“单粒子效用”是对处理芯片危害更大的辐射源效用

这种统计表明，航天应用中电子元器件的关键常见故障来自室内空间辐射源，单粒子效用导致的常见故障占很大比例。由于数字芯片的集成电路技术，已经很难按照完全定制的电源电路构建方法进行设计和制造，立即加强商用处理技术库的结构是成本最低的设计方案选择。

电子设备系统软件是星链、火星车、月兔、仙女等航天飞机的关键支撑点，而航天处理芯片是航天电子设备的心血管系统。武林中流传着一个传说，Xilinx的航天级FPGA处理芯片售价约500万元，是历史上最贵的处理芯片。这个传说不是说完全没有根据。航天级加工芯片必须具备抗辐照特性，其净值通常是日常生活中常用的消费级加工芯片的几十倍甚至无数倍。

那么，与消费级的处理芯片相比，这种昂贵的航天级处理ADM232LAR芯片在设计上有什么独特之处呢？

(1)航天处理芯片所在的室内环境。

航天飞机运行的室内环境中有许多高能粒子和宇宙射线。这种粒子和辐射会通过航天飞机屏蔽该层，并与电子器件的原材料相互作用，产生辐射源的效能，导致元器件特性恶化或功能异常，危及航天飞机在轨安全。室内空间中导致组件辐射源效用的关键放射性物质包括地球辐射带、恒星宇宙射线、太阳光宇宙射线和人体辐射源。

其中，“单粒子效用”是对处理芯片危害更大的辐射源效用。据数据分析，1985年至1986年，39颗同步卫星共发生1589起常见故障，其中1129起常见故障与室内空间辐射源有关，621起常见故障由单粒子效用引起。这种统计表明，航天应用中电子元器件的关键常见故障来自室内空间辐射源，单粒子效用导致的常见故障占很大比例。

这些常见故障有的是永久性不可逆的，比如单粒子锁定造成#处理芯片内部局部短路，进而造成大电流损坏元器件。可以使用一些特殊的处理技术或组件库来防止这种不准确性。

外层空间的绝大多数误差都是由半导体元件的逻辑条件振荡引起的可修复误差。例如 storage的存储内容由于单个粒子的旋转而不正确。

单事件扰动(SEU)是指由电子设备的辐照危害引起的电势差振荡，“0”变为“1”或“1”变为“0”，但通常不容易对部件造成物理损坏。因为“单粒子旋转”经常出现，所以在集成电路设计中必须注意。

这也是本文的重点。2.如何在集成电路设计中安全地保护“单粒子旋转”(1)在航空航天工业中选择合适的加工工艺并不是说加工工艺越低越好。

一般来说，加工工艺越小，对辐照度的工作能力越差。因此，为了更好地保证 ，一般需要选择图形边界较大的工艺，如0.18um、90nm、65nm等。，并且不容易盲目追求具有完美颠覆性创新的最前沿技术。

(2)结构加固标准单元加工工艺库。

标准细胞处理技术库是数字芯片的基础。如果把数字芯片当成工程建筑，那么标准单元处理技术库就是工程建筑的砖块。标准单元处理技术库包含反相器、跟随器、存储器、选择器、全加器等各种基本模块。每个标准电池配有几个不同规格(W/L)和不同驱动器工作能力的模块电源电路。根据这个基本模块，可以形成复杂的数字芯片。

由于数字芯片的集成电路技术，已经很难按照完全定制的电源电路构建方法进行设计和制造，立即加强商用处理技术库的结构是成本最低的设计方案选择。

厂家提出的标准单元库基本上集成了防辐射结构加固措施，使设计方案出来的I/O模块库具有防辐射工作能力。结构加固后，加工工艺库必须通过芯片加工流程表认证。

(3)设计方案冗余。

三模冗余是抗辐射结构加固中最有意义的容错和纠错机制。同时，三个功能相同的控制模块进行相同的实际操作。由于单个粒子旋转的瞬时速度只能翻转一个方向，“三选二”表决器可以选择其他两个方向的合适结果，提高电子控制系统的可信度。三模冗余最明显的优点是纠错能力强，设计方案简单，进一步提高了电源电路的可信度；但缺陷不言而喻，会将供电电路放大3倍以上。

TMR是一种灵活的方式，可以根据性能测试方案，在存储器级、电源电路级、控制模块级等随机级别进行设计，也可以自动插入一些EDA专用工具。

误差检测和校正(EDAC)也是一种简单有效的单粒子旋转安全保护电路原理。根据检错纠错的基本原理，EDAC将加载的数据信息形成校验码，并根据转换电源电路进行存储。读取时，判断校验码。如果只有一个出现故障的系统软件，它将自动纠正并输出适当的数据信息。此外，它将继续写回数据信息，以覆盖原始的失败数据信息。

虽然EDAC有很强的纠错能力，但它必须纠正错误和解码器的电源电路，因此它的结构复杂，不适合性能优良的数据通道。EDAC也可以用来纠正多位故障，但纠正电源电路会更复杂。

衡量TMR和EDAC的优劣，时序逻辑电路的设计方案一般采用TMR，存储器读写能力的电源电路采用EDAC。

(4)独立控制模块。

单粒子旋转是经常发生的，所以要充分考虑旋转不会损害处理芯片的整体功能。所以在架构模式下，一定要尽量保证 控制模块保持较强的自觉性，并尽可能具有独立的校准功能，使单个粒子翻转数据信号值后，一方面可以根据校准数据信号尽快恢复出故障的电源电路；另一方面，确保正常运行中的 其他控制模块不受影响。

此外，需要升级用于异常检测的电源电路，如果出现异常，可以对电源电路进行校准。综上所述，所描述的方法虽然可以安全地保护单个粒子的旋转效用，但也为逻辑的全面性和布局的合理性造成了许多困惑，这些问题必须在处理芯片物理的整个过程中认真解决。

除上述方法外，还可以引入MullerC模块和双自锁联锁数据存储结构(DICE)对晶体管电源电路进行安全保护，可以用环形栅代替图板中的条形栅。

综上所述，在航空航天行业，加工芯片的特性不是第一考虑的，信誉才是重中之重。只有当处理芯片具有抗辐照能力时，才能保证航天飞机的所有正常运行。