（电子科学与技术专业论文）一种基于nand+flash存储器的抗辐射软件加固方法研究.pdf

a software anti-radiation hardening method of memory device based on nand flash candidate：yi wei advisor： xu xin a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering in electronics science and technology graduate school of national university of defense technology changsha，hunan，p.r.china （november，2011） 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页 目目 录录 摘 要 . i abstract . ii 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 抗辐射软件加固的意义 . 2 1.3 国内外研究现状 . 3 1.4 本课题研究内容及论文结构 . 5 第二章 辐射环境与 nand flash 辐射效应 . 6 2.1 空间辐射环境 . 6 2.1.1 宇宙射线 . 6 2.1.2 太阳风 . 7 2.1.3 范艾伦辐射带 . 7 2.2 nand flash 原理简介 . 7 2.3 nand flash 辐射效应 . 9 2.3.1 单粒子效应 . 9 2.3.2 总剂量效应 . 11 2.4 nand flash 的错误模式分析 . 11 2.4.1 单一辐射源诱发错误模式 . 12 2.4.2 多辐射源诱发错误模式 . 15 2.5 本章小结 . 16 第三章 抗辐射软件加固方法设计 . 17 3.1 nand flash 存储系统软件加固方式 . 17 3.1.1 软件加固方式简介 . 17 3.1.2 软件加固方式设计 . 19 3.1.3 基于 rs(12,4)码的软件加固方式实现 . 21 3.2 rs(12,4)码编码器设计 . 22 3.2.1 rs(12,4)码编码原理 . 22 3.2.2 rs(12,4)码并行编码器设计 . 24 3.2.3 编码器性能分析 . 28 3.3 rs(12,4)码译码器设计 . 28 3.3.1 rs 码译码原理 . 29 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 3.3.2 改进余式译码算法设计 . 32 3.3.3 改进 rs(12,4)码译码器实现 . 38 3.3.4 改进余式译码算法性能分析 . 40 3.4 本章小结 . 41 第四章 软件加固固态存储器实现与验证 . 42 4.1 验证平台概述 . 42 4.2 基于 nand flash 的存储器实现 . 43 4.2.1 nand flash 流水线管理 . 43 4.2.2 软件加固固态存储器的结构 . 45 4.3 软件加固存储器抗辐射性能分析 . 47 4.3.1 抗 tid 效应测试 . 47 4.3.2 抗单粒子效应测试 . 48 4.3.3 模拟卫星轨道辐射环境测试 . 51 4.4 本章小结 . 52 结 束 语 . 53 致 谢 . 54 参考文献 . 55 作者在学期间取得的学术成果 . 58 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 iii 页 表 目 录 表 2.1 单粒子效应模型 . 10 表 2.2 在不同剂量水平下闪存芯片比特错误数量统计 . 12 表 3.1 不同编码算法性能比较 . 28 表 3.2 不同译码算法性能比较 . 40 表 4.1 在不同剂量水平闪存芯片比特错误数量采样值 . 47 表 4.2 单粒子效应翻转截面与 let 值关系表 . 49 表 4.3 单粒子功能中断翻转截面与 let 值关系表 . 49 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 iv 页 图 目 录 图 2.1 闪存存储单元原理图 . 8 图 2.2 闪存的存储结构原理图 . 9 图 2.3 闪存存储单元连接图 . 10 图 2.4 闪存错误比特数与辐射剂量关系图 . 13 图 2.5 翻转截面与 let 拟合关系图 . 14 图 2.6 卫星轨道不同能级粒子分布图 . 15 图 3.1 三模冗余加固方法原理图 . 17 图 3.2 加入差错控制编码存储器结构图 . 18 图 3.3 软件加固方案 1 . 18 图 3.4 软件加固方案 2 . 