Les erreurs causées par les rayons cosmiques

De nos jours, l’effet des rayons cosmiques sur l’électronique embarquée est connu. De nombreuses données ont été collectées et démontrent que les neutrons sont la première cause d’erreurs non destructives sur l’électronique embarquée dans les avions (Normand, 1996).

En 1993, une étude non intentionnelle menée par Olsen (Olsen et al., 1993), a montré un mauvais fonctionnement d’un ordinateur commercial lorsqu’une accumulation d’erreurs a été observée sur un module de mémoire SRAM CMOS. Le taux d’erreur observé à une altitude de 10 km était de 4.8x10-8 perturbations (ou upsets) par bit par jour. Une seconde expérimentation, cette fois intentionnelle, réalisée par Taber et Normand en embarquant une grande quantité de mémoire SRAM CMOS à différentes altitudes a démontré un taux d’erreur de 1.2x10-7 par bit par jour à 9 km d’altitude (Taber et Normand, 1993).

Le projet Rosetta (Lesea et al., 2005), réalisé par Xilinx, démontre l’effet des rayons cosmiques sur les FPGA ainsi que l’influence de la position sur la terre. Pour cela, différents

groupes de 100 FPGA de différentes technologies ont été placés à différentes altitudes et leurs configurations ont été vérifiées afin de collecter des données pour mesurer et quantifier l’effet des rayons cosmiques. Le projet Rosetta a été prolongé afin d’estimer la robustesse des nouvelles gammes de FPGA Xilinx.

1.2.1 Classification des pannes causées par les radiations

Comme présenté dans la Figure 1.6, les effets causés par ces radiations sont appelés « Single Event Effects » (SEE) s’ils sont causés par une particule, ou « Total Ionizing Dose effects » (TID effects) s’ils sont causés par l’accumulation d’une dose sur une longue durée (Bolchini et Sandionigi, 2010). Un SEE peut être destructif (permanent) ou non. Les erreurs non destructives ou erreurs passagères (soft errors), se décomposent en plusieurs catégories (JEDEC, 2006) :

• Single Event Upset (SEU) : une erreur non destructive causée par une radiation et capturée par un élément mémoire du circuit ;

• Single Event Latch-up (SEL) : fort courant causé par le passage d’une particule énergétique dans une région sensible causant un dysfonctionnement (peut être destructif); • Single Event Functional Interupt (SEFI) : erreur non destructive qui cause le mauvais

fonctionnement, le blocage ou autre mauvais fonctionnement d’un circuit ;

Figure 1.6 Classification des pannes dues aux Radiations Adaptée de Bolchini et Sandionigi (2010)

Certaines pannes similaires peuvent être causées par le vieillissement du circuit. Ce cas ne sera pas détaillé ici, car il ne rentre pas dans le cadre de ce projet.

Notons qu’il est important de ne pas confondre erreur et panne (Mukherjee, 2008). Une erreur, visible par l’utilisateur est la conséquence d’une panne dans le système qui peut être causée par une interaction avec l’environnement, une imperfection ou un défaut. Une panne n’est pas forcement visible par l’utilisateur, elle peut par exemple être masquée par la logique combinatoire du circuit.

Une erreur est tout simplement la manifestation d’une panne. Cette dernière causera généralement une erreur à une échelle locale, mais elle peut ne pas se voir à une échelle plus globale dans le circuit.

Sur la Figure 1.7, on voit une panne masquée dans le champ intérieur. Il ne s’agit donc pas d’une erreur. Si elle se propage en dehors du champ et qu’elle devient visible, alors elle devient une erreur. Certaines pannes locales ne causeront pas d’erreur sur une échelle plus large, elles seront masquées. Afin de quantifier cette donnée, il est possible de définir le facteur de vulnérabilité architectural (ou AVF). Il s’agit du pourcentage de pannes qui vont se manifester comme une erreur. Plus ce facteur est grand, plus le circuit ou le bit ciblé est vulnérable et est sensible aux SEE non destructifs.

Figure 1.7 Schéma décrivant la différence entre une panne et une erreur Adaptée de Mukherjee (2008)

1.2.2 Taux de pannes

Les pannes non destructives causées par une radiation sont caractérisées par une fréquence qui dépend de la section efficace (ou cross section) du circuit bombardé et du taux de radiations dans l’environnement (λSEU) (Hazucha et Svensson, 2000). La section efficace correspond à la partie du circuit qui est sensible aux radiations. On distingue deux types de

sections efficaces, la dynamique qui correspond à la partie sensible du circuit et la statique qui correspond à la partie opérationnelle.

Le taux de pannes non destructives est donc calculé de la manière suivante (Bolchini et Sandionigi, 2010) :

λ = × λ (1.1)

En utilisant cette équation, on peut alors calculer le temps moyen entre chaque panne, en anglais Mean Time To Failure (MTTF), avec la formule suivante :

= × ( ) = 1

λrec (1.2)

Avec Flifetime(t) la loi exponentielle décrivant la durée de vie d’un composant électronique. On en déduit donc que le nombre de pannes non destructives qui ont lieu est :

= é × λrec (1.3)

Pour calculer le MTTF d’un système complet, on utilise la formule suivante :

= ₁ 1

1 + 1 2 + ⋯

(1.4)

Comme observé sur la Figure 1.8, le temps entre deux pannes, ou Mean Time Between Failures (MTBF), est quantifié de la manière suivante : = +

Figure 1.8 Représentation schématique des variables MTTF, MTTR, et MTBF Adaptée de Mukherjee (2008)

Afin qu’un neutron change l’état d’une cellule, il faut que la charge accumulée dépasse un certain seuil. Cette charge minimale nécessaire est appelée charge critique ou Qcrit (Mukherjee, 2008). Hazucha et Svensson ont proposé le modèle empirique suivant pour prévoir le taux d’erreur appelé Soft Eror Rate (SER) :

= × × × (1.5)

Où C est une constante dépendant du procédé de fabrication et du choix du design et Qcoll est le rapport entre la charge collecté et la charge générée par unité de volume.

Plus la technologie est fine plus la surface diminue, ce qui devrait diminuer le SER. Par contre, cela impose aussi que la tension d’alimentation est plus faible, ce qui va entrainer une diminution de la charge critique Qcrit (Hazucha et Svensson, 2000).