软错误防护技术在车规MCU中应用

在大气层内，宇宙射线粒子与大气分子发生核反应生成大气中子。大气中子入射微电子器件或电路将会诱发单粒子效应（SEE），效应类型主要有单粒子翻转（SEU）、单粒子瞬态（SET）、单粒子锁定（SEL）、单粒子功能中止（SEFI）等。随着半导体工艺的发展，微电子器件的特征尺寸不断缩小、工作电压不断降低、工作频率不断增加，使得发生SEE所需要的临界电荷显著降低，更容易引起大气中子SEE，导致自动驾驶汽车电子系统的安全隐患增加。

美国Actel公司分析了0.22μm工艺SRAM FPGA器件，未经抗辐射加固的FPGA器件在海拔5000英尺高度大气中子SEE引起的软错误率为4375 FIT（FIT为故障率度量单位，在109个工作小时内出现一次故障定义为1 FIT）。日立公司的Takumi Uezono等人分析了汽车90nm —130nm工艺电子系统微控制单元（MCU）的大气中子辐射特性，实验发现四款MCU未经ECC修正的软错误率为0.1—0.2 FIT。工业和信息化部电子第五研究所对国产的三款车载信息娱乐系统和智能车辆仪表系统开展了大气中子辐照试验，试验发现28nm工艺MPU的SEFI截面和软错误率超过ISO 26262-5标准中B类随机硬件故障要求的100 FIT。

按照512KB SRAM车规芯片为例，该器件为车规级器件，单粒子翻转次数为：

N= δSEU x C x t x Ф （1）

式中，N代表SEU数，单位为次；δSEU代表中子SEU截面，单位为cm^2·bit^-1；C代表被测SRAM存储器的总容量，单位为bit；t代表时间，单位为h；Φ代表该地区大气中子通量，单位为cm^-2·h^-1。δSEU —中子SEU截面，对于某MCU芯片SRAM存储器，设定其特征尺寸为65nm，根据中国科学院国家空间科学中心建立的数据库，可知典型65nm SRAM存储器的翻转截面数据约为8.1×10^-14 cm^2·bit^-1。

C — SRAM存储器总容量，对于某MCU芯片的SRAM存储器，内存大小512 KB，即(512 × 1024 × 8)bit。

t — 时间，时间为1年，即8760h。

Φ — 大气中子通量，结合器件的应用场景，以华南地区和西南地区为例，华南地区（广州）大气中子通量为5.54 cm^-2·h^-1，西南地区（羊八井）大气中子通量为90.6 cm^-2·h^-1。

上述数据代入公式（1），预估其在华南地区一年内发生单粒子翻转的次数约为0.016次（1882FIT），在西南地区一年内发生单粒子翻转的次数约为0.26次（30780FIT）。

图 1 不同地区大气中子能谱图

上述数据表明，512KB SRAM车规芯片存储介质（一般高功能安全等级车规芯片SRAM大于512KB）在华南地区SER指标为1882FIT，远大于车规芯片要求，ASIL-D等级车规MCU要求小于10 FIT，为了满足ISO26262要求，需要解决软错误问题。对于软错误汽车MCU问题进行研究和探索，采用新技术解决软错误等车规MCU痛点标志着国产替代的技术创新升级。

国内部分车规MCU厂家已经开展研究和设计工作，致力于提高车规MCU可靠性。国科环宇已经量产投片车规MCU芯片AS32A601，已经在头部汽车公司进行测试验证。

AS32A601在中国科学院国家空间科学中心进行激光模拟粒子试验，证明具有良好的抗软错误能力，可以从芯片工艺级提高车规芯片功能安全等级，和冗余备份、ECC刷新等安全设计相比，成本和功耗更低，可以显著减少芯片设计和验证周期。