단일 이벤트 업셋

Single-event upset
2008년 10월 7일 콴타스 항공 72편에서 에어버스 A330의 비행 컴퓨터에서 발생한 단일 사건으로 인해 항공기가 고장을 일으켜 컴퓨터가 몇 가지 오작동을 경험한 후 거의 충돌로 끝날 뻔 한 것으로 의심됩니다.[1]

단일 이벤트 반전(SEU)은 단일 이벤트 오류(SEE)라고도 하며, 마이크로프로세서, 반도체 메모리 또는 전력 트랜지스터와 같은 살아있는 마이크로 전자 장치에서 하나의 이온화 입자(예: 이온, 전자, 광자)가 민감한 노드를 타격하여 발생하는 상태 변화입니다. 상태 변화는 논리 요소의 중요한 노드(예: 메모리 "비트") 내 또는 그 근처에서 이온화에 의해 생성된 자유 전하의 결과입니다. 파업의 결과로 발생하는 장치 출력 또는 작동의 오류를 SEU 또는 소프트 오류라고 합니다.

SEU 자체는 단일 이벤트 래치업(SEL), 단일 이벤트 게이트 파열(SEGR) 또는 단일 이벤트 번아웃(SEB)의 경우와 달리 트랜지스터 또는 회로의 기능을 영구적으로 손상시키는 것으로 간주되지 않습니다. 이것들은 모두 단일 이벤트 효과(single-event effects, SEE)라고 불리는 전자 장치에서의 일반적인 종류의 방사선 효과의 예들입니다.

역사

단일 이벤트 반전은 1954년부터 1957년까지 지상 핵 실험 중에 처음 기술되었으며, 전자 모니터링 장비에서 많은 이상이 관찰되었습니다. 1960년대 우주 전자 장치에서 소프트 고장과 다른 형태의 간섭을 분리하기는 어려웠지만 추가적인 문제가 관찰되었습니다. 1972년 휴즈 위성은 위성과의 통신이 96초 동안 끊겼다가 다시 포착되는 역전극을 겪었습니다. 과학자 에드워드 C. 스미스(Smith), 알 홀먼(Al Holman), 댄 바인더(Dr. Dan Binder)는 이 이상 현상을 단일 사건 역전(SEU)으로 설명하고 1975년 IEEE Transactions on Nuclear Science 저널에 최초의 SEU 논문을 발표했습니다.[2] 1978년, 포장 재료의 알파 입자로부터의 소프트 에러의 최초의 증거는 티모시 C에 의해 기술되었습니다. 메이와 M.H. 우즈. 1979년 IBM의 제임스 지글러(James Ziegler)는 예일(Yale)의 W. 랜포드(W. Lanford)와 함께 해수면 우주선이 전자 장치에서 단일 사건을 일으킬 수 있는 메커니즘을 처음으로 설명했습니다. 1979년에는 로렌스 버클리 국립 연구소의 88인치 사이클로트론과 베바트론에서 진행된 입자 가속기 시설에서 세계 최초로 중이온 "단일 이벤트 효과" 테스트도 진행되었습니다.[3]

원인

지상파 SEU는 우주 입자가 대기 중의 원자와 충돌하여 중성자와 양성자의 캐스케이드 또는 소나기를 생성하고, 이는 다시 전자 회로와 상호 작용할 수 있습니다. 깊은 서브 마이크론 기하학에서 이는 대기 중 반도체 소자에 영향을 미칩니다.

우주에서는 고에너지 이온화 입자가 자연 배경의 일부로 존재하며, 이를 은하 우주선(GCR)이라고 합니다. 지구 자기권(Van Allen 방사대)에 갇힌 태양 입자 사건과 고에너지 양성자는 이 문제를 악화시킵니다. 우주 입자 환경에서의 현상과 관련된 높은 에너지는 일반적으로 증가된 우주선 차폐를 SEU 및 치명적인 단일 이벤트 현상(예: 파괴적 래치업)을 제거하는 측면에서 무용지물로 만듭니다. 우주선에 의해 생성된 2차 대기 중성자는 극지방이나 높은 고도에서 비행하는 항공기의 전자 장치에서 SEU를 생성하기에 충분히 높은 에너지를 가질 수 있습니다. 칩 패키지의 미량의 방사성 원소도 SEU로 이어집니다.

