一种磁阻式随机存取存储器的总剂量效应评估方法及系统与流程

1.本发明涉及一种磁阻式随机存取存储器的总剂量效应评估方法及系统，属于器件辐射性能评估技术领域。


背景技术：

2.随着探月工程和深空探索的迅猛发展，航天电子系统需要在更短时间内收集海量信息、处理数据，才能减少失败的风险。而随着半导体工艺的进步，传统的存储器面临漏电增大、可靠性降低、易受空间辐射粒子的干扰等问题，无法满足应用需求。因此，需要提供一种高性能、高可靠性的智能存储解决方案。磁阻式随机存取存储器相比于传统随机存取存储器，具有读写速度快、静态功耗低、存储密度高、使用寿命长等优势，非常适合作为一种可行的技术方案，可应用于航天和国防信息领域的电子系统，用作机器学习和传感器数据的载体等。
3.由于信息被存储在磁性隧道结(mtj)的磁化状态而非电荷中，磁阻式随机存取存储器具有天然抗辐射力，和cmos工艺兼容的特性使其制造成本相对低廉。国外已经开展了部分磁阻式随机存取存储器产品的辐射效应研究并已有抗辐射加固的产品应用于航天和军工领域。国内对磁阻式随机存取存储器的研究尚停留在基础研究阶段，多数研究基于原理模型的研究和存储单元翻转机制研究等阶段，对磁阻式随机存取存储器产品辐照效应研究起步较晚。目前，从国内调研的辐射试验数据分析来看，目前辐射效应研究通常针对宏观磁性和电学参数测试分析，对辐照试验现象的解释仍处于定性阶段，对磁阻式随机存取存储器抗辐射能力的试验研究不够全面且评估方法尚无统一标准。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种磁阻式随机存取存储器的总剂量效应评估方法及系统，本发明测试模式包括静态测试、动态读测试、动态写测试和不加电对比测试；通过分析不同测试模式下磁阻式随机存取存储器的总剂量辐射特性，根据总剂量辐射特性能够有效评估总剂量效应。本发明评估方法对掌握磁阻式随机存取存储器总剂量辐射效应致错机理有重要意义，为磁阻式随机存取存储器总剂量辐射效应评估方案的制定提供重要支撑。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种磁阻式随机存取存储器的总剂量效应评估方法，包括：
7.在四种测试模式下，分别获取存储器的总剂量辐射特性：
8.静态测试模式：对存储器的全部地址写入测试向量后，对加电状态的存储器进行辐照，监测辐照过程中存储器的数据状态和漏电流，监测数据状态的具体操作为，每辐照10krad(si)停源，对存储器进行功能测试监测存储器中数据状态，根据所述存储器的数据状态和漏电流得到静态测试模式下存储器的总剂量辐射特性；
9.动态读测试模式：对存储器的全部地址写入测试向量后，对加电状态的存储器进
行辐照，在辐照过程中使存储器的一半地址执行循环读出操作，另一半地址不执行循环读出操作，监测辐照过程中存储器的数据状态和漏电流；监测数据状态的具体操作为，每辐照10krad(si)停源，对存储器进行功能测试监测存储器中执行循环读出操作的一半地址中数据状态与不执行循环读出操作的一半地址中数据状态的变化，根据所述存储器的数据状态和漏电流得到动态读测试模式下存储器的总剂量辐射特性；动态读测试模式下存储器的总剂量辐射特性包括存储器中执行循环读出操作一半地址的总剂量辐射特性和存储器中不执行循环读出操作一半地址的总剂量辐射特性；
10.动态写测试模式：对存储器的全部地址写入测试向量后，对加电状态的存储器进行辐照，在辐照过程中使存储器的一半地址执行循环写入操作，另一半地址不执行循环写入操作；监测辐照过程中存储器的数据状态和漏电流；监测数据状态的具体操作为，每辐照10krad(si)停源，对存储器进行功能测试监测存储器中执行循环写入操作的一半地址中数据状态与不执行循环写入操作的一半地址中数据状态的变化，根据所述存储器的数据状态和漏电流得到动态写测试模式下存储器的总剂量辐射特性；动态写测试模式下存储器的总剂量辐射特性包括存储器中执行循环写入操作一半地址的总剂量辐射特性和存储器中不执行循环写入出操作一半地址的总剂量辐射特性；
