本文介紹精確測(cè)量現(xiàn)代高安全性、高速半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的輻射靈敏度需要考慮的一些測(cè)試方法，及時(shí)測(cè)試以防止宇宙射線對(duì)關(guān)鍵汽車電子系統(tǒng)的損壞。 因?yàn)轱@而易見的安全原因，汽車線控駕駛技術(shù)對(duì)汽車電子系統(tǒng)的可靠性要求越來越高。與此同時(shí)，日益降低的成本的要求在汽車電子子系統(tǒng)中采用商用最新的半導(dǎo)體元器件。 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器現(xiàn)在是、將來繼續(xù)是汽車電子子系統(tǒng)的基本器件。隨著未來幾年中對(duì)汽車電子的要求和智能程度的提高，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器在數(shù)量、密度、速度和復(fù)雜性上不可避免地要增加。 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可靠性的一個(gè)方面是其對(duì)輻射的靈敏度，人們對(duì)此已經(jīng)進(jìn)行了透徹研究。 在早期半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中，封裝材料中發(fā)現(xiàn)的放射性污染會(huì)發(fā)射阿爾法粒子（Alpha particle），人們終于發(fā)現(xiàn)這就是早期計(jì)算機(jī)中出現(xiàn)嚴(yán)重系統(tǒng)故障的根本原因。幸運(yùn)的是，早在微電子在汽車中廣泛應(yīng)用之前，人們已經(jīng)確定并大部分地解決了這個(gè)問題。 然而，1994年IBM的研究發(fā)現(xiàn)，存儲(chǔ)器中的地電平因宇宙射線引起的中子通量所造成的軟錯(cuò)誤率（SER）很大，并且SER在較高緯度地區(qū)如美國(guó)丹佛急劇增加。 從這些數(shù)據(jù)可以得到結(jié)論：宇宙射線引起的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器故障不再是一個(gè)“航天問題”。在汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須考慮這種故障的發(fā)生機(jī)制。可靠性工程師必須精確地估計(jì)他們?cè)谠O(shè)計(jì)中所采用的商用存儲(chǔ)器件對(duì)輻射的靈敏度。因此，需要測(cè)試能力以精確地測(cè)量現(xiàn)代存儲(chǔ)器件的輻射靈敏度。 測(cè)試任務(wù) 下圖顯示了經(jīng)典的同步動(dòng)態(tài)RAM（SDRAM）存儲(chǔ)器架構(gòu)的方塊圖，其功能包括： —以額定速度同步內(nèi)部存儲(chǔ)器工作的數(shù)字鎖相環(huán)（DLL）； —為不間隔連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交織的多個(gè)模塊； —控制內(nèi)部管道工作的延遲電路； —從單一外部起始地址產(chǎn)生突發(fā)串行或交織地址的邏輯； —選擇陣列中單元的字線和位線編碼器； —刷新電路 —在讀周期期間檢測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)的感應(yīng)放大器； 任何測(cè)試程序都要考慮上述每一個(gè)功能的正常工作，以精確估計(jì)存儲(chǔ)器的輻射靈敏度。 1991年的一項(xiàng)研究顯示，隨著器件速度的增加，輻射引起的故障率會(huì)急劇增加，其中大部分原因是感應(yīng)放大器的易受攻擊性隨著頻率的增加而增加。 在主動(dòng)感應(yīng)過程中，由感應(yīng)放大器測(cè)量的差分電壓很小，并且易于受到輻射引起的單次事件的擾亂（SEU）。