近年來，半導體技術取得了巨大進步
，但這種進步也帶來了新的問題。當今的CMOS工(gong)藝(yi)已(yi)縮(suo)至(zhi)很(hen)小(xiao)的(de)尺(chi)寸(cun)
，以(yi)至(zhi)於(yu)地(di)外(wai)輻(fu)射(she)和(he)芯(xin)片(pian)封(feng)裝(zhuang)正(zheng)導(dao)致(zhi)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)故(gu)障(zhang)。由(you)於(yu)這(zhe)些(xie)故(gu)障(zhang)是(shi)可(ke)逆(ni)的(de)，它(ta)們(men)被(bei)稱(cheng)為(wei)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)。軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)首(shou)次(ci)出(chu)現(xian)於(yu)1978年，由於受鈾汙染的封裝模塊，英特爾公司無法向AT&T交付其生產的芯片。20世紀70年代

，軟錯誤主要與動態RAM（DRAM）有關，這是因為它們的芯片封裝材料含有微量的放射性汙染物。

軟錯誤是指高能粒子與矽元素之間的相互作用而在半導體中造成的隨機、臨時的狀態改變或瞬變。但與硬錯誤不同的是，一個簡單的複位/重寫操作可以恢複受影響器件的正常運行。數字和模擬電路、chuanshuxianluhecicunchuqizhongdoukenengfashengruancuowu
，danbandaoticunchuqizuiyichuxianruancuowu，qiyuanyinshitamendedanyuanchicunjiaoda


，erqiemeigeweibaochimouzhongzhuangtaideshijianjiaochang（因此增加了風險）。 軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)有(you)可(ke)能(neng)翻(fan)轉(zhuan)一(yi)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)位(wei)，這(zhe)取(qu)決(jue)於(yu)誘(you)發(fa)粒(li)子(zi)到(dao)達(da)器(qi)件(jian)時(shi)的(de)能(neng)量(liang)。一(yi)個(ge)高(gao)能(neng)粒(li)子(zi)與(yu)半(ban)導(dao)體(ti)襯(chen)底(di)之(zhi)間(jian)的(de)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)將(jiang)產(chan)生(sheng)多(duo)個(ge)電(dian)子(zi)空(kong)穴(xue)對(dui)。它(ta)們(men)在(zai)耗(hao)盡(jin)區(qu)中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)場(chang)將(jiang)導(dao)致(zhi)一(yi)次(ci)電(dian)荷(he)漂(piao)移(yi)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)電(dian)流(liu)擾(rao)動(dong)。如(ru)果(guo)這(zhe)個(ge)電(dian)流(liu)移(yi)動(dong)的(de)電(dian)荷(he)跨(kua)越(yue)了(le)存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)（每個單元存儲一個位）的臨界電荷，所存儲的數據就有可能翻轉，從而導致下一次被讀取時出現錯誤。

軟錯誤分為兩級－芯片級和係統級。當芯片中的放射性原子衰變並釋放出阿爾法粒子時
，芯片級軟錯誤將發生。它們通常是由高能粒子的輻射導致的（在下文中解釋）。這(zhe)些(xie)阿(e)爾(er)法(fa)粒(li)子(zi)與(yu)某(mou)個(ge)存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)碰(peng)撞(zhuang)
，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)其(qi)改(gai)變(bian)狀(zhuang)態(tai)。當(dang)所(suo)傳(chuan)輸(shu)的(de)數(shu)據(ju)遇(yu)到(dao)噪(zao)聲(sheng)時(shi)

，係(xi)統(tong)級(ji)軟(ruan)性(xing)錯(cuo)誤(wu)將(jiang)發(fa)生(sheng)。這(zhe)種(zhong)錯(cuo)誤(wu)通(tong)常(chang)在(zai)數(shu)據(ju)位(wei)於(yu)總(zong)線(xian)而(er)非(fei)存(cun)儲(chu)器(qi)中(zhong)時(shi)發(fa)生(sheng)。控(kong)製(zhi)器(qi)將(jiang)噪(zao)聲(sheng)解(jie)讀(du)為(wei)數(shu)據(ju)。這(zhe)個(ge)錯(cuo)誤(wu)數(shu)據(ju)最(zui)終(zhong)被(bei)視(shi)為(wei)正(zheng)確(que)數(shu)據(ju)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)尋(xun)址(zhi)或(huo)處(chu)理(li)錯(cuo)誤(wu)。

