(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025147777
(43)【公開日】2025-10-07
(54)【発明の名称】測定装置、測定方法、及び、測定プログラム
(51)【国際特許分類】
G01R 31/26 20200101AFI20250930BHJP
G01R 31/30 20060101ALI20250930BHJP
G01R 31/27 20060101ALI20250930BHJP
【FI】
G01R31/26 H
G01R31/30
G01R31/27
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2024048188
(22)【出願日】2024-03-25
(71)【出願人】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】NTT株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504173471
【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100129230
【弁理士】
【氏名又は名称】工藤 理恵
(72)【発明者】
【氏名】木内 笠
(72)【発明者】
【氏名】岩下 秀徳
(72)【発明者】
【氏名】砂田 裕志
(72)【発明者】
【氏名】広島 芳春
(72)【発明者】
【氏名】加美山 隆
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 博隆
(72)【発明者】
【氏名】鬼柳 善明
(72)【発明者】
【氏名】古坂 道弘
(72)【発明者】
【氏名】瀬邊 智己
【テーマコード(参考)】
2G003
2G132
【Fターム(参考)】
2G003AA07
2G003AA08
2G003AH01
2G132AA08
2G132AB18
2G132AC09
(57)【要約】
【課題】宇宙陽子線環境におけるSERを低コストで算出可能な技術を提供する。
【解決手段】測定装置10は、陽子エネルギーに依存する陽子SEU(Single Event Upset)クロスセクションと中性子エネルギーに依存する中性子SEUクロスセクションとが互いに同値とみなせるエネルギー範囲において、陽子SEUクロスセクションを中性子SEUクロスセクションとみなして、半導体デバイスで発生する中性子線によるSER(Soft Error Rate)を陽子線によるSERに変換するための指標を算出する加速係数演算部104、を備える。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
陽子エネルギーに依存する陽子SEU(Single Event Upset)クロスセクションと中性子エネルギーに依存する中性子SEUクロスセクションとが互いに同値とみなせるエネルギー範囲において、陽子SEUクロスセクションを中性子SEUクロスセクションとみなして、半導体デバイスで発生する中性子線によるSER(Soft Error Rate)を陽子線によるSERに変換するための指標を算出する演算部、
を備える測定装置。
【請求項2】
前記演算部は、
前記中性子SEUクロスセクションに所定の中性子フラックスを掛けて0MeV~∞MeVのエネルギー範囲で積分した値を、前記中性子SEUクロスセクションに所定の陽子フラックスを掛けて20MeV~∞MeVのエネルギー範囲で積分した値で割ることにより、前記指標を算出する請求項1に記載の測定装置。
【請求項3】
測定装置で行う測定方法において、
陽子エネルギーに依存する陽子SEU(Single Event Upset)クロスセクションと中性子エネルギーに依存する中性子SEUクロスセクションとが互いに同値とみなせるエネルギー範囲において、陽子SEUクロスセクションを中性子SEUクロスセクションとみなして、半導体デバイスで発生する中性子線によるSER(Soft Error Rate)を陽子線によるSERに変換するための指標を算出する、
測定方法。
【請求項4】
請求項1又は2に記載の測定装置としてコンピュータを機能させる測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、測定装置、測定方法、及び、測定プログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
宇宙空間では、太陽や銀河から発生した宇宙放射線が飛び交っている。宇宙放射線の主成分は陽子であるため、宇宙空間で半導体デバイスを運用する場合には、宇宙陽子線の影響を把握する必要がある。
【0003】
半導体デバイスに対する宇宙陽子線の影響を地上で測定する方法として、陽子加速器を用いる方法がある。非特許文献1では、陽子加速器を用いて、陽子(Proton)が半導体デバイスにSEU(Single Event Upset)を発生させる陽子SEUクロスセクションσpを測定する。
【0004】
測定した陽子SEUクロスセクションσpに対して、陽子が当該半導体デバイスを単位時間・単位面積あたりに通過する陽子フラックスφpを掛け、0MeV~∞MeVのエネルギー範囲で積分することで、宇宙陽子線環境におけるSER(Soft Error Rate。単位時間あたりのSEU/ソフトエラー発生数)を求める。