18 图 3.5 采用 rs(12,4)码加固的存储器结构图. 22 图 3.6 采用除法电路编码器原理图 . 24 图 3.7 改进编码器结构图 . 26 图 3.8 并行乘法器电路图 . 27 图 3.9 编码器时序波形图 . 28 图 3.10 采用 berlekamp 算法的译码器结构图. 31 图 3.11 余式译码原理图 . 33 图 3.12 改进 bm 算法迭代原理图 . 38 图 3.13 余式译码器结构原理图 . 39 图 3.14 并行除法器电路图 . 39 图 3.15 译码器时序波形图 . 40 图 4.1 加固固态存储器组成原理图 . 42 图 4.2 流水线结构原理图 . 44 图 4.3 无流水线与有流水线连续读任务调度过程 . 45 图 4.4 软件加固存储器结构原理图 . 46 图 4.5 验证平台实物图 . 46 图 4.6 软件加固与未加固存储器剂量水平与错误比特数量关系图 . 48 图 4.7 软件加固与未加固 seu 翻转截面与 let 关系曲线 . 50 图 4.8 软件加固与未加固 sefi 翻转截面与 let 关系曲线 . 51 图 4.9 模拟卫星轨道辐射环境测试结果（时间与翻转截面关系） . 52 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页 摘 要 数据存储设备是航天器的关键设备，为空间试验的数据采集和存储提供支撑 平台。nand flash 存储器具有功耗小、速度快、非易失性等特点，在宇航领域有 广阔的应用前景。但是太空环境中辐射非常严重，为保证能正常工作，必须对 nand flash 存储的数据进行加固处理。 本文根据 nand flash 在辐射环境中的单粒子效应和总剂量效应，分析了 nand flash 不同错误模式的特点。结合 nand flash 的控制方式和构造原理，提 出一种基于差错控制编码的软件加固方式，采用基于伽罗华域 gf(24)的缩短 rs(12,4) 系统码对存储数据进行加固。本文主要研究成果如下： 结合 nand flash 的读写方式，研究一种基于查找表的系统码并行编码方 法，减小了编码电路关键路径的延时，大大提高了编码器的编码速率。 比较 rs 码的不同译码方式，设计一种改进的余式译码方法。采用并行的 余式计算方式和改进的余式译码关键方程，减少错误多项式求解的迭代次数，缩 短了译码的时间开销。 根据 rs(12,4)码的特点，结合 nand flash 流水线管理方式，将信息码元 和校验码元存储于不同芯片中，使存储器具备抗芯片功能中断错误的能力，而且 不影响存储器的连续读写速率。 最后，本文实现了固态存储器的软件加固方法，模拟不同辐射效应的错误模 式，对存储器注入单比特错误、多比特错误和芯片功能中断错误，测试了软件加 固存储器的抗辐射性能。测试表明，该软件加固方式能将存储器抗辐射性能提升 5 到 6 个量级。 主题词：nand flash 抗辐射 差错控制编码 软件加固 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 abstract the data recorder is one of the key devices in the spacecraft for data recording and storage. nand flash, due to its versatile features such as high speed, low power consumption, is very fit for space applications. in order to work normally in the harsh radiation environment of space, the data stored in nand flash must be hardened. the paper analyses the characteristics of different error mode of nand flash caused by the single event effects and total dose effects in radiation environment. considering the special controlling principles of nand flash, a software hardening method was designed based on error control coding. use a systematic shortened rs (12,4) code based on