用於衡量軟錯誤發生率的軟錯誤率（SER）決(jue)定(ding)了(le)器(qi)件(jian)因(yin)高(gao)能(neng)粒(li)子(zi)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)的(de)概(gai)率(lv)。由(you)於(yu)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)是(shi)隨(sui)機(ji)的(de)
，軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)的(de)發(fa)生(sheng)並(bing)不(bu)決(jue)定(ding)存(cun)儲(chu)器(qi)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)
，而(er)是(shi)決(jue)定(ding)其(qi)故(gu)障(zhang)率(lv)。在(zai)那(na)些(xie)采(cai)用(yong)了(le)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)應(ying)對(dui)機(ji)製(zhi)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)（主要是高安全性和高可靠性係統），如果一個軟錯誤（被稱為“所檢測到的不可恢複的錯誤”－DUE）被檢測到
，係統將重啟，以避免損壞重要數據。如果未重啟，它最終將成為一次無記載數據損壞（SDC）。SDC要比DUE危險得多，因為SDC會導致數據丟失，而DUE隻會導致係統在短時間內不可用。在大量的消費電子設備中，軟錯誤的風險並不很大，它們更可能因軟件錯誤或部件損耗發生故障。

軟錯誤的發生概率取決於眾多因素
，如入射粒子

、撞擊區域和電路設計等。電容和電壓更高的電路更不容易出現軟錯誤
， 但(dan)這(zhe)會(hui)招(zhao)致(zhi)更(geng)慢(man)的(de)邏(luo)輯(ji)門(men)和(he)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)耗(hao)。因(yin)此(ci)，隨(sui)著(zhe)芯(xin)片(pian)工(gong)藝(yi)的(de)不(bu)斷(duan)進(jin)步(bu)，軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)的(de)發(fa)生(sheng)概(gai)率(lv)也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)。電(dian)容(rong)和(he)電(dian)壓(ya)的(de)組(zu)合(he)被(bei)稱(cheng)為(wei)臨(lin)界(jie)電(dian)荷(he)（Qcrit）。它被定義為一次粒子撞擊導致電路發生故障所必需擁有的電荷。由於邏輯電路中的每個節點都有其獨特的電容和輸出距離，因此，Qcrit通常以節點為單位測量。此外還必須注意，Qcrit 會隨溫度緩慢變化。

電路軟錯誤 = k X 通量 X 麵積 X e-Qcrit/Qcoil

其中
，k = 取決於具體工藝的常數

通量 =中子通量

麵積 = 對軟錯誤敏感的電路麵積

Qcoll = 所采集電荷與所生成電荷的比率

該模型被稱為中子誘發型電路軟錯誤的Hazucha & Svensson模型。

導致軟錯誤的原因

阿爾法粒子

阿爾法粒子由兩個質子和兩個中子組成
，類似於一個氦核。它們由放射性原子核在阿爾法衰變過程中釋放。 阿爾法粒子擁有數個MeV的(de)動(dong)能(neng)
，低(di)於(yu)中(zhong)子(zi)。阿(e)爾(er)法(fa)粒(li)子(zi)擁(yong)有(you)一(yi)個(ge)致(zhi)密(mi)的(de)電(dian)荷(he)層(ceng)
，在(zai)穿(chuan)過(guo)半(ban)導(dao)體(ti)襯(chen)底(di)時(shi)將(jiang)產(chan)生(sheng)多(duo)個(ge)電(dian)子(zi)空(kong)穴(xue)對(dui)。如(ru)果(guo)這(zhe)種(zhong)擾(rao)動(dong)足(zu)夠(gou)強(qiang)，它(ta)就(jiu)有(you)可(ke)能(neng)翻(fan)轉(zhuan)某(mou)個(ge)位(wei)。由(you)於(yu)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)通(tong)常(chang)隻(zhi)會(hui)持(chi)續(xu)幾(ji)分(fen)之(zhi)一(yi)納(na)秒(miao)
，因(yin)此(ci)很(hen)難(nan)被(bei)檢(jian)測(ce)出(chu)。

芯片被封裝在含有微量放射性汙染物的材料，如錫球或加工材料中。塑封材料

、封裝和其它裝配材料中的微量鈾- 238、鈾- 232的放射性衰變會產生低能阿爾法粒子。然而，我們幾乎不可能維持實現大多數電路的可靠性能所需的理想材料純度（小於0.001次/小時/平方厘米）。微量的環氧樹脂可為芯片屏蔽阿爾法輻射，從而降低軟錯誤的發生概率。
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宇宙射線

