Безопасность информационных технологий

Введение

Радиационная стойкость (РС) электронных систем является одним из ключевых факторов, определяющих способность современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) функционировать в условиях воздействия специальных факторов (СФ). Ключевым элементом обеспечения РС РЭА является система оценки соответствия изделий ЭКБ требованиям стойкости к воздействию СФ.

Развитие научно-методических подходов к определению показателей РС изделий ЭКБ должно быть направлено на совершенствование и унификацию методов испытаний с целью повышения достоверности и информативности их результатов и оптимизации затрат на их проведение. Указанные цели, в общем случае, являются сложно совместимыми: повышение достоверности и информативности результатов труднореализуемо без увеличения количества информации, получаемой в ходе испытаний. В свою очередь, увеличение количества и качества (степени полноты) получаемой информации, особенно – для современных сложно-функциональных и высокопроизводительных изделий ЭКБ, естественным образом подразумевает увеличение сложности и трудоемкости, и в конечном итоге – стоимости работ. В результате принципиальное значение приобретает проблема определения рационального состава испытаний для наиболее радиационно-критичных классов ЭКБ.

Общий подход к рационализации состава испытаний изделий ЭКБ

Рационализация состава испытаний в рассматриваемом контексте подразумевает обоснованное сокращение объема ресурсоемких исследований (воздействий испытательных установок – ИУ) и количества изделий, необходимых для проведения испытаний, без снижения информативности и достоверности получаемых результатов. Соответственно, под рациональным составом далее понимается минимально необходимый и достаточный состав, последовательность и объем испытаний, обеспечивающие определение показателей стойкости изделий ЭКБ к воздействию СФ и оценку их соответствия предъявленным требованиям с заданной достоверностью при минимальных затратах на проведение работ.

Анализ испытаний изделий ЭКБ^{[1] [2]}, а также ряда нормативных документов^{[3] [4] [5]}, действовавших в период 1990–2020 гг. позволяет выделить основные подходы к оптимизации состава и порядка проведения испытаний:

• учет априорной информации о минимальных уровнях стойкости изделий данного класса/вида/типа;
• учет отсутствия проявления определенной группы эффектов в испытываемом изделии (например, отсутствие чувствительности к интенсивности воздействия ИИ по эффектам поглощенной дозы, быстрому отжигу структурных повреждений и т.д.);
• снижение трудоемкости испытаний за счет увеличения степени консервативности получаемых результатов (включая оценку соответствия требованиям) – в частности, посредством увеличения радиационной нагрузки либо сужения поля допуска на ПКГ;
• проведение оценки соответствия/определения уровня РС по отношению к нескольким видам воздействий на основании одного набора экспериментальных данных;
• последовательное проведение нескольких типов испытаний на одной выборке изделий;
• применение расчетно-аналитических методов для определения показателей стойкости к воздействию отдельных видов излучений СФ в дополнение к расчетно-экспериментальным методам;
• расчетное определение значений отдельных параметров по косвенным данным без проведения непосредственных измерений (например, расчет значений параметров-критериев годности (ПКГ) при одной температуре по экспериментальным данным, полученным при другой температуре, экстраполяция значений ПКГ в область уровней воздействия, недостижимых на доступных ИУ);
• минимизация количества учитываемых при испытаниях режимов и условий работы изделий – в частности, посредством выбора критичных режимов и условий работы, исключения малоинформативных режимов и условий;
• минимизация числа испытываемых образцов – в частности, посредством учёта информации о запасах и разбросах значений параметров-критериев РС.

Методологической основой системы НТД по определению показателей стойкости изделий ЭКБ и оценки их соответствия заданным требованиям является анализ основных радиационных эффектов, определяющих поведение и уровень стойкости изделий при воздействии ИИ – т.н. доминирующих радиационных эффектов^{[6] [7]}. На этом же принципе основывается подход к оптимизации состава испытаний, отраженный в НД и широко применявшийся на практике. В этой связи важную роль в рационализации системы испытаний играет анализ доминирующих радиационных эффектов в изделиях современной ЭКБ.