gf(24) to guarantee the safety of the stored data in nand flash. the main work and contribution of the dissertation is as follows: combined with the special operating mode of nand flash, research a new parallel coding method based on look-up table. the new coding circuit reduces the critical path delay and greatly improving the efficiency of the encoder. comparing different rs decoding methods, the remainder decoding method was chosen and improved. the adoption of parallel remainder calculator and modified key equation accelerate decoding process. and the discovery of a new way reduces the iterations of the calculation of the error polynomial, which also contributes to cut down the expenditure of decoding time. combined the characteristics of rs (12,4) code with the pipeline managements of nand flash, store the information symbols and parity symbols in different chips. and it is possible to correct single event functional interrupt errors. also the speed of the solid memory device will not fall by using pipeline technology. finally, we realize the software hardening method and simulate different error patterns caused by radiation. the performance of the hardened solid storage device was tested by injecting single bit errors, multiple bit errors and function interrupt errors. the software hardening approach can reinforce the memorys anti-radiation performance 5-6 orders of magnitude. key words：nand flash anti-radiation ecc software-hardening 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 1 页 第一章 绪论 1.1 引言引言 随着空间技术的发展，越来越多的电子设备应用于各种辐射环境中。辐射作 用于电子设备中的元器件，导致它们的电参数发生变化，致使电子设备不能正常 工作。半导体材料及器件对辐射尤其敏感，存储部件作为航天器关键存储部件， 为了保证其在特定的辐射环境下能正常工作，必须对它们的辐射效应以及加固方 法进行研究。 数据存储设备是卫星上的关键设备。由于地面上接收站的数量有限且分布不 均匀，卫星在境外的侦察数据只能存储在卫星上并在过境时将数据下传。在探月 工程中也遇到相同的问题，大量的图片数据不能实时传回地面接收站。因此，迫 切需要一种容量大、速率高、体积小、重量轻、耗电小的星载存储设备。九十年 代初，各航天大国开始研制固态记录器(solid state recorder，简称 ssr)，使用半 导体存储芯片作为存储介质，其存储密度高、无转动部件、可靠性高、体积小、 重量轻，比早期的磁记录设备更适于航天航空领域，因而逐渐成为空间飞行器的 数据记录器的主流方案1 。 半导体存储器件有很多种类，常见的有动态随机存储器、静态随机存储器、 闪速存储器等。在固态记录仪研究的早期，主要采用动态随机存储器来构造大容 量固态存储器。 