製(zhi)造(zao)商(shang)已(yi)設(she)法(fa)控(kong)製(zhi)了(le)釋(shi)放(fang)阿(e)爾(er)法(fa)粒(li)子(zi)的(de)汙(wu)染(ran)物(wu)
，但(dan)他(ta)們(men)卻(que)無(wu)法(fa)抗(kang)擊(ji)宇(yu)宙(zhou)輻(fu)射(she)。事(shi)實(shi)上(shang)，在(zai)現(xian)代(dai)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)中(zhong)

，宇(yu)宙(zhou)射(she)線(xian)是(shi)最(zui)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)的(de)原(yuan)因(yin)。宇(yu)宙(zhou)射(she)線(xian)中(zhong)的(de)主(zhu)要(yao)粒(li)子(zi)通(tong)常(chang)不(bu)能(neng)抵(di)達(da)地(di)球(qiu)表(biao)麵(mian)

，但(dan)它(ta)們(men)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)串(chuan)高(gao)能(neng)次(ci)級(ji)粒(li)子(zi)，其(qi)中(zhong)大(da)多(duo)數(shu)是(shi)高(gao)能(neng)中(zhong)子(zi)。中(zhong)子(zi)不(bu)帶(dai)電(dian)荷(he)
，因(yin)此(ci)不(bu)會(hui)導(dao)致(zhi)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)
，但(dan)卻(que)能(neng)被(bei)芯(xin)片(pian)中(zhong)的(de)原(yuan)子(zi)核(he)俘(fu)獲(huo)

，從(cong)而(er)生(sheng)成(cheng)阿(e)爾(er)法(fa)粒(li)子(zi)，繼(ji)而(er)導(dao)致(zhi)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)。中(zhong)子(zi)所(suo)經(jing)曆(li)的(de)衰(shuai)減(jian)很(hen)小(xiao)，可(ke)穿(chuan)透(tou)厚(hou)達(da)5英寸的混凝土。

由於大氣屏蔽效應隨著海拔的升高而減弱，宇宙輻射將隨之增加。因此
，飛機和衛星中的存儲器模塊極(ji)易(yi)出(chu)現(xian)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)
，軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)率(lv)是(shi)地(di)麵(mian)模(mo)塊(kuai)的(de)數(shu)百(bai)倍(bei)甚(shen)至(zhi)數(shu)千(qian)倍(bei)。此(ci)外(wai)，由(you)於(yu)上(shang)述(shu)大(da)氣(qi)屏(ping)蔽(bi)效(xiao)應(ying)的(de)減(jian)弱(ruo)，位(wei)於(yu)極(ji)地(di)的(de)存(cun)儲(chu)模(mo)塊(kuai)也(ye)極(ji)易(yi)出(chu)現(xian)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)。為(wei)減(jian)少(shao)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)，高(gao)風(feng)險(xian)應(ying)用(yong)中(zhong)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)模(mo)塊(kuai)需(xu)要(yao)經(jing)過(guo)一(yi)個(ge)名(ming)為(wei)輻(fu)射(she)硬(ying)化(hua)的(de)工(gong)藝(yi)。盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)，由(you)於(yu)生(sheng)產(chan)輻(fu)射(she)硬(ying)化(hua)芯(xin)片(pian)需(xu)要(yao)大(da)量(liang)測(ce)試(shi)（和時間）
，它們一般都屬於舊的工藝節點。

熱中子

由於存在中子俘獲反應
，欠缺動能的中子是軟錯誤的一個重要來源。（硼磷矽玻璃介電層中大量存在的）硼同位素（10B）原子核俘獲一個熱中子後將釋放一個阿爾法粒子、鋰li原yuan子zi核he和he伽jia馬ma射she線xian。阿e爾er法fa粒li子zi和he鋰li原yuan子zi核he都dou能neng導dao致zhi軟ruan錯cuo誤wu。硼peng在zai生sheng產chan中zhong被bei用yong於yu降jiang低di玻bo璃li的de融rong化hua溫wen度du，因yin此ci具ju備bei更geng好hao的de回hui流liu和he整zheng平ping特te性xing。

