深空探測如何解決空間輻射問題？
剛看到這個問題和我答過的一個問題很像，就搬運過來。談一下航天級數字晶元在設計階段，如何解決太空抗輻照問題。
本文著作權歸作者所有，轉載請聯繫作者獲得授權。長文不易，請手下留情！本文只談數字晶元設計，不談工藝。
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大家好，我是谷阿莫。。。不對，我是Forever snow。。。現在來講一個硅器晶元設計猿/媛們如何對付宇宙射線大魔王的故事。
在山的那邊，海的那邊，有一群以硅為生的硅器晶元設計猿/媛，他們尊上古時代的硅器大神摩爾為神祗，奉摩爾定律為圭臬，以製造太空硅器電子系統為己任，他們夜以繼日，他們夙興夜寐，他們宵衣旰食.…………不管形容詞和成語了，總之，你知道他們為此付出了很多就是了。
一、大魔王現身
阻止他們成功的就是宇宙射線大魔王，大魔王以高能質子、電子、中子、γ射線等為原材料，製造了宇宙射線、太陽耀斑、太陽風、Ｘ射線等大規模硅器殺傷性武器，對暴露在其「輻照」結界中的人類航天電子系統日夜不休地轟擊、轟擊、轟擊。
其結果就是想讓人類的電子系統出現異常、甚至失效，變成一個個毫無生命力的硅殼、金屬殼、陶瓷殼，總之，都變成殼。
當然，擁有大殺器的大魔王得逞了！
硅器晶元設計猿/媛懵逼了！但素，摩爾、諾伊思、基爾比、錢學森、芭芭拉不知道什麼大神等靈魂附體，在上古神靈的召喚下，晶元設計猿/媛成立了「抗輻照」大軍，期望突破大魔王的封鎖。
二、大魔王戰鬥力分析
大魔王麾下有主要兩大邪惡軍團：「總劑量TID」軍團，「單粒子」軍團。
1.「總劑量TID」軍團
戰鬥風格：剛勁勇猛；
作戰方式：擅長團戰，以指 γ 光子或高能離子為武器，轟擊硅器系統，使得在半導體材料中電離產生電子空穴對。電子空穴隨即發生複合、擴散和漂移，最終在氧化層中形成氧化物陷阱電荷或者在氧化層與半導體材料的界面處形成界面陷阱電荷, 使器件的電氣性能發生變化，甚至器件失效。
以上內容看不懂沒關係，總之，知道這句就可以了：TID邪惡軍團以強橫和持久的戰鬥力直接轟擊至半導體材料內部正負電荷失衡，最終喪失戰鬥力、退出戰場。
2、「單粒子」軍團
戰鬥風格：陰險狡猾；
作戰方式：刺客式小區域獨立作戰，旗下三大著名刺客「單粒子翻轉SEU」、"單粒子閂鎖SEL"、「單粒子燒毀SEB」，各有特點，分工明確。
單粒子軍團的作戰思想統一，三大刺客都以高能粒子為武器轟擊硅晶元或者器件，在晶元內部敏感區域激發出大量的空穴— 電子對，它們構成了一個瞬時的電路通道,，產生瞬時電流脈衝。但是，三大刺客功夫各有不同。
刺客SEU，以高能粒子轟擊晶元中的邏輯電路，使其邏輯值發生了翻轉，即本來被轟擊處原值為0，被轟擊後，值翻轉為1；同樣的，值也可由1翻轉為0。乾的就是擾亂心智的活！讓你體魄無憂，但是精神錯亂！
刺客 SEL，主要任務攻擊CMOS 器件。CMOS器件的PN-PN四層結構形成了寄生可控硅結構，正常情況下，寄生的可控硅處於高阻關閉狀態。單個帶電粒子入射產生的瞬態電流觸發可控硅結構使其導通，由於可控硅的正反饋特性使電流不斷增大，進入大電流再生狀態，即導致鎖定。SEL會對晶元造成不可修復的傷害，屬於硬錯誤，通常在器件級或者版圖級進行解決。屬於要你命三千的器件級精準打擊！
刺客SEB，是指單粒子引發局部大電流，造成器件失效，最終導致器件損毀的情況。SEB重點攻擊在功率器件中，其內部寄生雙極性晶體管在重離子電離作用下被打開，形成局部的雪崩擊穿效應，從而導致災難性失效。通常，功率器件主要出現在電源部分。SEB直接攻擊供電系統，讓系統徹底癱瘓。釜底抽薪，夠狠！
總結下：SEU，擾亂晶元心智；SEL，攻擊晶元關鍵器件；SEB，斷晶元的電力供應。
邪惡軍團戰鬥力分析：
據所有電子系統失效案例統計中，由輻射大魔王攻擊次數導致失效的佔71％。其中，而大魔王軍團中，55％的貢獻來自其麾下的「單粒子軍團」。
由此可見，輻照大魔王是造成航天器系統功能異常的主要原因，而其中單粒子效應的影響尤為明顯。因此，人類硅器設計師軍團將針對單粒子的抗輻照措施將具有十分重要的意義。
三、作戰方案討論
布置作戰方案，大的方向上有兩種方案，一會兒大家看選哪種。
方案1：最簡單粗暴，也是最有效的方案。直接從晶元製造的工藝線進行抗輻照加固。
方案2：採用商用的硅工藝線，即民品工藝線，進行流片。但是，和商用晶元不同的是，抗輻照晶元一般都採用了加固後的標準單元庫。
大家選哪種？第一種？不好意思，第一種造價太高了，燒錢啊，還要留錢買柴米油鹽吃飯。我們還是選第二種吧，少花錢，多辦事。其實，即使是第二種，費用也高於同工藝的商用晶元。