【0005】
【0006】
σp(E)は、陽子エネルギーEに依存する陽子SEUクロスセクションである。φp(E)は、宇宙陽子線環境における陽子エネルギーEの陽子フラックス(=陽子束/陽子エネルギースペクトル=単位時間・単位面積あたりに入射する陽子数)である。
【0007】
SEUとは、単一の粒子(中性子、陽子、重粒子等)が半導体デバイスに入射し、核反応により生成された電荷によって、半導体デバイス内のデータが反転してしまう事象である。SEUは、ソフトエラーとも呼ばれる場合がある。
【0008】
SEUクロスセクションσとは、粒子がSEUを発生させる割合である。つまり、単位面積あたり1個の粒子が半導体デバイスを通過したときのソフトエラー発生率である。SEUクロスセクションσは、半導体デバイスにフルエンスΦ(単位面積あたりに通過する粒子数)の粒子を照射したときに発生したSEUの発生数をNとすると、式(2)で表される。
【0009】
【0010】
上記方法により、半導体デバイスの単体レベル(例えば、LSI単体)で宇宙陽子線の影響を評価できる。一方、複数の半導体デバイスが内蔵された電子システムのレベル(例えば、非特許文献2のFigure 6-2)で宇宙陽子線の影響を評価する場合には、電荷を持たない中性子(Neutron)を用いる方法がある。
【0011】
特許文献1では、陽子SEUクロスセクションσpと中性子SEUクロスセクションσnを測定し、それらの測定結果から、宇宙陽子線環境の加速係数FA(中性子線によるSERを陽子線によるSERに変換するための指標)を算出しておく。
【0012】
【0013】
σp(Ep)は、陽子エネルギーEpに依存する陽子SEUクロスセクションである。φp(Ep)は、陽子エネルギーEpの陽子フラックスである。σn(En)は、中性子エネルギーEnに依存する中性子SEUクロスセクションである。φn(En)は、中性子エネルギーEnの中性子フラックス(=中性子束/中性子エネルギースペクトル=単位時間・単位面積あたりに入射する中性子数)である。中性子SEUクロスセクションσnは、例えば、特許文献2の飛行時間法を用いて測定可能である。
【0014】
加速係数FAを算出後、加速器中性子源から測定対象の電子システムへ中性子を照射し、加速器中性子源で当該電子システムでの加速器中性子源によるSERを測定する。測定した加速器中性子源によるSERと事前に算出していた加速係数FAとを用いて、式(3)の「加速器中性子源によるSER/宇宙陽子線によるSER」の関係より、宇宙陽子線環境におけるSERを求める。
【0015】
中性子には電荷がないので、半導体デバイス以外の物質(例えば、通信機器の筐体)との反応が非常に少ない。それ故、電子システム内に多段に取り付けられた複数の半導体デバイスに対してほぼ垂直に中性子を照射しても、中性子の粒子数に影響がない。そのため、半導体デバイスへの宇宙陽子線の影響を電子システムのレベルで評価できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0016】
【特許文献1】特開2023-103746号公報
【特許文献2】PCT/JP2020/026274
【非特許文献】
【0017】
【非特許文献1】N. A. Dodds、外33名、“The Contribution of Low-Energy Protons to the Total On-Orbit SEU Rate”、IEEE Transactions on Nuclear Science、Vol.62、No.6、2015年12月、p.2440-p.2451
【非特許文献2】“SERIES K: PROTECTION AGAINST INTERFERENCE、Design methodologies for telecommunication systems applying soft error measures”、ITU-T、TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR OF ITU、K.131、2022年1月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0018】
しかしながら、特許文献1では、陽子照射実験と中性子照射実験との両方を行うため、コストが掛かる。
【0019】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、宇宙陽子線環境におけるSERを低コストで算出可能な技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0020】
本発明の一態様の測定装置は、陽子エネルギーに依存する陽子SEU(Single Event Upset)クロスセクションと中性子エネルギーに依存する中性子SEUクロスセクションとが互いに同値とみなせるエネルギー範囲において、陽子SEUクロスセクションを中性子SEUクロスセクションとみなして、半導体デバイスで発生する中性子線によるSER(Soft Error Rate)を陽子線によるSERに変換するための指標を算出する演算部、を備える。
【0021】