11.对比测试模式：对存储器的全部地址写入测试向量后，对不加电状态的存储器进行辐照，监测辐照过程中存储器的数据状态和漏电流；监测数据状态的具体操作为，每辐照10krad(si)停源，对存储器进行功能测试监测存储器中全部地址的数据状态，根据所述存储器的数据状态和漏电流得到对比测试模式下存储器的总剂量辐射特性；
12.根据四种测试模式下存储器的总剂量辐射特性评估存储器的总剂量效应。
13.进一步的，每种测试模式下，对存储器的全部地址写入的测试向量分别为：00测试向量、ff测试向量和斜三角测试向量。
14.进一步的，根据所述存储器的数据状态和漏电流得到某一测试模式下存储器的总剂量辐射特性的方法为：根据该测试模式下监测到的存储器的数据状态记录存储器的数据位错误及数据位错误出现时的辐照总剂量值，并记录漏电流发生时的辐照总剂量值，根据存储器的数据位错误、数据位错误出现时的辐照总剂量值以及漏电流发生时的辐照总剂量值得到该测试模式下存储器的总剂量辐射特性；
15.存储器的数据位错误包括数据位错误类型，位错误规律和出错概率；
16.所述数据位错误类型包括单位错，双位错或多位错；
17.所述位错误规律包括连续地址错误或随机地址错误。
18.进一步的，每种测试模式下：
19.对存储器的全部地址写入的测试向量为00测试向量时，存储器的全部地址写入00，数据位错误指地址中的数据出现0
→
1；
20.对存储器的全部地址写入的测试向量为ff测试向量时，存储器的全部地址写入ff，数据位错误指地址中的数据出现1
→
0；
21.对存储器的全部地址写入的测试向量为斜三角测试向量时，存储器的全部地址写入与各地址相同的数据，数据位错误指地址中出现随机错误数据。
22.进一步的，在每种测试模式下进行测试的存储器数量为奇数。
23.进一步的，静态测试模式中，存储器所有的输入管脚通过电阻连接到电源上，存储
器所有的输出管脚浮空；
24.对比测试模式中，存储器所有的输入管脚和所有的输出管脚短接。
25.进一步的，还包括在四种测试模式下，当出现数据位错误时，对存储器进行初始化配置，并记录初始化配置是否成功的情况，根据初始化配置是否成功的情况得到相应测试模式下的总剂量辐射特性。
26.进一步的，根据四种测试模式下存储器的总剂量辐射特性评估存储器的总剂量效应的方法包括：
27.根据四种测试模式下存储器的总剂量辐射特性确定用于存储器的总剂量效应评估的最劣测试模式；
28.根据四种测试模式下存储器的数据位错误类型，位错误规律和出错概率确定存储器的总剂量效应的辐射致错机理；
29.根据动态写测试模式下存储器中执行循环写入操作一半地址的总剂量辐射特性和存储器中不执行循环写入出操作一半地址的总剂量辐射特性的对比结果评估循环写入操作对存储器辐射特性的影响；
30.根据动态读测试模式下存储器中执行循环读出操作一半地址的总剂量辐射特性和存储器中不执行循环读出操作一半地址的总剂量辐射特性的对比结果评估循环读出操作对存储器辐射特性的影响。
31.进一步的，四种测试模式中，辐照总剂量逐渐增大；
32.四种测试模式中，按照预设周期监测辐照过程中存储器的数据状态，具体方法为，辐照总剂量每增加10krad(si)，停止辐照，实时回读存储器数据并与写入的测试向量数据进行对比，统计数据位错误情况。
33.一种磁阻式随机存取存储器的总剂量效应评估系统，用于实现上述总剂量效应评估方法，包括程控电源、试验区、控制区和上位机控制中心；