在重要設計中
，貧硼（隻含11B）可用於降低軟錯誤率，通過使用磷矽玻璃（PSG）氧化層替代硼磷矽玻璃（BPSG）來(lai)實(shi)現(xian)。貧(pin)硼(peng)對(dui)於(yu)腫(zhong)瘤(liu)放(fang)射(she)治(zhi)療(liao)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)醫(yi)療(liao)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)尤(you)其(qi)重(zhong)要(yao)。中(zhong)子(zi)和(he)治(zhi)療(liao)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)光(guang)子(zi)束(shu)相(xiang)結(jie)合(he)將(jiang)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)熱(re)中(zhong)子(zi)通(tong)量(liang)
，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)極(ji)高(gao)的(de)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)率(lv)。盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)，熱(re)中(zhong)子(zi)並(bing)非(fei)目(mu)前(qian)導(dao)致(zhi)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)的(de)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)，製(zhi)造(zao)商(shang)已(yi)通(tong)過(guo)150nm工藝節點消除了含硼酸介電層。

消減軟錯誤的影響

改進工藝和存儲單元布局

我(wo)們(men)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)中(zhong)所(suo)存(cun)儲(chu)的(de)臨(lin)界(jie)電(dian)荷(he)提(ti)升(sheng)存(cun)儲(chu)器(qi)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。此(ci)外(wai)

，我(wo)們(men)還(hai)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)一(yi)種(zhong)可(ke)消(xiao)減(jian)擴(kuo)散(san)層(ceng)厚(hou)度(du)的(de)工(gong)藝(yi)提(ti)高(gao)存(cun)儲(chu)器(qi)抵(di)禦(yu)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)的(de)能(neng)力(li)。該(gai)工(gong)藝(yi)可(ke)縮(suo)短(duan)帶(dai)電(dian)粒(li)子(zi)在(zai)存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)中(zhong)存(cun)在(zai)的(de)時(shi)間(jian)。三(san)阱(jing)架(jia)構(gou)也(ye)可(ke)用(yong)於(yu)將(jiang)電(dian)荷(he)驅(qu)離(li)有(you)源(yuan)區(qu)。該(gai)工(gong)藝(yi)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)與(yu)NMOS耗盡區相反的電場，迫使電荷進入襯底。它僅適用於NMOS區發生軟錯誤的情況。

係統層麵的消減技術

在係統層麵上，設計人員可以使用外部糾錯碼（ECC）邏(luo)輯(ji)消(xiao)減(jian)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)的(de)影(ying)響(xiang)。在(zai)該(gai)技(ji)術(shu)中(zhong)，用(yong)戶(hu)使(shi)用(yong)額(e)外(wai)的(de)帶(dai)奇(qi)偶(ou)校(xiao)驗(yan)位(wei)的(de)存(cun)儲(chu)芯(xin)片(pian)檢(jian)測(ce)和(he)糾(jiu)正(zheng)錯(cuo)誤(wu)。正(zheng)如(ru)人(ren)們(men)所(suo)料(liao)，係(xi)統(tong)層(ceng)麵(mian)的(de)消(xiao)減(jian)技(ji)術(shu)較(jiao)為(wei)昂(ang)貴(gui)，而(er)且(qie)增(zeng)加(jia)了(le)FPGA軟件的複雜性。

改變芯片設計和架構

這是抗擊軟錯誤的最佳方法。芯片設計人員可以通過將ECC算法植入到芯片中消減軟錯誤的影響。在寫操作時，ECC編碼器算法為存儲器中存儲的每一個可尋址的數據字寫入奇偶校驗位。在讀操作時，ECC檢測算法使用奇偶校驗位確定數據位是否已經改變。如果出現單位錯誤，ECC糾錯算法將確定相關位的位置，然後通過將該數據位翻轉至其互補值協助糾錯。

