SRAM型FPGA散裂中子源反角白光中子单粒子试验

陈冬梅 谭志新 孙旭朋 底桐 白桦

摘要：本文利用中国散裂中子源（CSNS）反角白光中子束线开展了45nm工艺XC6SLX150、XC6SLX16两款SRAM型FPGA器件大气中子单粒子效应地面模拟试验，分析获得了器件截面数据并与之前结果进行比较。结果表明，同工艺器件中子单粒子效应截面基本一致，反角白光中子源、LANSCE散裂源及国内14MeV单能中子源单粒子试验截面基本一致，验证了反角白光中子源开展大气中子单粒子试验的可行性。

关键词：散裂中子源；反角白光中子；FPGA；单粒子

中图分类号：V216.5文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.009

大气中子辐射会触发非现场编程逻辑器件（FPGA）、内建随机静态存储器（SRAM）出现单粒子翻转（SEU）等软错误现象，进而导致设备发生故障，因此一些关键场合下的FPGA应用必须经过单粒子效应测试才能投入使用。除了高原大气中子单粒子试验外，还可以采用单能中子源、散裂中子源等模拟加速单粒子测试过程[1]。散裂中子源被广泛采用的主要原因是其中子产生机制和宇宙射线在大气层中簇射产生次级粒子的机制相似，因而其能谱与自然环境的中子能谱比较接近，如LANSCE ICE House的散裂中子源能谱与地面能谱的形状相似，而且散裂中子源的中子注量率是自然环境下海平面中子注量率的3×108倍[2]，因此可以显著加快器件的测试过程。

近年来，国际电工委员会（IEC）、美国联邦航空局（FAA）等机构对于机载电子设备大气中子单粒子效应评价和减缓措施已经高度重视，目前国内针对大气中子单粒子效应已开展了相应防护设计与14MeV单粒子效应试验评价研究[3-11]。中国散裂中子源（CSNS）于2018年8月通过国家验收，随即开始对外开放并提供稳定的试验束流。CSNS包含多条类大气中子辐照射线，包括CSNS 20m@41°中子束线，其能谱与大气中子谱非常接近，不过目前还在建设中；在CSNS入射质子的反方向为反角白光中子束线，该束线的出射中子同样没有经过慢化器，因此具有較高流强的百MeV能量的快中子成分，同样适用于开展单粒子效应测试[12]。为了验证反角白光中子源对于开展器件单粒子试验的适用性，本文选定已在国内14MeV单能中子源上开展单粒子试验的器件进行单粒子效应试验，并与国外厂家公布的可靠性数据进行比对分析。由于选用的器件非硼硅玻璃（BPSG）工艺[10]，10B引起的热中子效应非常小，因此不予考虑[13]。

1试验情况

XC6SLX150、XC6SLX16均为XILINX公司Spartan-6系列SRAM型FPGA，这两款器件都是45nm工艺。单粒子效应监测有动态和静态两种方法，考虑到JTAG接口回读数据的非实时性，本文采用的是静态监测方法。XC6SLX150配置了两套程序进行试验，XC6SLX16配置了一套程序进行试验。器件的基本信息见表1。辐照后回读FPGA的配置单元与辐照前配置单元的回读数据相比较，统计错误的Bit数。增加测量的单粒子事件数可以减少随机误差，因此本次试验要求发生的错误数均应大于100个错误数。同时，在试验过程中还对器件的电流进行监测，监测是否发生单粒子闩锁（SEL）现象。表2为反角白光中子源注量占比。

试验现场由两个区域组成，分别为辐照间和测试间。试验样品布置在反角白光中子源的一厅56m位置，通过激光准直确保待辐照芯片位于束线中心位置。搭建试验测试的本地站，试验件通过仿真器与本地计算机连接；远程控制计算机放置于控制室内，通过网络控制试验进行。设备布局示意如图1所示。

