宇航用集成电路在轨单粒子翻转率电路模型与仿真方法研究

The prediction of in-orbit single-event upset (SEU) rate is important to design and selection of the aerospace component. With the development of microelectronics technology, the mechanism of SEU has become more complex. The traditional RPP/IRPP model for SEU rate prediction is increasingly inadequate to the evaluation of in-orbit SEU rate. This project investigates on new model of in-orbit SEU rate and simulation method for integrated circuit in aerospace applications. Firstly, multiple mechanisms of SEU are considered. The circuit response to radiation particles is analyzed by all-physical simulation (Geant4+TCAD) and experimental data from ground testing. Then, a system model is proposed by Support Vector Machine (SVM) algorithm in the field of Machine Learning, which can evaluate in-orbit SEU rate of integrated circuit. Finally, comparing with the in-orbit data, the proposed model and method are validated. The research results can provide a theoretical basis and methods for the next-generation in-orbit SEU rate evaluation system, and important basis for radiation hardened design.

在轨单粒子翻转率评估结果，是宇航元器件设计和选型的重要依据。随着微电子技术的发展，在轨单粒子翻转的机制变得更为多样和复杂,传统的长方体灵敏体积方法（RPP／IRPP）模型，已经越来越不能适应在轨翻转率评估的要求。本项目旨在研究一种新的宇航用集成电路在轨单粒子翻转率电路模型及仿真方法:首先，在充分考虑多种翻转机制的综合作用下，利用全物理（Geant4+TCAD)数值仿真方法，结合地面辐照试验校准，分析电路对辐射粒子的响应；随后，利用机器学习领域中的支持向量机（SVM）方法，开发一个基于SVM算法的机器学习系统模型，建立新的在轨单粒子翻转率模型，用于评估在空间辐射环境下集成电路的在轨翻转率；最后，与在轨实测数据进行对比，验证提出模型和方法的正确性，并指出进一步改进的方向。本项目的研究成果可为下一代在轨单粒子翻转率评估系统提供理论基础和方法支撑，并为我国抗辐射集成电路的研制提供重要的依据。

在轨单粒子翻转率评估结果，是宇航元器件设计和选型的重要依据。随着微电子技术的发展，在轨单粒子翻转的机制变得更为多样和复杂,传统的长方体灵敏体积方法（RPP／IRPP）模型，已经越来越不能适应在轨翻转率评估的要求。本项目研究了一种新的宇航用集成电路在轨单粒子翻转率电路模型及仿真方法:首先，在充分考虑多种翻转机制的综合作用下，利用全物理（Geant4+TCAD)数值仿真方法，结合地面辐照试验校准，分析电路对辐射粒子的响应；随后，利用机器学习领域中的支持向量机（SVM）方法，开发一个基于SVM算法的机器学习系统模型，建立新的在轨单粒子翻转率模型，用于评估在空间辐射环境下集成电路的在轨翻转率；最后，与在轨实测数据进行对比，误差控制在30%以内，验证了提出模型和方法的正确性。本项目以宇航元器件经常使用的双向互锁单元为例，对具体建模过程和仿真方法进行了说明，4M容量的双向互锁单元存储器的单粒子翻转截面在10E-14到10E-12 cm2/bit之间，根据仿真和建模结果其单元节点的设计建议至少应在6μm之外，相关成果已发表在IEEE Transactions on Nuclear Science抗辐射领域国际顶级期刊上，其他EI检索文章6篇，专利2份。本项目的研究成果可为下一代航天器在轨单粒子翻转率评估系统提供理论基础和方法支撑，相关理论和算法可形成新一代的在轨单粒子翻转率预计软件，实现宇航器件的单粒子在轨翻转率的预计，同时也为我国抗辐射集成电路的研制提供重要的依据。