盡管如此
，ECC不(bu)能(neng)獨(du)立(li)應(ying)對(dui)多(duo)位(wei)翻(fan)轉(zhuan)錯(cuo)誤(wu)。因(yin)此(ci)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)位(wei)交(jiao)織(zhi)技(ji)術(shu)。該(gai)技(ji)術(shu)組(zu)織(zhi)位(wei)線(xian)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)將(jiang)物(wu)理(li)上(shang)相(xiang)鄰(lin)的(de)位(wei)映(ying)射(she)到(dao)不(bu)同(tong)的(de)字(zi)寄(ji)存(cun)器(qi)上(shang)。位(wei)交(jiao)織(zhi)距(ju)離(li)將(jiang)映(ying)射(she)到(dao)同(tong)一(yi)個(ge)字(zi)寄(ji)存(cun)器(qi)上(shang)的(de)兩(liang)個(ge)連(lian)續(xu)位(wei)分(fen)開(kai)。如(ru)果(guo)位(wei)交(jiao)織(zhi)距(ju)離(li)大(da)於(yu)一(yi)次(ci)多(duo)單(dan)元(yuan)撞(zhuang)擊(ji)的(de)擴(kuo)散(san)範(fan)圍(wei)，它(ta)將(jiang)在(zai)多(duo)個(ge)字(zi)中(zhong)導(dao)致(zhi)單(dan)位(wei)翻(fan)轉(zhuan)，而(er)不(bu)是(shi)在(zai)一(yi)個(ge)字(zi)中(zhong)導(dao)致(zhi)一(yi)次(ci)多(duo)位(wei)翻(fan)轉(zhuan)。

典型的位交織距離取決於具體工藝。中子測試和隨後的物理MPU分析用於確定每種工藝節點的安全交織距離。在一個位交織存儲器中
，單位錯誤糾正算法可用於檢測和糾正所有錯誤。ECC算suan法fa僅jin適shi用yong於yu受shou影ying響xiang數shu據ju字zi的de副fu本ben。存cun儲chu器qi中zhong的de數shu據ju仍reng然ran含han有you已yi翻fan轉zhuan的de位wei。如ru果guo存cun儲chu器qi中zhong的de這zhe個ge已yi翻fan轉zhuan的de位wei沒mei有you被bei糾jiu正zheng，同tong一yi個ge數shu據ju字zi中zhong的de另ling一yi次ci位wei翻fan轉zhuan就jiu可ke能neng導dao致zhi一yi次ci多duo位wei翻fan轉zhuan。因yin此ci，ECC邏luo輯ji必bi須xu指zhi示shi出chu單dan位wei翻fan轉zhuan的de發fa生sheng和he糾jiu錯cuo。然ran後hou
，係xi統tong可ke以yi使shi用yong該gai信xin息xi識shi別bie該gai事shi件jian，並bing回hui寫xie糾jiu正zheng後hou的de數shu據ju。這zhe種zhong技ji術shu被bei稱cheng為wei存cun儲chu器qi刷shua洗xi技ji術shu。

隨著半導體芯片變得越來越小，發生軟錯誤的風險也在不斷升高。存儲單元的Qcrit會(hui)隨(sui)著(zhe)其(qi)尺(chi)寸(cun)的(de)縮(suo)小(xiao)而(er)減(jian)少(shao)
，這(zhe)使(shi)得(de)其(qi)更(geng)易(yi)翻(fan)轉(zhuan)。因(yin)此(ci)
，很(hen)多(duo)專(zhuan)家(jia)預(yu)測(ce)
，軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)將(jiang)成(cheng)為(wei)這(zhe)種(zhong)趨(qu)勢(shi)的(de)製(zhi)約(yue)因(yin)素(su)
，而(er)且(qie)最(zui)終(zhong)將(jiang)達(da)到(dao)飽(bao)和(he)點(dian)，除(chu)非(fei)我(wo)們(men)開(kai)發(fa)出(chu)能(neng)夠(gou)克(ke)服(fu)軟(ruan)錯(cuo)誤(wu)的(de)新(xin)技(ji)術(shu)。此(ci)外(wai)，隨(sui)著(zhe)技(ji)術(shu)進(jin)入(ru)人(ren)類(lei)生(sheng)活(huo)的(de)更(geng)多(duo)領(ling)域(yu)
，人(ren)們(men)對(dui)於(yu)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)要(yao)求(qiu)隻(zhi)會(hui)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)。這(zhe)種(zhong)趨(qu)勢(shi)催(cui)生(sheng)了(le)對(dui)存(cun)儲(chu)器(qi)模(mo)塊(kuai)的(de)片(pian)上(shang)ECC的需求。所有存儲器廠商都已開始推出具備片上ECC功能的芯片，以滿足市場對高可靠性存儲器的需求。SRAM領域的全球領導者賽普拉斯公司擁有一個基於ECC的異步SRAM係列，該係列是當今市場上可靠性最高的異步SRAM。具備ECC功能的16Mbit異步SRAM已開始投產
，4Mbi版本也已開始提供樣品。

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