从业20年工程师讲述软错误是怎么损坏存储器中信息的？

本文由从业20年工程师倾情讲述软错误是如何发生，如何破坏半导体存储器中的重要信息。有此问题引出软错误的来源及其发生概率问题。软错误影响着存储单元中的每个存储位，改变它们的状态。但是存储器中的片上纠错码却可以消减软错误的影响。

近年来，半导体技术取得了巨大进步，但这种进步也带来了新的问题。当今的CMOS工艺已缩至很小的尺寸，以至于地外辐射和芯片封装正导致越来越多的故障。由于这些故障是可逆的，它们被称为软错误。软错误首次出现于1978年，由于受铀污染的封装模块，英特尔公司无法向AT&T交付其生产的芯片。20世纪70年代，软错误主要与动态RAM（DRAM）有关，这是因为它们的芯片封装材料含有微量的放射性污染物。

软错误是指高能粒子与硅元素之间的相互作用而在半导体中造成的随机、临时的状态改变或瞬变。但与硬错误不同的是，一个简单的复位/重写操作可以恢复受影响器件的正常运行。数字和模拟电路、传输线路和磁存储器中都可能发生软错误，但半导体存储器最易出现软错误，其原因是它们的单元尺寸较大，而且每个位保持某种状态的时间较长（因此增加了风险）。 软错误有可能翻转一个或多个位，这取决于诱发粒子到达器件时的能量。一个高能粒子与半导体衬底之间的相互作用将产生多个电子空穴对。它们在耗尽区中产生的电场将导致一次电荷漂移，从而导致电流扰动。如果这个电流移动的电荷跨越了存储单元（每个单元存储一个位）的临界电荷，所存储的数据就有可能翻转，从而导致下一次被读取时出现错误。

软错误分为两级－芯片级和系统级。当芯片中的放射性原子衰变并释放出阿尔法粒子时，芯片级软错误将发生。它们通常是由高能粒子的辐射导致的（在下文中解释）。这些阿尔法粒子与某个存储单元碰撞，从而导致其改变状态。当所传输的数据遇到噪声时，系统级软性错误将发生。这种错误通常在数据位于总线而非存储器中时发生。控制器将噪声解读为数据。这个错误数据最终被视为正确数据，从而导致寻址或处理错误。

用于衡量软错误发生率的软错误率（SER）决定了器件因高能粒子发生故障的概率。由于软错误是随机的，软错误的发生并不决定存储器的可靠性，而是决定其故障率。在那些采用了软错误应对机制的系统中（主要是高安全性和高可靠性系统），如果一个软错误（被称为“所检测到的不可恢复的错误”－DUE）被检测到，系统将重启，以避免损坏重要数据。如果未重启，它最终将成为一次无记载数据损坏（SDC）。SDC要比DUE危险得多，因为SDC会导致数据丢失，而DUE只会导致系统在短时间内不可用。在大量的消费电子设备中，软错误的风险并不很大，它们更可能因软件错误或部件损耗发生故障。

软错误的发生概率取决于众多因素，如入射粒子、撞击区域和电路设计等。电容和电压更高的电路更不容易出现软错误， 但这会招致更慢的逻辑门和更高的功耗。因此，随着芯片工艺的不断进步，软错误的发生概率也越来越大。电容和电压的组合被称为临界电荷（Qcrit）。它被定义为一次粒子撞击导致电路发生故障所必需拥有的电荷。由于逻辑电路中的每个节点都有其独特的电容和输出距离，因此，Qcrit通常以节点为单位测量。此外还必须注意，Qcrit 会随温度缓慢变化。

电路软错误 = k X 通量 X 面积 X e-Qcrit/Qcoil

其中，k = 取决于具体工艺的常数

通量 =中子通量

面积 = 对软错误敏感的电路面积

Qcoll = 所采集电荷与所生成电荷的比率

该模型被称为中子诱发型电路软错误的Hazucha & Svensson模型。

导致软错误的原因

阿尔法粒子

阿尔法粒子由两个质子和两个中子组成，类似于一个氦核。它们由放射性原子核在阿尔法衰变过程中释放。 阿尔法粒子拥有数个MeV的动能，低于中子。阿尔法粒子拥有一个致密的电荷层，在穿过半导体衬底时将产生多个电子空穴对。如果这种扰动足够强，它就有可能翻转某个位。由于这种情况通常只会持续几分之一纳秒，因此很难被检测出。

芯片被封装在含有微量放射性污染物的材料，如锡球或加工材料中。塑封材料、封装和其它装配材料中的微量铀- 238、铀- 232的放射性衰变会产生低能阿尔法粒子。然而，我们几乎不可能维持实现大多数电路的可靠性能所需的理想材料纯度（小于0.001次/小时/平方厘米）。微量的环氧树脂可为芯片屏蔽阿尔法辐射，从而降低软错误的发生概率。