隨著時(shí)鐘速率的增加，感應(yīng)放大器易于遭受單次事件效應(yīng)攻擊的時(shí)間百分比會(huì)增加。此外，由于存儲(chǔ)單元的大小和工作電壓的減少，感應(yīng)放大器更易于遭受輻射引起的錯(cuò)誤的攻擊。 因此，要在存儲(chǔ)器以最高可能的數(shù)據(jù)率運(yùn)行且以滿指標(biāo)工作時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)器測(cè)試來獲得精確的軟錯(cuò)誤率（SER）測(cè)量值。 多段工作 現(xiàn)代存儲(chǔ)器采用多段設(shè)計(jì)，容許交織數(shù)據(jù)字以實(shí)現(xiàn)高速工作。所測(cè)得的SER受到所激活的感應(yīng)放大器數(shù)量的重要影響；也就是說，受到同時(shí)工作的存儲(chǔ)段的數(shù)量的影響。 因此，必須利用并控制不同段的交織方案以量化它們對(duì)SER測(cè)量的影響。 上圖顯示了一個(gè)激活了所有4個(gè)存儲(chǔ)段的存儲(chǔ)器模式序列的例子，它利用突發(fā)和反應(yīng)時(shí)間來生成待以“無(wú)間隔”操作輸出的連續(xù)數(shù)據(jù)流。這種工作模式因具有高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮锰幎艿侥承┯?jì)算操作的青睞。然而，這種模式也更易于遭受輻射引起的錯(cuò)誤的攻擊，因?yàn)樗瑫r(shí)激活了所有段，因此，在最敏感的狀態(tài)下具有更多同時(shí)工作的感應(yīng)放大器。 在DLL“保持鎖定”的速度之上進(jìn)行測(cè)試 為了最小化易受輻射攻擊的存儲(chǔ)器和系統(tǒng)，工程師必須在各種交織、突發(fā)和激活方案下分析存儲(chǔ)器的輻射靈敏度，并相應(yīng)地設(shè)計(jì)周圍的系統(tǒng)工作。 現(xiàn)代存儲(chǔ)器利用數(shù)字鎖相環(huán)（DLL）來同步各種內(nèi)部電路的工作，以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。DLL在某一個(gè)頻點(diǎn)不能保持同步。 現(xiàn)代同步存儲(chǔ)器的最小“保持鎖定”的頻率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。最小DLL頻率指標(biāo)超過100MHz的情況很常見。在最小頻率之下，存儲(chǔ)器工作在不同的模式，它不會(huì)反映真實(shí)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器的工作。 一些研究在10MHz數(shù)據(jù)率下測(cè)量了存儲(chǔ)器的輻射靈敏度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于存儲(chǔ)器DLL“保持鎖定”的頻率。為此，那些測(cè)量結(jié)果沒有反映存儲(chǔ)器實(shí)際工作的輻射靈敏度。精確的輻射靈敏度測(cè)量要求，當(dāng)存儲(chǔ)器以最高可能數(shù)據(jù)率（至少要高于最小DLL工作速度）運(yùn)行時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行測(cè)試。 捕獲全器件位圖 全陣列位圖對(duì)于研究存儲(chǔ)器的輻射靈敏度是至關(guān)重要的。位圖錯(cuò)誤是識(shí)別陣列位置故障關(guān)系的主要工具，并利用該信息來優(yōu)化存儲(chǔ)器和系統(tǒng)設(shè)計(jì)以減少輻射靈敏度。 例如，位圖可以回答這樣的問題：兩個(gè)存儲(chǔ)器具有不同的布局靈敏度，那么，它們有不同的輻射靈敏度嗎？最敏感的位是在子陣列邊沿還是在子陣列的中心附近？有沒有內(nèi)部器件對(duì)電源分布敏感？ 全陣列位圖排列和存儲(chǔ)必須接近實(shí)時(shí)，以便連續(xù)監(jiān)測(cè)隨時(shí)間變化的單次事件效應(yīng)，并容許測(cè)試存儲(chǔ)器刷新的依賴性。 