动态随机存储器 （dram） 由一个 cmos 晶体管构成其存储单元， 通过对电容进行充放电来存储数据。其最大的优点是存储密度高，存储速度快， 抗辐射性能强，适用于航天设备。但由于电容漏电，需要专门刷新电路对其定时 刷新，该刷新电路复杂度高、功耗大。dram 中的数据掉电就会丢失，一旦发生 电力故障或者逻辑电路故障，dram 存储器件的数据会全部丢失，这是固态存储 器不能容忍的，所以 dram 多用来做缓存而很少用来做专门的数据存储器。静态 随机存储器（sram）也广泛应用于航天设备。其存储单元由一个触发器构成，存 储单元的逻辑状态由触发器的状态决定，不需要专门的刷新电路，功耗比 dram 低。每个存储单元由六个 cmos 晶体管构成，存储密度低且价格高，且数据掉电 后丢失。若采用 sram 构造大容量的存储设备消耗的面积太大。闪速存储器(简称 闪存)是一种新型的半导体存储器件，它是从电可擦除存储器（eeprom）发展而 来的存储器。具有 eeprom 可以重复擦除的功能，且读写性能和存储密度都有超 越了 eeprom。闪存的存储单元由浮栅结构 mos 管构成。通过对浮栅进行充放 电来改变存储单元的逻辑状态。每一个单元由一个浮栅 mos 管构成，具有存储密 度高，数据掉电不丢失等特点。由于在掉电情况下，浮栅中的电子可以持续保持， 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 2 页 在芯片处于空闲状态下时就可以关闭芯片电源，这样就可以大大的降低固态记录 仪的功耗，并且保证存储数据的安全。由于闪存具有存储密度高、功耗小、非易 失性等特点，闪存在航天领域具有广阔的应用前景。然而闪存的存储密度高，对 空间辐射比较敏感，辐射效应与错误模式也比较复杂，因此对存储器抗辐射加固 设计提出了更高的要求。 影响存储部件工作的辐射环境主要包括空间辐射环境、大气辐射环境、人造 辐射环境等。辐射环境中的高能粒子和电磁辐射都可能引起半导体材料产生电离 辐射效应，导致芯片出现各种功能障碍。目前研究比较成熟的辐射效应主要包括 以下二种：单粒子效应和总剂量效应。在辐射环境中，辐射效应可能导致电子系 统出错，可能造成灾难性事故。据美国国家地球物理数据中心统计，自 1971 年至 1986 年间，美国发射的 39 颗同步卫星，发生的故障共 1589 次，其中由于各种辐 射效应引起的故障达 1129 次，占故障总数的 71。中国空间科学技术研究院统计 了我国 6 颗同步卫星中的故障原因，空间辐射环境引起的故障在总故障中的比例 也达到了 40%2 。以上数据表明辐射效应是导致航天器电子系统出现故障的主要 原因， 在航天器电子系统设计过程中必须考虑抗辐射加固的问题。 随着工艺缩减， 辐射效应对存储芯片的损伤在持续增加。在辐射环境中，由于各种辐射造成存储 芯片中的逻辑电路和存储结构的损坏，可能导致数据的丢失，从而导致系统不能 正常工作，造成不可挽救的损失。 空间环境中的高能粒子和电磁辐射严重威胁闪存芯片中存储数据的安全。由 文献3 知，目前采用的重要的抗辐射加固方法包括屏蔽加固、工艺加固、电路结 构加固和软件加固。屏蔽加固是指对存储部件采用抗辐射材料进行再次封装，削 弱辐射的强度，减少芯片遭受辐射源的辐照。工艺加固是指通过改进底层工艺， 采用不同的半导体材料等方法来提高芯片的抗辐射能力，cmossoi（silicon on insulator）器件是目前抗辐射器件的一个研究热点。电路结构加固是指采用多倍冗 余的方法，同一功能的电路模块采用多个实现，保证部分电路出错后整个存储部 件还能正常工作。软件加固方法属于系统级加固，在现有电路基础上，通过纠错 编码以及可容错系统设计，采用先进的数据存取方式来实现对器件的加固。软件 加固技术是加固技术中不可缺少的一环，它能自动检测错误并能及时的采取补救 措施，是存储系统抗辐射的最后一道防线。因此，设计合理可行的软件加固方案 具有重要的现实意义。 1.2 抗辐射软件加固抗辐射软件加固的的意义意义 闪存具有存储密度高、非易失性、功耗小等优点，在航空航天领域具有重要 的应用价值。但空间环境中存在着各种高能带电粒子和各波段的电磁辐射，会引 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 3 页 起存储器件本身损坏或存储信息变化，严重威胁着存储数据的安全。因此对固态 存储部件的抗辐射加固技术进行研究具有重要的实际意义。 目前，对于闪存的辐射效应的研究比较全面，如单粒子效应，总剂量效应等。 但没有提出闪存的辐射效应模型。在辐射环境中闪存的错误模式有单粒子翻转、 单粒子闭锁、单粒子多位翻转、单粒子功能中断以及芯片失效等。软件加固是高 层次的加固技术，要求对 nand flash 的错误模式深刻了解，它是存储部件软件加 固技术研究的基础。 