Single-event effects from space and atmospheric radiation in memory components

par Alexandre Louis Bosser

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et micro-électroniques

Sous la direction de Luigi Dilillo et de Ari Virtanen.

Soutenue le 20-12-2017

à Montpellier en cotutelle avec Jyväskylän yliopisto , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Laboratoire d'Informatique de Robotique et de Microélectronique de Montpellier / LIRMM (laboratoire) .

Le président du jury était Fernanda Lima Kastensmidt.

Le jury était composé de Luigi Dilillo, Ari Virtanen, Fernanda Lima Kastensmidt, Ronald D. Schrimpf, Simone Gerardin.

Les rapporteurs étaient Ronald D. Schrimpf, Simone Gerardin.

  • Titre traduit

    Effets singuliers des rayonnements cosmiques et atmosphériques sur les composants mémoires


  • Résumé

    Les composants mémoires sont omniprésents en électronique : ils sont utilisés pour stocker des données, et sont présents dans tous les champs d’application - industriel, automobile, aérospatial, grand public et télécommunications, entre autres. Les technologies mémoires ont connu une évolution constante depuis la création de la première mémoire vive statique (Static Random-Access Memory, SRAM) à la fin des années 60. Les besoins toujours plus importants en termes de performance, de capacité et d’économie d’énergie poussent à une miniaturisation constante de ces composants : les mémoires modernes contiennent des circuits dont certaines dimensions sont de l’ordre du nanomètre.L’un des inconvénients de cette miniaturisation fut un accroissement de la sensibilité de ces composants aux radiations. Depuis la détection des premiers effets singuliers (Single-Event Effects, SEE) dans un satellite à la fin des années 70, et la reproduction du phénomène en laboratoire, les fabricants de composants mémoires et les ingénieurs en électronique se sont intéressés au durcissement aux radiations. Au début, les besoins en stockage pour des applications civiles et militaires – comme le développement d’accélérateurs de particules, de réacteurs nucléaires et d’engins spatiaux – créa un marché pour les composants durcis aux radiations. Ce marché s’est considérablement réduit avec la fin de la Guerre Froide et la perte d’intérêt des gouvernements, et après quelques années, les ingénieurs durent se tourner vers des composants commerciaux (Commercial Off-The-Shelf Components, COTS).Les composants COTS n’étant pas conçus pour résister aux radiations, chaque composant doit être évalué avant d’être utilisé dans des systèmes dont la fiabilité est critique. Ce processus d’évaluation est appelé Radiation Hardness Assurance (RHA). Les tests aux radiations des composants commerciaux sont devenus une pratique standardisée (en particulier dans l’industrie aérospatiale). Ces composants sont irradiés à l’aide d’accélérateurs de particules et de sources radioactives, afin d’évaluer leur sensibilité, de prédire leur taux d’erreur dans un environnement radiatif donné, et ainsi de déterminer leur adéquation pour une mission donnée.Cette étude porte sur le test de composants mémoires aux effets singuliers. Les objectifs, difficultés et limitations des tests aux radiations sont présentés, et des méthodes d’analyse de données sont proposées ; l’identification et l’étude des modes de défaillance sont utilisées pour approfondir les connaissances sur les composants testés. Cette étude est basée sur de nombreuses campagnes de test aux radiations, étalées sur une période de quatre ans, pendant lesquelles des mémoires de différentes technologies – mémoires vives statique (SRAM), ferroélectrique (FRAM), magnétorésistive (MRAM) et mémoire flash – furent irradiées avec des faisceaux de muons, neutrons, protons et ions lourds. Les données générées ont également servi au développement d’un CubeSat développé conjointement par le LIRMM et le Centre Spatial Universitaire de Montpellier, MTCube, dont la mission est l’irradiation de ces mêmes composants en milieu spatial. Les concepts sous-jacents liés aux radiations, aux environnements radiatifs, à l’architecture des composants mémoires et aux tests aux radiations sont introduits dans les premiers chapitres, et les avancées scientifiques de cette étude sont présentées dans le dernier chapitre.


  • Résumé

    Electronic memories are ubiquitous components in electronic systems: they are used to store data, and can be found in all manner of industrial, automotive, aerospace, telecommunication and entertainment systems. Memory technology has seen a constant evolution since the first practical dynamic Random-Access Memories (dynamic RAMs) were created in the late 60's. The demand for ever-increasing performance and capacity and decrease in power consumption was met thanks to a steady miniaturization of the component features: modern memory devices include elements barely a few tens of atomic layers thick and a few hundred of atomic layers wide.The side effect of this constant device miniaturization was an increase in the sensitivity of devices to radiation. Since the first radiation-induced single-event effects (SEEs) were identified in satellites in the late 70’s and particle-induced memory upsets were replicated in laboratory tests, radiation hardness has been a concern for computer memory manufacturers and for systems designers as well. In the early days, the need for data storage in radiation-rich environments, e.g. nuclear facilities, particle accelerators and space, primarily for military use, created a market for radiation-hardened memory components, capable of withstanding the effects of radiation. This market dwindled with the end of the Cold War and the loss of government interest, and in a matter of years, the shortage of available radiation-hard components led system designers to turn to so-called Commercial Off-The-Shelf (COTS) components.Since COTS devices are not designed with radiation hardness in mind, each COTS component must be assessed before it can be included in a system where reliability is important – a process known as Radiation Hardness Assurance (RHA). This has led to the emergence of radiation testing as a standard practice in the industry (and in the space industry in particular). Irradiation tests with particle accelerators and radioactive sources are performed to estimate a component’s radiation-induced failure rate in a given radiation environment, and thus its suitability for a given mission.The present work focuses on SEE testing of memory components. It presents the requirements, difficulties and shortcomings of radiation testing, and proposes methods for radiation test data processing; the detection and study of failure modes is used to gain insight on the tested components. This study is based on data obtained over four years on several irradiation campaigns, where memory devices of different technologies (static RAMs, ferroelectric RAM, magnetoresistive RAM, and flash) were irradiated with proton, heavy-ion, neutron and muon beams. The yielded data also supported the development of MTCube, a CubeSat picosatellite developed jointly by the Centre Spatial Universitaire (CSU) and LIRMM in Montpellier, whose mission is to carry out in-flight testing on the same memory devices. The underlying concepts regarding radiation, radiation environments, radiation-matter interactions, memory component architecture and radiation testing will be introduced in the first chapters, while the academic advances which were made during this study are presented in the final chapter.


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