存儲(chǔ)器“擾亂”數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的位置，并“感應(yīng)”寫到器件陣列的數(shù)據(jù)，從而容許更密集地布局?jǐn)?shù)據(jù)。兩條臨近的外部地址頻繁地從存儲(chǔ)器陣列中的不同物理位置實(shí)際讀寫數(shù)據(jù)。 在陣列中的臨近位通常具有不同的“感覺”。一位代表的“1”作為單元的充電狀態(tài)；下一位代表的“1”作為單元的未充電狀態(tài)。這就稱為位折疊（bit folding）。 充電單元的輻射靈敏度高于未充電單元的輻射靈敏度，因?yàn)?，所引起的致電離輻射趨向于給單元放電。因此，如果工程師往陣列中全部寫入“1”，那么，陣列的輻射靈敏度就會(huì)被低估；反之，寫入全“0”也一樣。 為了精確測(cè)量和比較存儲(chǔ)器的輻射靈敏度，測(cè)試系統(tǒng)必須解決每一個(gè)器件的“擾亂”方法。傳統(tǒng)上，從商用存儲(chǔ)器制造商不便拿到拓?fù)鋽_亂信息。因此，在輻射靈敏度測(cè)試期間，汽車電子可靠性工程師必須確保解決拓?fù)鋽_亂問題，以建立對(duì)精確測(cè)量輻射靈敏度的信心。 因?yàn)榇鎯?chǔ)器制造商在重要的任務(wù)和高安全性的應(yīng)用（甚至在通用的消費(fèi)應(yīng)用）中面臨日益增加的輻射引起的故障率，他們?cè)絹碓皆敢庠诖祟I(lǐng)域開展合作。 軟錯(cuò)誤功能中斷（SEFI）的測(cè)試要求 暴露在輻射下的存儲(chǔ)器不僅僅丟失數(shù)據(jù)。有時(shí)侯，如果存儲(chǔ)器復(fù)雜控制電路（刷新、段控制、突發(fā)、模式控制等等）的敏感區(qū)域遭受輻射的襲擊，存儲(chǔ)器就會(huì)停止工作。這些事件就是軟錯(cuò)誤功能中斷（SEFI）。 SEFI測(cè)試挑戰(zhàn)包括上述所有SEU測(cè)試要求，以及下列獨(dú)特的要求： —要快速識(shí)別間歇的SEFI事件并分流到測(cè)試子程序； —要快速識(shí)別SEFI的根本原因； —要快速識(shí)別最佳的SEFI恢復(fù)程序； 如果測(cè)試數(shù)據(jù)率和位圖捕獲足夠快的話，所有這些要求都可以滿足。 非易失性存儲(chǔ)器輻射靈敏度測(cè)試面臨的挑戰(zhàn) 對(duì)于分析輻射靈敏度的研究人員來說，非易失性存儲(chǔ)器（NVM）具有獨(dú)特的測(cè)試挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代NVM器件具有高速、同步控制電路和I/O操作，展現(xiàn)了與上述高速SDRAM一樣的挑戰(zhàn)之外，NVM器件的測(cè)試要依賴對(duì)存儲(chǔ)陣列中每一個(gè)單元的模擬電壓門限（Vth）的測(cè)量。下圖顯示了Vth對(duì)閃存器件的典型影響。 對(duì)16Gb（及以上）容量NVM器件的電壓門限的測(cè)量要耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。電壓門限的分布隨輻射暴露時(shí)間而改變。對(duì)所有單元的實(shí)際Vth分布的測(cè)量需用在多個(gè)引腳上進(jìn)行非常高速的電壓測(cè)量。專用電壓門限測(cè)量電路和方法可以把Vth測(cè)量時(shí)間從幾天減少到幾分鐘。 實(shí)時(shí)位圖捕獲容許在大容量NVM器件中測(cè)量輻射引起的錯(cuò)誤的時(shí)間歷史。 本文小結(jié) 現(xiàn)代存儲(chǔ)器對(duì)輻射引起的錯(cuò)誤展示了重要和日益增長(zhǎng)的靈敏度。對(duì)現(xiàn)代半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的輻射靈敏度的精確測(cè)量和比較，需要控制與器件復(fù)雜性相當(dāng)?shù)臏y(cè)試條件。