34.试验区，包括存储器和供电通道；
35.程控电源，用于利用所述供电通道为存储器供电，并实时采集存储器中的漏电流数据，将所述漏电流数据上传给上位机控制中心；
36.控制区，包括主控fpga，主控fpga用于监测辐照过程中存储器的数据状态，将所述数据状态上传给上位机控制中心；
37.上位机控制中心，用于控制程控电源；用于接收由程控电源传来的漏电流数据和由控制区传来的数据状态，根据所述漏电流数据记录漏电流发生时的辐照总剂量值，根据所述数据状态记录存储器的数据位错误及数据位错误出现时的辐照总剂量值，根据存储器的数据位错误、数据位错误出现时的辐照总剂量值以及漏电流发生时的辐照总剂量值得到该测试模式下存储器的总剂量辐射特性。
38.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
39.(1)本发明创新性的提供了新型磁阻式随机存取存储器的总剂量效应评估方法，通过分别获取磁阻式随机存取存储器在不同测试模式下的总剂量辐射特性，全面、有效的实现了对总剂量效应的评估，解决了新型磁阻式随机存取存储器总剂量效应致错机理不明确，辐射效应评估不全面的问题；
40.(2)本发明综合考虑了测试向量与总剂量辐射特性的对应关系，设计了各测试模
式中的测试向量，能够进一步提高总剂量效应的评估的准确性和全面性；
41.(3)本发明在动态读和动态写测试模式中，设计了对比测试，能够有效区分动态读和动态写对存储器性能的影响；
42.(4)本发明通过分析不同测试模式下的总剂量辐射特性，能够得到磁阻式随机存取存储器的总剂量效应最劣测试模式，为磁阻式随机存取存储器的总剂量效应全面有效评估奠定基础。
附图说明
43.图1为本发明一种优选的实施方式中磁阻式随机存取存储器的总剂量效应测试系统图；
44.图2为本发明一种优选的实施方式中磁阻式随机存取存储器总剂量效应评估方法流程图。
具体实施方式
45.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
46.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
47.为给我国航天和国防信息系统提供抗辐射、高可靠的存储器解决方案，需要对磁阻式随机存取存储器抗空间辐射性能准确评估展开深入研究。基于此，本发明提供了一种新型磁阻式随机存取存储器总剂量效应全面评估的测试方法，给出了不同测试模式的具体方案和测试流程，通过分析不同测试向量、不同测试模式下磁阻式随机存取存储器的总剂量辐射特性，获得磁阻式随机存取存储器总剂量效应致错机理和最劣偏置模式，为磁阻式随机存取存储器的总剂量效应全面有效评估奠定基础。本发明具有总剂量辐射性能评估全面的特征，对新型磁阻式随机存取存储器的总剂量效应研究提供重要参考。
48.在一种优选的实施方式中，本发明一种磁阻式随机存取存储器的总剂量效应评估方法，包括：
49.(1)四种不同的测试模式为：静态测试模式、动态读测试模式、动态写测试模式和对比测试模式；
50.在每种测试模式中分别将00、ff、斜三角作为测试向量；本发明选择上述三种测试向量的原因是，不同写入测试向量下，存储器表现出的总剂量辐射敏感性不同，根据传统存储器大量实验数据统计规律，本发明将具有代表性的00、ff、斜三角作为测试向量可以全面、准确的反应存储器的总剂量辐射特性。
51.(2)对存储器在同一测试模式，执行不同测试向量的初始化配置，进行总剂量辐照试验，监测存储器的数据状态(即数据位错误，具体包括数据位错误类型，位错误规律和出错概率等)和漏电流大小；具体的说，在某一测试模式下，对存储器的全部地址写入某一种测试向量，监测辐照过程中存储器的数据位错误和漏电流，然后在该测试模式下对存储器的全部地址写入另一种测试向量，监测辐照过程中存储器的数据位错误和漏电流，直至该