因此， 对闪存由各种辐射源诱发的错误模式的研究十分重要。 闪存加固技术主要包括屏蔽防护、工艺加固、电路设计加固等方法，对闪存 的软件加固技术研究相对较少。目前主流软件加固技术采用 edac(error detection and correction)方法，所用到的纠错码主要有汉明码，rs(reed-solomon)码等。汉 明码纠错能力有限，只能检测两位错误，纠一位错误。rs 码编解码相对复杂，降 低存储器的读写速度，而且纠错方式与数据存取管理方式相分离。因此，需要设 计一种检错纠错方法，在保证存储器的读写性能的前提下，还要确保存储数据的 安全。 基于闪存的存储部件软件加固技术不仅是研究一种性能好的纠错码，还要考 虑闪存的数据传输方式。这样，才能保证存储部件既具有较强的容错纠错能力， 又具有较高的存储速率。因此，闪存的抗辐射软件加固技术是一门综合技术，具 有重要实际意义。 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 闪存在商业与军事领域已经得到广泛的应用，但在空间领域应用相对较少。 由于闪存具有存储密度高、非易失性、功耗小等优点，基于闪存的固态存储部件 将取代基于 dram 和 sram 的固态存储部件。 闪存应用于航天设备必须经过严格 的抗辐射性能测试，因此，闪存的辐射效应也是当前的 cmos 器件辐射效应研究 的热点。 闪存的辐射效应研究主要采取的方法有卫星搭载的方式以及地面辐射环境模 拟方式。卫星搭载方式4 ：收集不同厂商不同型号的闪存芯片，建立闪存芯片的 测试系统，在不同轨道的卫星进行搭载实验，把测试数据发回地面接收站。在地 面站对数据进行分析，得到不同厂商的闪存芯片的抗辐射性能以及闪存芯片的辐 射效应。地面辐射环境模拟方式：在地面建立空间辐射环境，如采用高能离子束、 电子束和质子束等轰击闪存芯片，或用核磁辐射源照射闪存芯片，测试闪存芯片 的错误模式和辐射效应。卫星搭载方式和地面辐射环境模拟测试方式各有特点， 卫星搭载方式能反映空间辐射环境状况和实际的错误模式，但由于可搭载卫星数 量有限，只能反映特定轨道上的闪存辐射效应。而且搭载芯片数量有限，不利于 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 4 页 闪存芯片的抗辐射性能估计。 其次， 由于空间辐射环境与各种宇宙环境因素相关。 必须进行长时间的检测和统计，因此，导致闪存的抗辐射性能测试周期长，而闪 存器件更新换代快，不利于实际应用。地面辐射环境模拟方式5 ，能缩短芯片的 测试时间，而且，在地面测试过程中，可以针对不同的辐射效应建立不同的测试 方法，灵活性比较强。但由于空间环境中的部分辐射方式在地面无法实现，所以 可能会遗漏部分辐射效应。不过，通过综合以上两种方法，对两种不同的情况进 行对比，能得到比较合理的闪存抗辐射性能模拟测试方法。 空间辐射对存储部件的主要的辐射效应包括单粒子效应、总剂量效应。通常 需要到芯片进行抗辐射性能测试，对芯片进行筛。抗辐射性能测试后，选用抗辐 射能力强的芯片，芯片本身具有一定的抗辐射功能。另外，改进存储部件的结构 设计，通常可以采用添加冗余的方法来提高整个固态存储器的抗辐射性能。单粒 子效应通常造成存储单元位翻转，导致存储数据变化，通常采用检错纠错编码对 数据进行加固。 在固态存储器领域， 目前常用的 ecc 方式主要有 hamming （汉明） 码以及 reed-solomon 码 （简称 rs 码） ， bch 码等。 如太阳日光层观测卫星 soho 的大容量固态存储器上使用了 rs 纠错编码，trw 公司在 cassini 航天器和 nmmp 计划中则使用了改进的汉明码1 。 rs 码的纠错能力比汉明码强， 汉明码的 编解码算法简单， 但纠错能力有限， 比较适合于由sram和dram构造的存储器。 而 rs 码无论是对于随机错误还是突发错误， 都非常有效。 在相同的码率的条件下， rs 码的性能要优于汉明码，但 rs 码的编译码算法更加复杂，需要更多的逻辑运 算开销。 nand flash 的优越特性，在宇航领域应用前景广阔，目前，很多航天器都尝 试采用 nand flash 构建固态存储器，且对加固技术也有相应研究。文献1 中提 出了一种基于商用闪存的星载高速大容量存储器的设计方法，主要研究适合于宇 航环境的固体存储器结构与闪存的管理方式。但其未充分考虑数据安全和抗辐射 加固问题。文献6 提出了一种抗辐射加固的 nand flash 存储器，采用三模冗余 的方式对数据进行加固，提高了数据的安全性，但只是存储数据的简单拷贝，纠 正随机错误能力有限。文献7 中提出了一种采用 rs 码的软件加固方式，其纠错 能力有限，当存储器出现功能中断错误时，数据将无法恢复，数据的安全性得不 到保证。 