这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：
主要作者及机构
本研究的主要作者包括Jinlong Guo、Wenbo Tian、Guangbo Mao、Hongjun You、Can Zhao、Ruqun Wu、Wenjing Liu、Cheng Shen、Hongjin Mou、Lei Zhang和Guanghua Du。他们分别来自中国科学院近代物理研究所、上海航天电子技术研究所、兰州大学材料与能源学院以及中国科学院大学核科学与技术学院。该研究发表于2025年2月的《IEEE Transactions on Nuclear Science》期刊第72卷第2期。
学术背景
本研究的科学领域为核科学与微电子学，具体聚焦于高能空间辐射对微处理器（MPU）的单粒子功能中断（Single-Event Functional Interrupt, SEFI）的影响。在宇宙和近地空间中，高能辐射（如离子、电子和光子）会对航天器、卫星和空间站的电子系统造成严重威胁，尤其是微处理器的功能中断可能导致系统复位、挂起或进入非预期操作状态，从而影响航天任务的安全性和可靠性。因此，研究SEFI的生成机制、传播路径及其缓解策略对航天电子系统的辐射加固设计具有重要意义。
本研究以商用MPC750微处理器为研究对象，该处理器在航空航天领域具有广泛应用前景。通过建立基于高能重离子微束平台的大尺寸混合映射方法，研究团队首次对厘米级尺寸的MPC750芯片进行了全芯片SEFI映射，旨在揭示SEFI的敏感区域、生成条件及传播机制，并为哈佛架构微处理器的辐射可靠性设计提供指导。
研究流程
本研究的主要流程包括以下几个步骤：
实验设备与研究对象准备
- 研究对象为MPC750微处理器，采用180纳米工艺制造，广泛应用于桌面系统、工作站和移动设备。研究中使用了经过减薄处理的芯片（厚度约50微米），并将其安装在紧凑的测试板上，作为SEFI主机系统运行卫星管理程序。
- 实验设备为兰州重离子微束装置（Lanzhou Interdisciplinary Heavy-Ion Microbeam, LIHIM），该装置能够提供能量为几MeV/u至100MeV/u的重离子束，并具有微米级的空间分辨率。
SEFI映射方法开发
- 研究团队开发了一种基于LIHIM的SEFI映射系统，结合了数据采集与束流控制系统（CENA）和SEFI主机系统。通过束流扫描和样品台扫描，对芯片的特定区域进行精确辐照，并记录SEFI事件的位置。
- 实验中使用氪离子束（能量为473 MeV）对芯片进行辐照，有效线性能量转移（Linear Energy Transfer, LET）为25.5 MeV/(mg/cm²)。扫描区域为9.5×8.5 mm²，分为19×17个小区，每个小区进一步分为12×12个扫描点。
数据采集与分析
- SEFI事件通过SEFI主机系统输出的数字脉冲信号进行捕获，并记录其位置坐标。实验共进行了三次扫描，总辐照时间为12.5小时，记录了685次SEFI事件。
- 通过反向工程，研究团队识别了芯片上的18个功能子单元，并将SEFI事件与这些子单元的位置进行关联，分析了各子单元的SEFI敏感性和传播机制。
主要结果
全芯片SEFI映射
- 实验结果显示，MPC750芯片的平均SEFI截面为7.03×10⁻⁵ cm²，显著高于其他同类处理器。这表明180纳米工艺的MPC750对辐射较为敏感。
- SEFI事件主要集中在指令缓存（ICache）、数据缓存（DCache）、整数单元（IU）、加载/存储单元（LSU）和指令序列器（IS）等功能子单元，占总事件的89.6%。
子单元SEFI敏感性分析
- ICache和DCache是SEFI最敏感的区域，其SEFI截面分别为2.43×10⁻⁴ cm²和5.32×10⁻⁵ cm²。这些区域的顺序电路（如缓存标签和内存管理单元）容易受到单粒子翻转（Single-Event Upset, SEU）的影响，进而触发SEFI。
- 未使用的硬件资源（如浮点单元FPU）在辐照后也表现出SEFI敏感性，这表明传统基于部分资源的SEFI测试方法可能存在局限性。
SEFI传播机制
- SEFI主要通过顺序电路中的SEU触发，表现为非法指令、存储中断或系统挂起。研究还发现，SEFI的传播与微处理器的异常处理模型密切相关，异常处理的健壮性对SEFI的缓解至关重要。
结论
本研究首次实现了厘米级尺寸微处理器的全芯片SEFI映射，揭示了MPC750芯片的SEFI敏感区域和传播机制。研究结果表明，ICache和DCache是SEFI的主要来源，未使用的硬件资源也可能引发SEFI。这些发现为微处理器的辐射加固设计提供了重要指导，特别是在SEU容忍设计和异常处理优化方面。
研究亮点
- 创新性方法：开发了基于高能重离子微束的全芯片SEFI映射技术，实现了对厘米级尺寸微处理器的高精度辐射效应研究。
- 重要发现：揭示了未使用硬件资源在SEFI生成中的作用，挑战了传统SEFI测试方法的局限性。
- 应用价值：为哈佛架构微处理器的辐射可靠性设计提供了实验依据和理论支持，对航天电子系统的安全性提升具有重要意义。
其他有价值内容
研究还提出了SEFI的四种生成机制（未识别、未采取、未处理和已处理），并建议通过SEU容忍锁存器和三重模块冗余（Triple Modular Redundancy, TMR）设计来增强微处理器的抗辐射能力。这些结论不仅适用于MPC750，还可推广至其他架构的微处理器和系统级芯片（SoC）。