【摘 要】
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随着系统级封装（SiP）技术在航天领域的普及,越来越多的星载计算机等航天电子设备已搭载SiP技术封装的多片结构系统,然而由于晶体管特征尺寸减小带来的单粒子效应加剧现象,也导致航天电子设备的可靠性问题成为航天领域研究的重中之重。得益于成本低、效率高、灵活性强等优势,计算机仿真模拟技术可以在较高的精度上模拟高能粒子入射芯片的过程,相比于受限因素较多的空间搭载实验和地面模拟试验,是验证芯片辐射可靠性强有
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随着系统级封装（SiP）技术在航天领域的普及,越来越多的星载计算机等航天电子设备已搭载SiP技术封装的多片结构系统,然而由于晶体管特征尺寸减小带来的单粒子效应加剧现象,也导致航天电子设备的可靠性问题成为航天领域研究的重中之重。得益于成本低、效率高、灵活性强等优势,计算机仿真模拟技术可以在较高的精度上模拟高能粒子入射芯片的过程,相比于受限因素较多的空间搭载实验和地面模拟试验,是验证芯片辐射可靠性强有力的方法,对芯片抗辐射加固设计和抗辐射性能评估具有重要意义。本文重点关注辐射效应中的单粒子效应,以评估宇航用设备抗单粒子效应能力为背景,开展针对SiP技术封装的多片结构系统的单粒子效应仿真方法研究,旨在采用混合仿真的方式改善现有电路级仿真的缺点,同时完成目标电路抗单粒子效应能力的评估。本文主要研究内容以及研究成果如下:（1）搭建了以Leon2处理器为核心的SiP系统的混合电路模型。依据某合作单位提供的星载计算机的SiP技术封装腔体,保留其核心部分,建立SPICE电路模型,该电路模型由一个Leon2处理器、三个SRAM芯片构成;然后依据Fine Sim用户手册中提供的混合仿真方法对该电路模型进行重新建模,得到Leon2处理器为核心的SiP系统的混合电路模型,作为本文的实施例。（2）完成了VCS联合FineSim的混合仿真方法的相关研究。其中以PWL形式获取了单粒子瞬态电流源模型、以Perl脚本的形式将该模型写入电路,完成了故障注入方法的研究;同时通过Perl与Shell脚本实现了仿真中的数据测量、结果比对等工作,并针对混合仿真提出了一种混合电路模块快速划分方法,有效地提升了仿真效率。（3）完成了SiP系统模块级单粒子效应敏感性分析。基于搭建的SiP系统混合电路模型和提出的混合电路仿真方法,提出了SiP系统模块级单粒子效应敏感性的仿真方案;采用三阶矩阵乘法的程序指令,分别针对目标SiP系统中的整数处理单元、寄存器堆、缓存、AMBA总线控制器、存储控制器、指令SRAM和数据SRAM进行仿真分析,发现数据SRAM具有5.57%的系统软错误率,远高于系统其余模块,需要在系统抗单粒子效应加固设计时重点考虑;同时对SiP封装方式中的芯片堆叠情况做了相关针对性仿真,发现总体而言,芯片堆叠情况会加剧系统出错的概率,从而提高系统软错误率。（4）完成了SiP系统全电路单粒子效应敏感性分析。基于SiP系统模块级单粒子效应敏感性的仿真方案,提出了面积等效的分析方法,进一步实现了全电路的混合仿真,得到目标SiP系统的软错误率为6.03%;同时采用相同的仿真设置完成了目标SiP系统的SPICE仿真,发现混合仿真获得了与SPICE仿真几乎一致的单粒子效应的表征结果,而在时间开销方面,混合仿真相较于SPICE仿真提高近5倍,大大节约了仿真时间;最后根据仿真结果,针对系统中最为敏感的数据SRAM,提出三模冗余加固的方法,为目标SiP系统的抗单粒子效应加固设计提供理论基础。
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