方案搞定，接下來選製造工藝（XXnm，第X代工藝線）。
通常情況下，工藝的線寬越寬，抗輻照的能力越強。這個可以簡單理解下，尺寸越小的工藝，越精細，越容易受到輻射的影響。所以，為了保證電子系統不會被輻照大魔王影響，一般都採用大線寬的工藝，比如最早的5um，0.35um，最近幾年陸續進入了0.18um ，0.13um，甚至90nm和65nm。線寬再低的話，基本上就很難實現抗輻照的作用了。
四、「數字晶元設計猿/媛」軍團登場
作為成員數最多的軍團，「數字晶元設計猿/媛」軍團主要負責解決刺客SEU，該軍團主要武器就是最強盾牌「三模冗餘（TMR）」和「糾錯碼」。
1、TMR
三模冗餘系統簡稱TMR(Triple Modular Redundancy)，是最常用的一種容錯設計技術和時序電路加固技術。其基本思想是：對於待加固的電路，複製兩個額外的、與原電路完全相同的電路，然後使用表決器voter對這三個電路的結果進行表決。這樣，即使有一個模塊發生故障電路依然可以正常工作。
TMR結構
簡單地說，就是精神錯亂不擔心，還有神一樣隊友可以依靠！
但是，讀到這裡，可能有人會問：那如果錯了兩個或者三個怎麼辦？事實上，SEU單次只能影響到一個寄存器，所以，TMR方法是萬無一失的。都說了是刺客，所以每次只擾亂一個，殺傷範圍很小噠。
「數字晶元設計猿/媛」可以在設計階段插入TMR，也可以在後端的時候插入TMR。也有的EDA 工具可以自動插入TMR。一般情況，0.18um 以上，默認單粒子翻轉只會影響到時序邏輯，所以，如果對加固的工藝庫有信心，可以在關鍵的寄存器上面插入TMR 就可以了。如果想更為穩妥，則在全部寄存器上面插TMR 。工藝進入深亞微米之後，組合邏輯也會受到影響，這個時候，做TMR的代價就會非常大。
2、糾錯碼
此處打出第二張牌，錯誤檢測與糾正方法（Error Detection And Correction，EDAC）。
它的原理就是：數據寫入的時候，生成一定長度的校驗碼。那麼，在數據讀取的時候，連同校驗碼一同讀出。如果數據被SEL修改，則效驗碼會進行自動糾正。而且呢，還會將糾正後的數據重新寫回，確保原始數據的正確性。以上動作，均為晶元內部電路自動完成，無需人工干預。
總之呢，EDAC可以除了消除SEL帶來的負面影響，還可以讓精神錯亂者恢復正常。贊！
五、戰鬥策略的最後一塊：做時序收斂
1、超高溫和超低溫的STA
先來看人類星球環境對晶元的溫度等級定義：
商業級晶元(0℃-70℃),
工業級晶元(-40℃-85℃),
汽車級晶元(-40℃-125℃)
軍工級晶元(-55℃-125℃).
而宇航空間中的溫度則遠超出了以上等級所限定的溫度範圍。以距離地球最近的月球為例，白晝溫度為 127℃，夜間為-183℃。其他星球晝夜溫差更大，高溫低溫也更為極端。
在嚴苛的空間環境中，溫度經常處於超高溫或者超低溫狀態，商用晶元的延遲模型分分鐘就會爆掉。那麼，採用何種措施才能保證，在跳出延遲模型之外，晶元的時序依然能夠正常呢？那就是在時序收斂的計算起點，採用高標準嚴要求的、及其苛刻的時序約束。什麼意思呢？研究晶元的延遲模型，對超過溫寬範圍的部分採用非線性差值方法進行模型外推，以得出溫寬範圍之外的晶元可能的延遲曲線。
打個簡單的比方，如果晶元的額定工作頻率是200MHz，那麼下時序約束的時候，就將時鐘翻倍約束，可以約束到400MHz，其他參數的設置可以類推。再儘可能的情況下，加緊約束，保證萬無一失。
六、付出的代價
說了這麼久加固標準單元庫和TMR、EDAC的優點，那麼它的缺點是什麼呢？
1、和商用工藝庫的標準單元相比，加固後標準單元多了保護電路，面積大，而且性能有所降低。
2、簡單地看，TMR 是將電路一模一樣地複製至3份，再加一個表決電路。所以，做了TMR後，晶元面積將會上升到原面積的3倍。
總之，降低了帶來了性能的降低，缺極大的增加了面積。硅資源不是免費的，面積攀升，意味著流片的錢嘩嘩地流走。。。。。
而且還不止這些：
1、晶元功耗將增大。
2、TMR和EDAC的插入，導致延長了時序路徑。令timing 更為緊張的是，後端還要做DFT，又會對timing 造成惡化。
回頭看一下，翻倍的時鐘約束，還要在此基礎之上繼續上浮一定的餘量，留給TMR 和後端。所以，做前端、綜合、STA 的人員都壓力山大。timing 修到後面，都是淚啊。
七、大結局
當然是人類戰勝了大魔王！繼續向星辰和大海前行！
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