测试模式下三种测试向量全部测试完毕；
52.(3)切换下一测试模式，在不同测试向量下执行初始化配置，进行总剂量辐照试验，监测存储器的数据状态和漏电流大小；循环执行步骤(3)直至四种测试模式全部完成；
53.(4)分析不同测试模式、不同测试向量下磁阻式随机存取存储器数据位错误类型、位错误规律和出错概率，分析磁阻式随机存取存储器的总剂量效应辐射致错机理；
54.对磁阻式随机存取存储器在不同测试模式、不同测试向量下表现出来的总剂量敏感性进行排序，获得最劣测试模式，为总剂量效应试验评估方法的制定提供参考。
55.步骤(1)设计四种测试模式的主要目的是为了获得四种测试模式下存储器的总剂量辐射特性，进而确定磁阻式随机存取存储器的最劣测试模式：
56.静态测试：静态测试时存储器所有的输入管脚通过一个电阻连接到电源上，所有输出管脚浮空。辐照前对存储器全部地址写入00或ff或斜三角数据，辐照试验过程中，不对存储器进行任何操作，因磁阻式随机存取存储器具有掉电不丢失数据的特点，辐照试验过程中每隔10krad(si)停止辐照对存储器数据进行回读，监测存储器的数据状态和漏电流变化情况，根据数据状态即可统计出现的数据位错误，以及出现数据位错误时的总剂量值。当出现数据位错误，对存储器进行初始化配置，观察是否能配置成功，记录现象。
57.动态读测试：辐照前对存储器全部地址空间写入00或ff或斜三角数据，为了研究读出操作对存储器辐射性能的影响，辐照过程中对存储器的一半地址空间进行循环读出操作，另一半不执行读出操作。因磁阻式随机存取存储器具有掉电不丢失数据的特点，辐照试验过程中每隔10krad(si)停止辐照对存储器数据进行回读，监测存储器全部地址的数据状态和漏电流变化，对存储器循环读出地址和不执行循环读出操作的地址出现的数据位错误、出现数据位错误时的总剂量值和漏电流变化进行对比，获得循环读出操作对存储器性能的影响大小，当出现数据位错误，对存储器进行初始化配置，观察是否能配置成功，记录现象。
58.动态写测试：辐照前对存储器全部地址空间写入00/ff/斜三角数据，为了研究写操作对存储器辐射性能的影响，辐照过程中对存储器的一半地址空间进行循环写入操作，另一半不执行循环写入操作。因磁阻式随机存取存储器具有掉电不丢失数据的特点，故每隔10krad(si)停止辐照对存储器数据进行回读，监测存储器全部地址的数据状态和漏电流变化，对存储器循环写入地址和不执行循环写入操作的地址出现的数据位错误、出现数据位错误时的总剂量值和漏电流变化进行对比，得到循环写入操作对存储器性能的影响大小。当出现数据位错误，对存储器进行初始化配置，观察是否能配置成功，记录现象。
59.前三种测试中存储器均为加电状态。
60.对比测试：辐照前对存储器全部地址空间写入00或ff或斜三角数据，将所有的存储器管脚短接在一起，辐照试验过程中，不加电辐照，不执行任何操作，每隔10krad(si)停止辐照对存储器数据进行回读，监测存储器全部地址的数据状态和漏电流变化。当出现数据位错误，对存储器进行初始化配置，观察是否能配置成功，记录现象。此种测试模式可以获得磁性隧道结(mtj)存储单元的抗总剂量辐射能力。
61.磁阻式随机存取存储器的存储机制与传统存储器的存储机制不同，磁阻式随机存取存储器存储在mtj的磁化状态而非电荷中。不同测试向量对存储器辐射性能的影响不明确，故本发明在每种测试模式中分别将00、ff、斜三角作为测试向量，以研究磁存储新型存
储机制下0-》1或1-》0的难易程度，具体为：
62.00测试向量：存储器地址写入00，研究出现0-》1数据位错误的概率、数据位错误类型、位错误规律及漏电流变化情况；