В действовавших ранее НД рациональный состав и порядок испытаний сводился к получению отдельных наборов данных по основным группам доминирующих эффектов (т.е., некоторой «первичной» информации) и последующему пересчету показателей стойкости к требуемым СФ. При этом сокращение объема испытаний достигалось, по сути, путем уменьшения числа «испытательных воздействий» за счёт отказа от учета специфики проявления ряда эффектов в некоторых классах изделий ЭКБ (быстрый отжиг структурных повреждений в биполярных приборах, особенности импульсного характера формирования поглощенной дозы в МОП приборах и оптических волокнах и т.д.).

Расширение номенклатуры, совершенствование технологий ЭКБ и развитие методов анализа радиационного поведения изделий при воздействии СФ требуют уточнения подходов к определению рационального состава испытаний. В частности, может потребоваться большая дифференциация рационального состава и последовательности испытаний по классам и даже видам изделий ввиду специфики проявления в них основных групп радиационных эффектов. Соответственно, возникает потребность в дифференциации методов испытаний изделий различных классов для учета специфики их радиационного поведения при воздействии СФ с сохранением потенциальной возможности сокращения трудоемкости испытаний. 

С учетом указанных обстоятельств возможность рационализации состава испытаний должна быть заложена в самой системе основных методов испытаний. Данная концепция может быть реализована в форме вариативности основных методов испытаний и установлении их иерархии по степени консервативности. При этом более консервативный метод, как правило, является менее ресурсоемким. Другими словами, для определения показателей стойкости и оценки их соответствия заданным требованиям для каждой группы доминирующих эффектов должен быть разработан ряд основных («базовых») методов, учитывающих специфику проявления радиационных эффектов в различных классах изделий ЭКБ и отличающихся консервативностью получаемого результата и трудоемкостью реализации. Таким образом реализуется указанный выше принцип снижения трудоемкости испытаний за счет увеличения степени консервативности получаемых результатов.

Концепция вариативности базовых методов оценки по каждой группе доминирующих эффектов в сочетании с другими указанными выше подходами позволит в каждом случае определять рациональный состав испытаний конкретного изделия с учетом возможностей доступных ИУ и специфики его радиационного поведения.

В соответствии с указанным подходом, определение рационального состава испытаний конкретного изделия может предусматривать:

1. Анализ возможности оценки соответствия требованиям по отдельным характеристикам СФ по данным о минимальных уровнях стойкости изделий данной группы. В этом случае испытания на стойкость к воздействию СФ с соответствующими характеристиками не проводятся.
2. Анализ возможности сокращения состава испытаний за счет отсутствия проявления в изделии групп доминирующих эффектов. При этом, для наиболее радиационно-чувствительных классов ЭКБ могут быть определены виды испытаний, являющиеся обязательными (например, учет влияния структурных повреждений для биполярных транзисторов).
3. Анализ возможности сокращения объема испытаний за счет отсутствия проявления в изделии отдельных эффектов (влияния интенсивности ИИ, «быстрого отжига» структурных повреждений). В этом случае должен выбираться базовый метод, предусматривающий упрощенный (без учета указанных эффектов) способ определения показателей стойкости. 
4. Выбор критичных электрических и температурных режимов по результатам предварительных исследований либо априорным данным.
5. Анализ возможности сокращения объема испытаний за счет применения базовых методов с большей степенью консервативности и распространения результатов на иные виды и характеристики воздействий СФ.
6. Наличие информации об уровнях РС и критичных электрических и температурных режимах подобных изделий или этих же изделий из другой партии. В этом случае можно ориентироваться на уже известные уровни РС, параметры-критерии и схемы включения при испытаниях.
7. Идентификацию кристаллов интегральных схем и полупроводниковых приборов для анализа возможности учёта ранее полученных результатов испытаний, а также с целью исключения из процедуры испытаний контрафактной продукции.

Дополнительным способом снижения стоимости испытаний при увеличении степени их информативности является применение «малых» высокопроизводительных испытательных установок (малогабаритных импульсных ускорителей электронов типа АРСА, источников лазерного излучения и т.д.) в дополнение к «большим» установкам (ЛИУ-10, УИН-10 и т.д.). Так, если ранее для испытаний выборки из 10 образцов микросхем средней степени интеграции и функциональной сложности достаточно было десятков импульсов испытательного воздействия, то при современных требованиях к достоверности и информативности результатов испытаний их количество возрастает на порядок и более. Ситуация осложняется необходимостью проведения дополнительных экспериментов на установках с различной длительностью импульсов (для корректного определения ряда показателей стойкости). В этой связи эффективным представляется совместное применение «малых» и «больших» ИУ, когда основной объем испытаний и исследований проводится на «малых» ИУ, а результаты испытаний на «больших» ИУ используются для калибровки.

