Häufig gestellte Fragen zu „Soft Errors (sporadisch auftretenden Fehlern)“

Antworten auf grundlegende Fragen zur SER (Soft Error Rate), einschließlich möglicher Ursachen, Faktoren, die den SER-Wert beeinflussen und zur Schätzung der SER.

Was ist SER?

SER steht für „Soft Error Rate (Rate sporadisch auftretender Fehler)“. Soft Errors werden primär durch zufällige energiereiche Strahlung z. B. natürlich auftretende kosmische Strahlung oder ionisierende Strahlung radioaktiver Stoffe ausgelöst. Im Gegensatz zu „harten“ Fehlern durch Defekte oder den Verschleiß von Zuverlässigkeitsmechanismen beschädigen solche Fehler normalerweise nicht den Schaltkreis direkt (daher die Bezeichnung als „soft/weich“), sondern wirken sich nachteilig auf die gespeicherten Daten oder den Zustand des betroffenen Schaltkreises aus (in digitalen Schaltkreisen entspricht dies dem Wechsel zwischen einem Datenzustand von „Eins“ zu „Null“ oder umgekehrt).

Sobald neue Daten an den Speicherort geschrieben werden, wird der Datenfehler überschrieben, und das System funktioniert korrekt. Die Fehlerrate durch solche Fehler bzw. die SER wird in FIT oder FIT/Mbit (bei Konzentration auf den Speicher) angegeben. Was die Vorkommenshäufigkeit betrifft, so ist die SER gewöhnlich um ein Vielfaches höher als die Rate der „harten“ Fehler für alle anderen Mechanismen zusammen. Eine andere Bezeichnung für solche Fehler ist „Single-event Upset (SEU)“ – dieser Begriff drückt besser aus, dass der Datenfehler durch ein einzelnes Strahlungsereignis verursacht wird.

Was sind die Ursachen für SER?

Zwar gibt es zahlreiche Ursachen für SER, wie etwa Störimpulse, Rauschen oder elektromagnetische Interferenzen, die wichtigste Ursache dafür im Rahmen qualifizierter Fertigungsprozesse in gut konstruierten Schaltkreisen sind Teilchenstrahlungen.

In der terrestrischen Umgebung bestehen die wichtigsten hierfür in Frage kommenden Strahlungen aus Alphateilchen, die durch Spurunreinheiten in den Chipmaterialien selbst hervorgerufen werden (Alphateilchen haben eine geringe Reichweite; daher stammen alle Alphateilchen, die das Silizium erreichen, typischerweise von Materialien innerhalb des Chips selbst), sowie aus dem stets vorhandenen kosmischen Neutronenfluss, dem wir auf Meereshöhe mit ~ 13 n/Std-cm2 und auf Reiseflughöhen mit bis zu 26.000 n/Std-cm2 ausgesetzt sind. 

Die SER durch Alphateilchen wird durch die Verwendung von ULA (Ultra-Low Alpha)-Materialien minimiert, die Neutronen, die praktisch alles durchdringen, können nicht einfach abgeschirmt werden, weshalb eine SER auf einem gewissen Niveau unvermeidlich ist. Eine weitere Senkung des SER-Werts kann nur durch die Verwendung von Prozessen erreicht werden, die die durch Strahlungsereignisse aufgebaute Ladung verringern (etwa Silikon oder ein Isolator), oder, häufiger, durch den Einsatz von Redundanzschaltkreisen (z. B. Fehlerkorrektur in Speichern).

Welche Faktoren wirken sich auf den SER-Wert aus?

Produkttechnologien beeinflussen den SER-Wert bis zu einem gewissen Grade, wichtiger ist jedoch der Umfang von SRAM und sequenzieller Logik in dem jeweiligen Gerät. Normalerweise zeigen Geräte mit großen, ungeschützten Speichern die höchsten SER-Werte.

Technologien, die geringere Spannungen für Low-Power-Anwendungen verwenden, zeigen höhere SER-Werte, da der Datenzustand durch die Spannung definiert wird – daher bedeutet eine niedrigere Spannung eine niedrigere Signalladung, und das Gerät wird empfindlicher für durch Strahlung verursachte Ladungsübergänge. Die Verwendung von Fehlerkorrekturmaßnahmen im Speicher kann den SER-Wert erheblich senken. Die Verwendung von ULA-Materialien reduziert den durch Alphateilchen verursachten Anteil am SER-Wert.

Zur Abschirmung der Neutronen, die für den verbleibenden Teil des SER-Werts verantwortlich sind, kann nur wenig getan werden, und in der Tat ist der SER-Wert bei Luft- und Raumfahrtanwendungen, wo der Neutronenfluss um das Hundert- bis Tausendfache höher liegt als auf der Erde, deutlich höher.

Gibt es ein akzeptables Niveau für den SER-Wert?

Nein. Es gibt keinen Standard oder ein „akzeptables Niveau“ für den SER-Wert. Der Grund dafür ist, dass ein „akzeptabler“ SER-Wert von der jeweiligen Anwendung abhängt, sowie davon, wie viel Speicher vorhanden ist, ob dieser geschützt ist, wo das Gerät betrieben wird (auf der Erde, in Flugzeugen) usw.

Aufgrund dieser zahlreichen Faktoren für die Bestimmung der Kritikalität eines Bitfehlers kann keine allgemeingültige Metrik für den SER-Wert eines bestimmten Teils, etwa eines DSP, MSP o. dgl. angegeben werden. Das akzeptable Fehlermaß muss vom Kunden auf der Grundlage der Anwendung des Produkts, der Software und verschiedener Anwendungsdetails festgelegt werden.

Der erste Schritt zur Beantwortung dieser Frage besteht darin, sich ein ungefähres Bild der Obergrenze für den SER-Wert zu machen, um zu entscheiden, ob weitere Arbeiten erforderlich sind.

Wie wird der SER-Wert bestimmt?

TI war eines der Unternehmen der Branche, die den Teststandard JEDEC JESD89A „Measurement and reporting of alpha particle and terrestrial cosmic ray induced soft errors in semiconductor devices (Messen und Dokumentieren der durch Alphateilchen und kosmische Strahlung verursachten Soft Errors in Halbleitergeräten)“ als Grundlage für die Durchführung von Strahlungstests mit Alphateilchen und Neutronen durchgesetzt haben.

Im Allgemeinen testen wir keine Produkte, haben aber Testchips mit Produktions-SRAM-Arrays und sequenziellen Logikarrays entwickelt, die die korrekte Modellierung des SER-Werts ermöglichen. Diese wurden zu einem Online-SER-Rechner kombiniert, mit dem Sie die obere Grenze für den SER-Wert in beliebigen TI-Produkten, die mit CMOS-Technologien (350 nm bis 20 nm) gefertigt werden, einschätzen können. Zur Verwendung des Rechners müssen externe Kunden über ein NDA verfügen.