63.ff测试向量：存储器地址写入ff，研究出现1-》0数据位错误的概率、数据位错误类型、位错误规律及漏电流变化情况；
64.斜三角测试向量：存储器写入数据与地址相同，研究出现随机数据位错误的概率、数据位错误类型、位错误规律及漏电流变化情况；
65.每种测试模式下，存储器数量选择奇数只，在有充足试验样品情况下，存储器样品数不少于5只；如存储器样品数量有限，则根据实际情况决定。
66.上述步骤(2)的具体方法为，在辐照前，对磁阻式随机存取存储器进行初始化配置操作；在辐照过程中实时监测磁阻式随机存取存储器数据状态，即根据预设的采样周期实时回读磁阻式随机存取存储器数据，与写入数据进行对比，统计磁阻式随机存取存储器的数据位错误情况，将这些错误数据通过通信接口回传给上位机并记录此时的总剂量值。同时监测存储器漏电流变化情况，记录存储器漏电流发生变化时的总剂量值。
67.步骤(4)中分析磁阻式随机存取存储器的总剂量效应辐射致错机理的具体方法为，分析磁阻式随机存取存储器在不同测试向量、不同测试模式下的数据位错误类型(单位错、双位错或多位错)、位错误规律(如连续地址错误、随机地址错误等)和出错概率等，掌握磁阻式随机存取存储器的总剂量效应辐射致错机理。
68.如图1所示，本发明还提供一种磁阻式随机存取存储器的总剂量效应评估系统，包括：
69.程控电源、磁阻式随机存取存储器测试板、fpga测试板和上位机控制中心；
70.程控电源，用于为磁阻式随机存取存储器供电，并实时采集磁阻式随机存取存储器中的漏电流数据，通过网口将漏电流数据上传给上位机控制中心；
71.磁阻式随机存取存储器测试板(试验区)，包括待测磁阻式随机存取存储器和供电通道；磁阻式随机存取存储器由mtj存储阵列、写入驱动电路、行译码器、列译码器、逻辑控制电路、灵敏放大器等组成；程控电源通过供电通道为磁阻式随机存取存储器供电；
72.fpga测试板(控制区)，包括主控fpga，码流存储区，prom，电源接口和通信模块；通信模块用于实现上位机控制中心和控制区之间的通信；主控fpga负责将试验配置码流下载到待测磁阻式随机存取存储器中，对磁阻式随机存取存储器进行配置，fpga负责回读存储器中的数据并与原始值进行对比，再将错误数上传至现上位机控制中心。
73.上位机控制中心模块，由上位机实现总体控制，具有码流配置、回读、电源控制、电流监测等功能。
74.实施例1：
75.如图2，(1)在四种测试模式下，分别获取存储器的总剂量辐射特性：
76.对磁阻式随机存取存储器进行静态测试tm1(test mode 1)，获取存储器在静态测试下，测试向量分别为00、ff、斜三角测试向量时的总剂量辐射特性r
s1
、r
s2
、r
s3
。
77.对磁阻式随机存取存储器进行动态读测试tm2(test mode 2)，获取存储器在动态读测试下，测试向量分别为00、ff、斜三角测试向量时的总剂量辐射特性r
i1
+r
rd1
、r
i2
+r
rd2
、r
i3
+r
rd3
。其中，r
rd1
为00测试向量时，执行循环读出操作的一半地址获得的总剂量辐射特性，rrd2
为ff测试向量时，执行循环读出操作的一半地址获得的总剂量辐射特性，r
rd3
为斜三角测试向量时，执行循环读出操作的一半地址获得的总剂量辐射特性。r
i1
为00测试向量时，不执行任何操作的一半地址获得的总剂量辐射特性，r
i2
为ff测试向量时，不执行任何操作的一半地址获得的总剂量辐射特性，r
i3
为斜三角测试向量时，不执行任何操作的一半地址获得的总剂量辐射特性。
78.对磁阻式随机存取存储器进行动态写测试tm3(test mode 3)，获取存储器在动态写测试下，测试向量分别为00、ff、斜三角测试向量时的总剂量辐射特性r