从目前国内外固态存储记录仪的演技现状可知，星载固态存储记录仪抗辐射 加固技术主要从以下几方面入手： 1. 对存储芯片的进行改进设计，提升芯片本身的抗辐射新能。 2. 对存储芯片进行屏蔽封装，把辐射阻挡在存储芯片之外。 3. 采用逻辑加固技术，对存储芯片中的数据进行校验，即使数据出错，也能 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 5 页 够正确的恢复数据。 软件加固技术属于逻辑加固技术，是加固技术中不可缺少的一环。它能自动 检测错误并能及时的采取补救措施，是存储系统抗辐射的最后一道防线。因此， 设计合理可行的软件加固方案具有重要的实际意义。 1.4 本课题研究内容及论文结构本课题研究内容及论文结构 本文通过整理目前闪存抗辐射加固方法的研究成果，了解并掌握空间的辐射 环境与闪存辐射效应，分析闪存由不同辐射源诱发错误的特点，建立加固存储器 的模拟测试方法。研究目前固态存储部件抗辐射加固采用的主要方法，根据闪存 的错误模式，提出一种基于 rs 码的软件加固方法，并对其编译码算法进行改进， 以获得更好的检错纠错性能。了解并掌握固态存储部件的结构，结合纠错方式和 数据存储方式，采用流水线的数据传输方式，提高存储部件的读写速度。最后实 现软件加固固态存储部件，采用软件加固固态存储器模拟测试方法，验证软件加 固方法的抗辐射性能。 本文包括以下五章内容： 第一章：简要介绍 nand flash 存储器在空间环境中的各种辐射效应，综述国 内外研究现状，阐述了软件加固的意义以及本论文的研究内容和结构。 第二章：对各种辐射环境以及 nand flash 的原理进行简单介绍，分析了 nand flash 辐射效应产生机理。介绍了 nand flash 在辐射环境中的错误模式以 及错误分布规律。 第三章：根据 nand flash 由不同辐射源诱发的错误特点，设计一种基于 rs(12,4)码的软件加固方法。详细论述了 rs(12,4)并行编码方式以及改进了 rs 码 余式译码方法，设计了改进 rs(12,4)编译码器并分析其性能。 第四章：论述了高速软件加固固态存储器的实现过程，采用流水线管理方法 对固态存储器进行加速，最后对存储器的抗辐射性能进行了综合评测。 第五章：结束语，对全文的工作进行总结，对下一步工作进行展望。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 6 页 第二章 辐射环境与 nand flash 辐射效应 影响 nand flash 工作的稳定的辐射环境包括自然辐射环境、 大气辐射环境以 及人造辐射等。 研究 nand flash 的软件加固方式首相必须了解各种空间辐射源以 及空间辐射环境。空间辐射源主要包括高能带电离子、不带电离子和高能电磁辐 射。这些辐射源会造成存储器件不同程度的损伤，导致存储数据丢失或出错。然 而各种辐射对电子元器件造成损伤的机理不同，防范的方法也不相同。在研究加 固方法的同时必须先了解辐射环境以及元器件的损伤机理，从而提出合理的加固 方式。 电子器件和电子系统的辐射效应与所处的辐射环境有关，即辐射的种类、强 度、所受剂量等。由于各种航天器所处的轨道不同，所遇到的辐射环境也不相同， 下面简要阐述主要的辐射环境， 并对 nand flash 固态存储器受到辐射产生的辐射 效应进行分析。 2.1 空间辐射环境空间辐射环境 空间环境中存在着很强的自然辐射，主要由宇宙射线、太阳辐射、地球的辐 射带以及 x 射线和电磁辐射组成8 9 。在太空中飞行的卫星、空间站都会受到各 种空间辐射的攻击。这些辐射粒子和射线都具有极高的能量和破坏力，所以，空 间飞行器的电子系统无论是处于内部还是暴露在外部都应考虑辐射的影响。位于 飞行器外面的电子元器件主要由于电子的累积引起损伤，位于飞行器内部的电子 器件主要由于高能粒子轰击半导体器件引起半导体材料性质变化而引起损伤。下 面对空间辐射环境做简单介绍。 2.1.1 宇宙射线 宇宙射线是指来由宇宙环境的极高能量粒子产生的辐射，主要由银河系、太 阳及其它星系产生。其主要成分包含高能质子和 粒子，还有少量的重离子。主要 成分是 粒子（约 14.4%）和高能质子（约 84.3%），其它的重核成分约占 1.3%。 能量从 100mev-109gev，在 300mev 处粒子数量最多1 。通常较高能量的粒子来 源于银河系，能力相对较低的粒子来自于太阳。离子的密度和强度受天体的活动 周期的影响。通常能量大于 100mev 的宇宙射线的分布是各向同性的，粒子的注入 量大约为 1cm-2s-1，在 50km 高度上注入量随高度基本上保持不变3 。 宇宙射线到达地球附近，受到地磁场的作