SEU 감도 시험

SEU에 대한 장치의 민감도는 사이클로트론 또는 기타 입자 가속기 시설의 입자 스트림에 시험 장치를 배치함으로써 경험적으로 추정될 수 있습니다. 이 특정 테스트 방법론은 알려진 우주 환경에서 SER(소프트 오류율)을 예측하는 데 특히 유용하지만 중성자로부터 지상 SER을 추정하는 데 문제가 될 수 있습니다. 이 경우 실제 전도율을 찾기 위해 많은 부품을 다른 고도에서 평가해야 합니다.

SEU 허용오차를 경험적으로 추정하는 또 다른 방법은 Cesium-137과 같은 알려진 방사선 소스가 있는 방사선으로부터 차폐된 챔버를 사용하는 것입니다.

SEU용 마이크로프로세서를 테스트할 때 장치를 작동하는 데 사용되는 소프트웨어도 평가하여 SEU가 발생했을 때 장치의 어떤 섹션이 활성화되었는지 확인해야 합니다.

SEU 및 회로 설계

본문: 방사선 경화

정의에 따라 SEU는 관련된 회로를 파괴하지 않지만 오류를 유발할 수 있습니다. 공간 기반 마이크로프로세서에서 가장 취약한 부분 중 하나는 종종 1단계 및 2단계 캐시 메모리인데, 이는 매우 작고 매우 빠른 속도를 가져야 하기 때문이며, 이는 많은 전하를 보유하지 않는다는 것을 의미합니다. 지상파 설계가 SEU를 유지하도록 구성되어 있는 경우 이러한 캐시가 비활성화되는 경우가 많습니다. 또 다른 취약점은 마이크로프로세서 컨트롤의 상태 기계인데, 이는 "죽은" 상태로 진입할 위험이 있기 때문에(출구가 없음), 이러한 회로는 전체 프로세서를 구동해야 하므로 상대적으로 큰 전류를 제공하기 위한 비교적 큰 트랜지스터를 가지고 있으며 생각하는 것만큼 취약하지 않습니다. 또 다른 취약한 프로세서 구성 요소는 RAM이며, 특히 캐시 메모리에 사용되는 정적 RAM(SRAM)입니다. SRAM 메모리는 일반적으로 단위 면적당 최대 비트 수를 할당하기 위해 기술이 허용하는 최소에 가까운 트랜지스터 크기로 설계됩니다. 작은 트랜지스터 크기와 높은 비트 밀도는 메모리를 SEU에 가장 취약한 구성 요소 중 하나로 만듭니다.[4] SEU에 대한 복원력을 보장하기 위해 오류 수정 메모리는 종종 오류 수정 회로를 압도하기 전에 오류의 메모리를 주기적으로 읽거나(수정으로 이어짐) 스크럽(읽기가 수정으로 이어지지 않는 경우)하기 위해 회로와 함께 사용됩니다.

디지털 및 아날로그 회로에서 단일 이벤트는 하나 이상의 전압 펄스(즉, 글리치)가 회로를 통해 전파되도록 할 수 있으며, 이 경우 단일 이벤트 과도(SET)라고 합니다. 전파 펄스는 엄밀히 말하면 메모리 SEU에서처럼 "상태"의 변화가 아니므로 SET와 SEU를 구분해야 합니다. SET가 디지털 회로를 전파하여 잘못된 값이 순차 논리 장치에 래치되면 SEU로 간주됩니다.

하드웨어 문제도 관련된 이유로 발생할 수 있습니다. 특정 상황에서(회로 설계, 공정 설계 및 입자 특성 모두) CMOS 설계에 고유한 "기생충" 사이리스터가 활성화되어 전원에서 접지로의 명백한 단락을 효과적으로 유발할 수 있습니다. 이 상태를 래치업(latch-up)이라고 하며, 시공상의 대책이 없으면 열폭주로 인하여 기기가 파괴되는 경우가 많습니다. 대부분의 제조업체는 래치업을 방지하도록 설계하고 제품을 테스트하여 대기 입자 충돌로 인해 래치업이 발생하지 않도록 합니다. 공간에서의 래치업(latch-up)을 방지하기 위해, 종종 에피택셜 기판, SOI(silicon on insulator) 또는 SOS(silicon on sapphire)를 사용하여 민감도를 더 줄이거나 제거합니다.