试验在标准大气条件下开展，保持室温在15～35℃范围内，相对湿度在20%～80%范围内。器件的中子辐照非均匀度小于10%，辐照束斑直径60mm，中子注量率为8.03×106/（cm2·s）。

2试验结果

XC6SLX150型FPGA执行LED_150测试用例，共计辐照3673s，累计中子注量为2.9489×1010n/cm2，累计翻转数为1052次。XC6SLX150型FPGA执行RAM_150测试用例，共计辐照4635s，累计中子注量为3.7068×1010n/cm2，累计翻转数为1413次。XC6SLX16型FPGA执行LED_16测试用例，共计辐照4635s，累计中子注量为3.8698×1010n/cm2，累计翻转数为192次。试验过程中两款器件均未观察到SEL现象。图2为反角白光中子源FPGA配置位翻转错误数随辐照时间的变化情况。从试验结果可以看出，随时间变化，翻转错误数线性递增，趋势一致性较好，这与试验期间CSNS稳定供束的情况一致。图3为FPGA配置位翻转错误数示意图。试验结果见表3。

由于XC6SLX16配置位容量为XC6SLX150配置位容量的1/10左右，因此翻转位数趋势较低。将其转换为翻转位数占总位数比例后，两款器件的翻转情况一致性较好，如图4所示，两款器件累计翻转位数占其容量的比例分别为3.65×10-5和5.17×10-5。

3结果分析

3.1截面

根据试验获得翻转数据，采用JESD89A散裂中子源试验截面公式计算平均中子截面。

通过计算，获得两款器件的单粒子翻转的平均截面。XC6SLX150两个测试用例单粒子翻转平均截面分别为1.14×10-14cm2/bit，随机误差±3.1%；1.22×10-14cm2/bit，随机误差±2.7%。XC6SLX16单粒子翻转平均截面为1.44×10-14cm2/bit，随机误差±8.6%。从平均截面可以看出，同一器件两次试验结果平均截面基本一致，同工艺两款器件的平均截面相对误差在30%以内。

3.2对比分析

Xilinx在其2019年可靠性报告中发布45nm Spartan-6系列FPGA在LANSCE中子源下配置位翻转截面为1.00×10-14cm2/bit（>10MeV）[14]，误差为±18%。

本文开展的XC6SLX150两次国内14MeV中子单粒子试验截面分别为1.00×10-14cm2/bit，随机误差±8.6%；8.37×10-15cm2/bit，随机误差±9.3%。

两款器件在不同中子源下的误差如图4所示，可以看出，整体上45nm的FPGA的SEU截面在1.00×10-14cm2/bit量级，整体偏差不超过30%，不同源之间获得截面数据一致性较好。不同源之间获得截面数据具有一定的偏差，但在同一量级水平。考虑反角白光中子源能谱偏软，与大气中子能谱相比，其1～10MeV低能成分占比偏高，大于10MeV的中子成分偏低，因此可能是由于计算公式（1）中考虑的有效中子成分偏低导致，表明该器件的SEU阈值可能低于10MeV。

4结论

通过分析，可以得出以下结论：

（1）45nm Spartan-6系列FPGA在CSNS散裂中子源反角白光中子源下发生SEU，在中子能量>10MeV情况下其截面在1.00×10-14cm2/bit量级。

（2）对于45nm SRAM型FPGA器件，反角白光中子源在能量大于10MeV时的截面与14MeV单能中子源获取截面具有一定差异，这可能是由于SEU阈值取值偏高引起的。单粒子效应测试结果不仅与器件有关，还与束线能谱中不同组分的占比有关，因此需要开展不同辐照源之间的对比，这也是我们本次测量的出发点，后续我们将继续关注该问题。

参考文献

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作者简介

陈冬梅（1969-）女，硕士，高级工程师。主要研究方向：空间辐射环境可靠性及试验。

Tel：010-58830061E-mail：steayf@163.com

谭志新（1979-）男，博士，助理研究员。主要研究方向：白光中子成像及中子辐照应用。

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