本文介紹精確測量現代高安全性、高速半導體存儲器的輻射靈敏度需要考慮的一些測試方法，及時測試以防止宇宙射線對關鍵汽車電子系統的損壞。 因為顯而易見的安全原因，汽車線控駕駛技術對汽車電子系統的可靠性要求越來越高。與此同時，日益降低的成本的要求在汽車電子子系統中采用商用最新的半導體元器件。 半導體存儲器現在是、將來繼續是汽車電子子系統的基本器件。隨著未來幾年中對汽車電子的要求和智能程度的提高，半導體存儲器在數量、密度、速度和復雜性上不可避免地要增加。 半導體存儲器可靠性的一個方面是其對輻射的靈敏度，人們對此已經進行了透徹研究。 在早期半導體存儲器中，封裝材料中發現的放射性污染會發射阿爾法粒子（Alpha particle），人們終于發現這就是早期計算機中出現嚴重系統故障的根本原因。幸運的是，早在微電子在汽車中廣泛應用之前，人們已經確定并大部分地解決了這個問題。 然而，1994年IBM的研究發現，存儲器中的地電平因宇宙射線引起的中子通量所造成的軟錯誤率（SER）很大，并且SER在較高緯度地區如美國丹佛急劇增加。 從這些數據可以得到結論：宇宙射線引起的半導體存儲器故障不再是一個“航天問題”。在汽車電子系統設計中，必須考慮這種故障的發生機制。可靠性工程師必須精確地估計他們在設計中所采用的商用存儲器件對輻射的靈敏度。因此，需要測試能力以精確地測量現代存儲器件的輻射靈敏度。 測試任務 下圖顯示了經典的同步動態RAM（SDRAM）存儲器架構的方塊圖，其功能包括： —以額定速度同步內部存儲器工作的數字鎖相環（DLL）； —為不間隔連續傳輸數據進行數據交織的多個模塊； —控制內部管道工作的延遲電路； —從單一外部起始地址產生突發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 —在讀周期期間檢測數據狀態的感應放大器； 任何測試程序都要考慮上述每一個功能的正常工作，以精確估計存儲器的輻射靈敏度。 1991年的一項研究顯示，隨著器件速度的增加，輻射引起的故障率會急劇增加，其中大部分原因是感應放大器的易受攻擊性隨著頻率的增加而增加。 在主動感應過程中，由感應放大器測量的差分電壓很小，并且易于受到輻射引起的單次事件的擾亂（SEU）。隨著時鐘速率的增加，感應放大器易于遭受單次事件效應攻擊的時間百分比會增加。此外，由于存儲單元的大小和工作電壓的減少，感應放大器更易于遭受輻射引起的錯誤的攻擊。 因此，要在存儲器以最高可能的數據率運行且以滿指標工作時，對存儲器測試來獲得精確的軟錯誤率（SER）測量值。 多段工作 現代存儲器采用多段設計，容許交織數據字以實現高速工作。所測得的SER受到所激活的感應放大器數量的重要影響；也就是說，受到同時工作的存儲段的數量的影響。 因此，必須利用并控制不同段的交織方案以量化它們對SER測量的影響。 上圖顯示了一個激活了所有4個存儲段的存儲器模式序列的例子，它利用突發和反應時間來生成待以“無間隔”操作輸出的連續數據流。這種工作模式因具有高速數據傳輸的好處而受到某些計算操作的青睞。然而，這種模式也更易于遭受輻射引起的錯誤的攻擊，因為它同時激活了所有段，因此，在最敏感的狀態下具有更多同時工作的感應放大器。 在DLL“保持鎖定”的速度之上進行測試 為了最小化易受輻射攻擊的存儲器和系統，工程師必須在各種交織、突發和激活方案下分析存儲器的輻射靈敏度，并相應地設計周圍的系統工作。 現代存儲器利用數字鎖相環（DLL）來同步各種內部電路的工作，以實現高速數據傳輸。DLL在某一個頻點不能保持同步。 現代同步存儲器的最小“保持鎖定”的頻率呈現上升的趨勢。