本発明の一態様の測定方法は、測定装置で行う測定方法において、陽子エネルギーに依存する陽子SEU(Single Event Upset)クロスセクションと中性子エネルギーに依存する中性子SEUクロスセクションとが互いに同値とみなせるエネルギー範囲において、陽子SEUクロスセクションを中性子SEUクロスセクションとみなして、半導体デバイスで発生する中性子線によるSER(Soft Error Rate)を陽子線によるSERに変換するための指標を算出する。
【0022】
本発明の一態様の測定プログラムは、上記測定装置としてコンピュータを機能させる。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、宇宙陽子線環境におけるSERを低コストで算出可能な技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【
図1】
図1は、測定システムの全体構成を示す図である。
【
図2A】
図2Aは、FPGA(28nm)で発生した中性子SEUクロスセクションと陽子SEUクロスセクションの測定結果を示す図である。
【
図2B】
図2Bは、FPGA(40nm)で発生した中性子SEUクロスセクションと陽子SEUクロスセクションの測定結果を示す図である。
【
図2C】
図2Cは、FPGA(55nm)で発生した中性子SEUクロスセクションと陽子SEUクロスセクションの測定結果を示す図である。
【
図3】
図3は、加速係数の算出フローを示す図である。
【
図4】
図4は、SERの算出フローを示す図である。
【
図5】
図5は、測定装置のハードウェア構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。
【0026】
[概要]
本開示は、陽子SEUクロスセクションと中性子SEUクロスセクションとが互いに同値とみなせるエネルギー範囲において、陽子SEUクロスセクションσpを中性子SEUクロスセクションσnとみなして、加速係数FAを算出する。
【0027】
中性子照射実験のみで加速係数を算出可能となるので、陽子照射実験が不要となり、電子システムレベルのソフトエラー試験を中性子照射実験のみで実施でき、宇宙陽子線環境におけるSERを低コストで算出できる。
【0028】
[測定システムの構成]
図1は、本実施形態に係る測定システムの全体構成を示す図である。
【0029】
測定システム1は、宇宙陽子線による半導体デバイスへの影響を地上で測定するシステムである。測定システム1は、測定装置10と、加速器中性子源20と、半導体デバイスが内蔵された電子システム30と、を備える。
【0030】
測定装置10は、入力部101と、ソフトエラー演算部102と、出力部103と、加速係数演算部104と、を備える。
【0031】
入力部101は、加速器中性子源20から、加速器中性子源20により電子システム30に対して中性子線を照射して測定された、中性子エネルギーEに依存する中性子SEUクロスセクションσn(E)を取得する機能を備える。
【0032】
入力部101は、加速器中性子源20から、加速器中性子源20により測定対象の電子システム30に対して中性子線を照射して測定された、加速器中性子源20によるSER(中性子線によるSER)を取得する機能を備える。
【0033】
ソフトエラー演算部102は、加速器中性子源20によるSERと事前に算出していた加速係数FAとを用いて、宇宙陽子線環境におけるSER(宇宙陽子線によるSER)を算出する機能を備える。
【0034】
出力部103は、宇宙陽子線環境におけるSERを出力する機能を備える。
【0035】
加速係数演算部(演算部)104は、陽子SEUクロスセクションσpと中性子SEUクロスセクションσnとが互いに同値とみなせるエネルギー範囲において、陽子SEUクロスセクションσpを中性子SEUクロスセクションσnとみなして、宇宙陽子線環境の加速係数FAを事前に算出する機能を備える。つまり、SEUクロスセクションについては、エネルギーEに依存する中性子SEUクロスセクションσn(E)のみを用いる。
【0036】
宇宙陽子線環境の加速係数FAとは、電子システム30内の半導体デバイスで発生する中性子線によるSERを宇宙陽子線によるSERに変換するための指標である。具体的には、宇宙陽子線環境に対して加速器中性子源20の加速器環境を何倍加速してソフトエラー発生率の試験ができるかを示す指標である。
【0037】
図2A~
図2Cは、0MeV~約800MeVのエネルギー範囲において、FPGA(Field Programmable Gate Array)で発生した中性子SEUクロスセクションσ
nと陽子SEUクロスセクションσ
pの測定結果を示す図である。
【0038】
同図より、陽子SEUクロスセクションσp(〇)は、20MeV以上のエネルギー範囲では、中性子SEUクロスセクションσn(-)と同値とみなすことができる。20MeV未満のエネルギー範囲では、陽子SEUクロスセクションσpは、急激に減少しており、0MeVとみなすことができる。
【0039】
そこで、本実施形態では、20MeV~∞MeVのエネルギー範囲において、陽子SEUクロスセクションσpを中性子SEUクロスセクションσnと同値とみなす。加速係数演算部104は、そのように式(3)を改良した式(4)を用いて、加速係数FAを算出する。