j1
+r
wd1
、r
j2
+r
wd2
、r
j3
+r
wd3
。其中，r
j1
、r
j2
、r
j3
分别为00、ff、斜三角测试向量时，不执行任何操作的一半地址获得的总剂量辐射特性，其值大小与tm2中r
i1
、r
i2
、r
i3
一致。r
wd1
为00测试向量时，执行循环写入操作的一半地址获得的总剂量辐射特性，r
wd2
为ff测试向量时，执行循环写入操作的一半地址获得的总剂量辐射特性，r
wd3
为斜三角测试向量时，执行循环写入操作的一半地址获得的总剂量辐射特性。获得的r
i1
、r
i2
、r
i3
(r
j1
、r
j2
、r
j3
)可与获得的r
rd1
、r
rd2
、r
rd3
以及r
wd1
、r
wd2
、r
wd3
形成对比分析，例如如果r
rd1
》r
wd1
》r
i1
说明循环读操作、循环写操作、不执行操作对存储器性能的影响依次增大。
79.对磁阻式随机存取存储器进行不加电对比测试tm4(test mode 4)，获取存储器对比测试下，测试向量分别为00、ff、斜三角测试向量时的总剂量辐射特性r
mtj1
、r
mtj2
、r
mtj3
。
80.对比分析tm1、tm2、tm3和tm4下辐射试验数据，得出磁阻式随机存取存储器总剂量效应辐射特性排序表，获取四种测试模式中的最劣测试模式，为新型磁阻式随机存取存储器的总剂量试验方案制定提供指导。分析不同测试模式下磁阻式随机存取存储器出现的数据位错误类型和错误规律等，掌握磁阻式随机存取存储器的辐射效应致错机理，为磁阻式随机存取存储器的总剂量效应评估方案的制定提供参考依据。
81.如图1所示为本发明总剂量效应测试系统，本发明测试系统放置于
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co源室内，上位机控制中心控制程控电源为存储器及控制区供电，程控电源监控电流，电流采集结果自动保存在上位机控制中心中，上位机控制中心通过通信模块实现与控制区通信，主控fpga负责将试验配置码流下载到待测磁阻式随机存取存储器中，待测磁阻式随机存取存储器运行典型读、写等测试程序，程序运算结果通过串口发回上位机控制中心。
82.综上所述，本发明对磁阻式随机存取存储器执行不同的测试模式，分别获取静态模式、动态读模式、动态写模式、对比模式下的总剂量辐射特性。静态模式获取磁阻式随机存取存储器的静态总剂量辐射特性；动态读模式获取循环读操作和不执行操作情况下的总剂量辐射特性，分析读操作对存储器辐射特性的影响；动态写模式获取循环写操作和不执行操作情况下的总剂量辐射特性，分析写操作对存储器辐射性能的影响；不加电模式获取排除外围电路影响的mtj存储阵列的总剂量辐射特性。
83.本实施例针对磁阻式随机存取存储器进行了不同测试向量、不同测试模式下的总剂量效应研究，分别制定了静态、动态读、动态写、不加电对比模式下的测试方案，获取磁阻式随机存取存储器的总剂量辐射特性，对磁阻式随机存取存储器的辐射效应致错机理和总剂量辐射效应全面评估提供重要支撑。本发明测试系统集成度较高，通过一键式操作即可完成总剂量效应测试的相关工作，本试验系统不仅可以灵活的启动、暂停、终止试验，还可以显示电流状态、回读错误数，并且能够保存数据、自动生成试验记录文件。该测试系统较之前的测试系统节省了试验时间，更加智能和完善，且避免了失误操作带来的损失。
84.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
85.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。