주목할 만한 SEU

  • 2003년 브뤼셀 지방 자치체 샤에르비크(벨기에) 선거에서 비정상적으로 기록된 투표 수가 조사를 촉발시켜, 마리아 빈데보헬(Maria Vindevoghel)이라는 이름의 후보에게 4,096표를 추가로 준 책임이 있다는 결론을 내렸습니다. 표의 차이가 2, 2의12 거듭제곱과 같다는 것은 단일 사건의 역전 가능성을 시사합니다.[5]
  • 2008년 10월 7일, 37,000피트 지점에 있는 콴타스 72편 항공기의 3개 항공 데이터 관성 기준 장치 중 하나에 고장이 발생하여 비행기의 비행 제어 시스템에 잘못된 데이터가 전송되었습니다. 이로 인해 승무원과 승객들이 심각한 부상을 입었습니다. 모든 잠재적 원인은 SEU를 제외하고는 "가능성이 희박" 또는 "가능성이 매우 희박"한 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 호주 교통안전위원회(ATSB)는 SEU가 원인일 가능성을 추정하기에 "충분한 증거"를 가지고 있지 않다는 것을 발견했습니다.[6]
  • 2013년 닌텐도 64 콘솔을 사용하는 비디오 게임 슈퍼 마리오 64의 스피드러너는 "틱 톡 시계" 단계에서 마리오를 더 높게 순간이동시키는 유리한 결함을 경험했습니다. 이것은 마리오의 키 값에서 가장 중요하지 않은 비트를 뒤집는 SEU에 의해 발생한 것으로 추정됩니다. 다른 플레이어가 글리치를 재현하려는 시도는 정확한 컨트롤러 입력을 사용하여 속도 주행을 동일하게 재현하더라도 성공하지 못했습니다. 에뮬레이터의 값을 외부에서 수정하여 메모리의 한 비트를 뒤집어야 플레이어는 일관되게 글리치를 복제할 수 있습니다.[7] 슈퍼 마리오 64 스피드런 커뮤니티 내에서는 이 결함이 단일 이벤트 반전에 의해 발생했다는 이론이 널리 받아들여지고 있지 않으며 카트리지 결함과 같은 결함을 설명하는 다른 이론도 있습니다.[8]

참고 항목

참고문헌

  1. ^ Neutron-Induced Single Event Upset (SEU) FAQ, Microsemi Corporation, retrieved October 7, 2018, The cause has been traced to errors in an onboard computer suspected to have been induced by cosmic rays.
  2. ^ Binder, Smith, Holman (1975). "Satellite Anomalies from Galactic Cosmic Rays". IEEE Transactions on Nuclear Science. NS-22, No. 6 (6): 2675–2680. Bibcode:1975ITNS...22.2675B. doi:10.1109/TNS.1975.4328188. S2CID 3032512 – via IEEE Explore.{{cite journal}}: CS1 maint: 다중 이름: 작성자 목록(링크)
  3. ^ Petersen, Koga, Shoga, Pickel, & Price (2013). '단일사건혁명'. 원자력 과학에 관한 IEEE 트랜잭션. 60권, 3번.
  4. ^ Torrens, G.; Alheyasat, A.; Alorda, B.; Barcelo, S.; Segura, J.; Bota, S. A. (2020). "Transistor Width Effect on the Power Supply Voltage Dependence of α-SER in CMOS 6T SRAM". IEEE Transactions on Nuclear Science. 67 (5): 811–817. Bibcode:2020ITNS...67..811T. doi:10.1109/TNS.2020.2983586. ISSN 0018-9499. S2CID 216198845.
  5. ^ Ian Johnston (17 February 2017). "Cosmic particles can change elections and cause planes to fall through the sky, scientists warn". Independent. Retrieved 5 September 2018.
  6. ^ 보이지 않는 중성자 위협 (2012), 타겟 4 비행경로 30L 출판물, 로스앨러모스 국립 연구소
  7. ^ How An Ionizing Particle From Outer Space Helped A Mario Speedrunner Save Time, 16 September 2020, retrieved 18 February 2021
  8. ^ 유튜브 '스피드런 역사상 가장 큰 신화'

추가읽기

SEU 일반
프로그래밍 가능한 논리 장치에서의 SEU
마이크로프로세서의 SEU
SEU관련 석사논문 및 박사학위논문