シングルイベントの混乱

シングルイベントアップセット （ SEU ）は、マイクロプロセッサ、半導体メモリなどのマイクロ電子デバイスの敏感なノードに単一のイオン化粒子（イオン、電子、光子など）が衝突することによって引き起こされる状態の変化です。パワートランジスタ。状態の変化は、論理要素の重要なノード（またはメモリ「ビット」）内またはその近くでのイオン化によって生成された自由電荷の結果です。ストライキの結果として発生したデバイス出力または操作のエラーは、SEUまたはソフトエラーと呼ばれます。

SEU自体は、シングルイベントラッチアップ（SEL）、シングルイベントゲート破壊（SEGR）、またはシングルイベントバーンアウト（SEB）の場合とは異なり、トランジスタまたは回路の機能を永続的に損傷するとは見なされません。これらはすべて、 シングルイベント効果 （SEE）と呼ばれる電子デバイスの放射線効果の一般的なクラスの例です。

歴史

単一イベントの混乱は、1954年から1957年にかけて地上での核実験で最初に説明され、電子監視装置で多くの異常が観察されました。 1960年代に宇宙電子機器でさらに問題が観察されましたが、ソフト障害を他の干渉から分離することは困難でした。 1972年、ヒューズの衛星は、衛星との通信が96秒間失われ、再び奪取されるという混乱を経験しました。科学者のエドワードC.スミス博士、アルホルマン博士、およびダンビンダー博士は、この異常をシングルイベントアップセット（SEU）として説明し、1973年にIEEE Transactions on Nuclear Scienceジャーナルで最初のSEU論文を発表しました。包装材料中のアルファ粒子によるソフトエラーの証拠は、ティモシーC.メイとMHウッズによって説明されました。 1979年、IBMのジェームズジーグラーとイェールのW.ランフォードは、海面の宇宙線が電子機器の単一事象を混乱させるメカニズムを最初に説明しました。

原因

地球上のSEUは、宇宙粒子が大気中の原子と衝突し、中性子と陽子のカスケードまたはシャワーを作り出し、それが電子回路と相互作用するために発生します。サブミクロンの深いジオメトリでは、これは大気中の半導体デバイスに影響します。

宇宙では、銀河宇宙線（GCR）と呼ばれる自然の背景の一部として高エネルギーのイオン化粒子が存在します。地球の磁気圏（バンアレン放射線帯）に閉じ込められた太陽粒子イベントと高エネルギー陽子は、この問題を悪化させます。宇宙粒子環境の現象に関連する高エネルギーは、一般に、SEUや壊滅的なシングルイベント現象（破壊的なラッチアップなど）を排除するという点で、宇宙船のシールドの増加を役に立たなくします。宇宙線によって生成された二次大気中性子は、極上または高高度での航空機の飛行中に電子機器でSEUを生成するのに十分な高エネルギーを持つ可能性もあります。チップパッケージ内の微量の放射性元素もSEUにつながります。

SEU感度のテスト

SEUに対するデバイスの感度は、サイクロトロンまたはその他の粒子加速器施設の粒子ストリームにテストデバイスを配置することにより、経験的に推定できます。この特定のテスト方法論は、既知の宇宙環境でのSER（ソフトエラー率）の予測に特に役立ちますが、中性子からの地上SERの推定には問題があります。この場合、実際の動揺率を見つけるために、おそらく異なる高度で多数の部品を評価する必要があります。

SEU耐性を経験的に推定する別の方法は、セシウム137などの既知の放射線源を使用して、放射線に対してシールドされたチャンバーを使用することです。

SEUのマイクロプロセッサをテストする場合、デバイスの動作に使用されるソフトウェアも評価して、SEUが発生したときにデバイスのどのセクションがアクティブ化されたかを判断する必要があります。

SEUと回路設計

定義により、SEUは関連する回路を破壊しませんが、エラーを引き起こす可能性があります。スペースベースのマイクロプロセッサでは、最も脆弱な部分の1つは多くの場合、1番目と2番目のレベルのキャッシュメモリです。これらは非常に小さく、非常に高速でなければならないためです。多くの場合、これらのキャッシュは、SEUに耐えるように地上設計が構成されている場合は無効になっています。もう1つの脆弱性のポイントは、マイクロプロセッサ制御の状態マシンです。「デッド」状態（出口なし）に入るリスクがあるため、これらの回路はプロセッサ全体を駆動する必要があり、考えられるほど脆弱ではありません。別の脆弱なプロセッサコンポーネントはRAMです。 SEUに対する復元力を確保するために、エラー修正メモリが、エラーがエラー修正回路を圧倒する前に、エラーのメモリを定期的に読み取る（修正につながる）またはスクラブ（読み取りが修正にならない場合）する回路とともに使用されることがよくあります。

デジタルおよびアナログ回路では、単一のイベントによって1つ以上の電圧パルス（グリッチ）が回路を伝播する場合があります。この場合、シングルイベントトランジェント（SET）と呼ばれます。伝播パルスは技術的にはメモリSEUのような「状態」の変化ではないため、SETとSEUを区別する必要があります。 SETがデジタル回路を介して伝搬し、シーケンシャルロジックユニットに誤った値がラッチされる場合、SEUと見なされます。

ハードウェアの問題は、関連する理由でも発生する可能性があります。特定の状況下（回路設計、プロセス設計、粒子特性の両方）で、CMOS設計に固有の「寄生」サイリスタが作動し、電源からグランドへの明らかな短絡を効果的に引き起こします。この状態はラッチアップと呼ばれ、構造的な対策がない場合、多くの場合、熱暴走によりデバイスが破壊されます。ほとんどのメーカーは、ラッチアップを防ぐように設計し、製品をテストして、大気中の粒子の衝突によってラッチアップが発生しないことを確認します。宇宙空間でのラッチアップを防ぐために、エピタキシャル基板、シリコンオンインシュレータ（SOI）、またはシリコンオンサファイア（SOS）を使用して、磁化率をさらに低減または排除します。

注目すべきSEU

ブリュッセルの自治体Schaerbeek（ベルギー）での2003年の選挙で、記録された異常な数の投票により、SEUが4,096人の追加投票を行う責任があると結論付けた調査が行われました。