最小DLL頻率指標超過100MHz的情況很常見。在最小頻率之下，存儲器工作在不同的模式，它不會反映真實系統中存儲器的工作。 一些研究在10MHz數據率下測量了存儲器的輻射靈敏度，遠遠小于存儲器DLL“保持鎖定”的頻率。為此，那些測量結果沒有反映存儲器實際工作的輻射靈敏度。精確的輻射靈敏度測量要求，當存儲器以最高可能數據率（至少要高于最小DLL工作速度）運行時，對存儲器進行測試。 捕獲全器件位圖 全陣列位圖對于研究存儲器的輻射靈敏度是至關重要的。位圖錯誤是識別陣列位置故障關系的主要工具，并利用該信息來優化存儲器和系統設計以減少輻射靈敏度。 例如，位圖可以回答這樣的問題：兩個存儲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？有沒有內部器件對電源分布敏感？ 全陣列位圖排列和存儲必須接近實時，以便連續監測隨時間變化的單次事件效應，并容許測試存儲器刷新的依賴性。 存儲器“擾亂”數據存儲的位置，并“感應”寫到器件陣列的數據，從而容許更密集地布局數據。兩條臨近的外部地址頻繁地從存儲器陣列中的不同物理位置實際讀寫數據。 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；下一位代表的“1”作為單元的未充電狀態。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，因為，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被低估；反之，寫入全“0”也一樣。 為了精確測量和比較存儲器的輻射靈敏度，測試系統必須解決每一個器件的“擾亂”方法。傳統上，從商用存儲器制造商不便拿到拓撲擾亂信息。因此，在輻射靈敏度測試期間，汽車電子可靠性工程師必須確保解決拓撲擾亂問題，以建立對精確測量輻射靈敏度的信心。 因為存儲器制造商在重要的任務和高安全性的應用（甚至在通用的消費應用）中面臨日益增加的輻射引起的故障率，他們越來越愿意在此領域開展合作。 軟錯誤功能中斷（SEFI）的測試要求 暴露在輻射下的存儲器不僅僅丟失數據。有時侯，如果存儲器復雜控制電路（刷新、段控制、突發、模式控制等等）的敏感區域遭受輻射的襲擊，存儲器就會停止工作。這些事件就是軟錯誤功能中斷（SEFI）。 SEFI測試挑戰包括上述所有SEU測試要求，以及下列獨特的要求： —要快速識別間歇的SEFI事件并分流到測試子程序； —要快速識別SEFI的根本原因； —要快速識別最佳的SEFI恢復程序； 如果測試數據率和位圖捕獲足夠快的話，所有這些要求都可以滿足。 非易失性存儲器輻射靈敏度測試面臨的挑戰 對于分析輻射靈敏度的研究人員來說，非易失性存儲器（NVM）具有獨特的測試挑戰。現代NVM器件具有高速、同步控制電路和I/O操作，展現了與上述高速SDRAM一樣的挑戰之外，NVM器件的測試要依賴對存儲陣列中每一個單元的模擬電壓門限（Vth）的測量。下圖顯示了Vth對閃存器件的典型影響。 對16Gb（及以上）容量NVM器件的電壓門限的測量要耗費很長時間。電壓門限的分布隨輻射暴露時間而改變。對所有單元的實際Vth分布的測量需用在多個引腳上進行非常高速的電壓測量。專用電壓門限測量電路和方法可以把Vth測量時間從幾天減少到幾分鐘。 實時位圖捕獲容許在大容量NVM器件中測量輻射引起的錯誤的時間歷史。 本文小結 現代存儲器對輻射引起的錯誤展示了重要和日益增長的靈敏度。對現代半導體存儲器的輻射靈敏度的精確測量和比較，需要控制與器件復雜性相當的測試條件。