Key Words： CSNS； Back-n beamline white neutron； FPGA； SEE