【0040】
【0041】
式(4)では、式(3)のσp(Ep)をσn(E)に変更し、分母の積分範囲を20MeV~∞MeVに変更している。σn(E)は、中性子エネルギーEに依存する中性子SEUクロスセクションである。
【0042】
φn,test(E)は、中性子照射試験環境における中性子エネルギーEの中性子フラックスである。φp,space(E)は、宇宙陽子線環境における陽子エネルギーEの陽子フラックスである。中性子フラックスと陽子フラックスは、検出器を用いた測定やシミュレーションにより事前に計算した値を用いる。
【0043】
式(4)より、照射実験としては、中性子SEUクロスセクションσnを測定するための加速器中性子源20を用いた中性子照射実験のみで足りる。中性子照射実験のみで加速係数FAを算出可能となるので、陽子照射実験が不要となる。
【0044】
[加速係数の算出方法]
図3は、加速係数の算出フローを示す図である。
【0045】
ステップS101;
加速器中性子源20は、中性子線を電子システム30へ照射し、中性子SEUクロスセクションσn(E)を測定する。
【0046】
ステップS102;
測定装置10の加速係数演算部104は、測定された中性子SEUクロスセクションσn(E)を式(4)に代入し、測定された中性子SEUクロスセクションσn(E)に事前に計算した所定の中性子フラックスを掛けて0MeV~∞MeVのエネルギー範囲で積分した値を、測定された中性子SEUクロスセクションに事前に計算した所定の陽子フラックスを掛けて20MeV~∞MeVのエネルギー範囲で積分した値で割ることにより、加速係数FAを算出する。φn,test(E)とφp,space(E)は、事前に計算した値を用いる。
【0047】
[宇宙陽子線環境におけるSERの算出方法]
図4は、宇宙陽子線環境におけるSERの算出フローを示す図である。
【0048】
ステップS201;
加速器中性子源20は、中性子線を測定対象の電子システム30へ照射し、加速器中性子源20によるSERを測定する。
【0049】
ステップS202;
測定装置10のソフトエラー演算部102は、測定された加速器中性子源20によるSERと事前に算出していた加速係数FAとを用いて、宇宙陽子線環境におけるSERを算出する。つまり、加速係数FAを用いて、中性子線によるSERを宇宙陽子線によるSERに変換する。
【0050】
加速係数FAとは、前述の通り、宇宙陽子線環境に対して加速器中性子源20の加速器環境を何倍加速してソフトエラー発生率の試験ができるかを示す指標である。例えば、加速係数FAが1千万であり、加速器中性子源20によるSERが1時間に100回であった場合、式(4)の「FA=加速器中性子源によるSER/宇宙陽子線によるSER」の関係より、宇宙空間内の電子システム30では1千万時間(1時間×1千万)にソフトエラーが100回発生する計算結果となる。
【0051】
ステップS203;
測定装置10の出力部103は、宇宙陽子線環境におけるSERを測定結果レポートとして各種装置(例えば、モニタ装置、印刷装置、サーバ装置、クライアント装置)へ出力する。
【0052】
[効果]
本実施形態によれば、陽子SEUクロスセクションと中性子SEUクロスセクションとが互いに同値とみなせるエネルギー範囲において、陽子SEUクロスセクションを中性子SEUクロスセクションとみなして、宇宙陽子線環境の加速係数を事前に算出するので、陽子照射実験が不要となり、電子システムレベルのソフトエラー試験を中性子照射実験のみで実施でき、宇宙陽子線環境におけるSERを低コストで算出できる。
【0053】
[その他]
本発明は、上記実施形態に限定されない。本発明は、本発明の要旨の範囲内で数々の変形が可能である。本実施形態に係る測定装置10は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
【0054】
例えば、本実施形態に係る測定装置10は、
図5に示すように、CPU901と、メモリ902と、ストレージ903と、通信装置904と、入力装置905と、出力装置906と、を備えた汎用的なコンピュータシステムを用いて実現できる。メモリ902及びストレージ903は、記憶装置である。当該コンピュータシステムにおいて、CPU901がメモリ902上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、測定装置10の各機能が実現される。
【0055】
測定装置10は、1つのコンピュータで実装されてもよい。測定装置10は、複数のコンピュータで実装されてもよい。測定装置10は、コンピュータに実装される仮想マシンであってもよい。測定装置10用のプログラムは、HDD、SSD、USBメモリ、CD、DVD等のコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶できる。測定装置10用のプログラムは、通信ネットワークを介して配信することもできる。
【符号の説明】
【0056】
1…測定システム
10…測定装置
101…入力部
102…ソフトエラー演算部
103…出力部
104…加速係数演算部
20…加速器中性子源
30…電子システム
901…CPU
902…メモリ
903…ストレージ
904…通信装置
905…入力装置
906…出力装置