Сокращение числа испытываемых образцов изделий

Обеспечение статистической значимости результатов радиационных испытаний в соответствии с методами математической статистики требует порядка 20 и более образцов испытуемых изделий, что неприемлемо в условиях экономики мелкосерийных производств (типичных для производства сложно-функциональных СБИС, относящихся зачастую к категории заказных и мелкосерийных).

В нормативных документах установлены типовые выборки для радиационных испытаний интегральных схем от 3 до 15 образцов («малые выборки») в зависимости от сложности и характера производства, что требует кардинальной коррекции методов испытаний и обработки их результатов. Поэтому число испытуемых СБИС более рационально определять на основе:

-     априорной информации о характере радиационного отклика, запасам и разбросам значений параметров-критериев РС (результаты технологического контроля, ранее проведенных испытаний, в т.ч. аналогов, обобщения опыта эксплуатации и испытаний изделий в составе РЭА);

-     проведения контрольных испытаний в более «жёстких» условиях:

-     при повышенных уровнях испытательных воздействий;

-     при зауженном поле допуска (при сравнительно более жёстких предельно-допустимых значениях параметров-критериев относительно технических заданий (ТЗ) и технических условий (ТУ));

-     в предельных режимах (при напряжении питания, обеспечивающем наименьшие показатели стойкости по отношению к рассматриваемой группе эффектов) и схемах включения (с максимальной нагрузкой или частотой);

-     в предельных внешних условиях (максимальная/минимальная температура);

-     после предварительной наработки на отказ (после ускоренных испытаний изделий на надежность или безотказность).

Особенно актуальна проблема сокращения числа требуемых образцов, режимов и условий работы для современных сложно-функциональных ПП приборов и ИС. В общем случае, критичные электрические и температурные режимы испытаний связаны с особенностями исполнения изделий, типом доминирующих эффектов, спецификой применяемых базовых методов испытаний и могут определяться по результатам дополнительных исследований. 

Рациональный состав и последовательность проведения испытаний на ограниченной выборке образцов определяется исходя из целей повышения информативности результатов за счет учета возможного аддитивного действия различных эффектов (например, поглощенной дозы и структурных повреждений в биполярных ИС), возможного взаимного влияния различных видов воздействий (например, эффектов поглощенной дозы и мощности дозы в КМОП ИС и т.д.) и сокращения необходимого количества образцов.

Развитие технологий гибридных схем, систем в корпусе, систем на кристалле и т.д. делает проблему определения рационального состава испытаний таких изделий исключительно актуальной. С другой стороны, в ряде случаев испытания таких изделий как целого оказываются невозможны из-за недостаточных пробегов ТЗЧ на имеющихся ускорителях.

Эффективным способом решения данной проблемы могло бы быть исследование показателей стойкости компонентов изделия по отдельности, однако в этом случае сложность заключается в корректном распространении результатов «поэлементного» анализа на изделие в целом. Данная проблема должна рассматриваться в контексте порядка применения расчетно-аналитических методов оценки соответствия изделий ЭКБ требованиям стойкости.

Заключение

Расширение номенклатуры, совершенствование технологий ЭКБ и развитие методов анализа радиационного поведения изделий при воздействии СФ требуют уточнения подходов к определению рационального состава испытаний. В частности, требуется большая дифференциация рационального состава и последовательности испытаний по классам и видам изделий ввиду специфики проявления в них основных групп радиационных эффектов. Соответственно, возникает потребность в дифференциации методов испытаний изделий различных классов для учета специфики их радиационного поведения при воздействии СФ с сохранением потенциальной возможности сокращения трудоемкости испытаний. Данная задача должна решаться не только на этапе планирования и анализа результатов испытаний конкретного изделия, но уже на этапе разработки методов испытаний, включаемых в НД.

Владимир А. Коротенко

Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом»,

Большая Ордынка, 24, Москва, 119017, Россия

e-mail: v.a.korotenko@gmail.com