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(스크랩)”그냥 넘기던 반도체 ‘소프트 오류’, 車 반도체에선 그냥 넘길 수 없어” : 네이버 블로그


supplier입장에서는 저런 기준이 통과된 반도체를 사면 되는 거 아닌가 싶기도 한데, 우주방사선까지 고려하는게 ISO26262 2nd edition에 들어가는건가? 아직 2nd edition을 본 것은 아니라서..

참고: 대기 방사능의 SINGLE EVENT EFFECT를 조정하기 위한 시스템 설계 최적화

 

https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=semi_blog&logNo=221167508388&navType=by&proxyReferer=http%3A%2F%2Fm.blog.naver.com%2FFeedList.nhn%3Fpage%3D1

 

소프트 오류(Soft Error)는 반도체 내부에서 발생하는 일시적인 오류를 말한다. 물리적인 오류가 아니기 때문에 기기를 재가동하면 사라진다.

반도체 집적화가 심해지며 반도체 내 소프트 오류는 점차 증가하는 추세다. 인텔 통계에 따르면 반도체 공정이 미세해질수록 제품 고장 횟수가 증가했다. 고장의 70%는 소프트 오류로 압도적인 비중을 차지한다.

소프트 오류의 원인은 중성자 입자에 의해 발생하는 단일사건(Singel Event Upset, ECU)이다. ECU가 발생하는 이유는 크게 두 가지다.
첫째는 내부 불안정한 소재의 붕괴다. 내부 소재 중 미량 존재하는 불순 소재 가운데 방사성 원소가 섞이는 경우가 있다. 방사성 원소는 그 자체가 불안정해 중성자2⋅양성자2개로 구성된 ‘알파 파티클(Alpha Paricle)’이 떨어져나간다. 이 알파 파티클이 ECU를 발생시키는 원인 중 하나다.
알파 파티클은 납에서 많이 발생한다. 정제되지 않은 납은 내부에 미량의 우라늄⋅토륨이 포함된다. 이 두 물질은 모두 방사성 원소다.
두번째는 우주에서 날아온 중성자다. 소프트오류 원인 중 가장 많은 비중을 차지한다. 붕괴된 별의 입자 또는 태양풍으로 인한 태양 방사능 입자가 지상까지 떨어져 전자기기에 영향을 미친다. 이런 입자들은 지구 자기장에서 어느 정도 걸러지고 대기 중에서 소멸된다.
이 가운데 에너지가 큰 입자들은 지상까지 내려와 ECU를 발생시킨다. 대기 중에 소멸된다는 특징 때문에 알파 파티클과 달리 고도에 따른 영향을 받는다. 여객기가 운항하는 높이인 해발 15~20km는 지상보다 300배 많은 입자가 존재한다.

항공 우주 분야를 제외한 분야는 아직 소프트 오류에 대한 관심을 크게 두지 않고 있다. 단순히 기기를 재가동하면 되는데다 안전과 직결되는 일이 많지 않기 때문이다.

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대기 방사능의 Single event effect를 조정하기 위한 시스템 설계 최적화


SEE(Single Event Effect)에 대비한 시스템 설계 및 소프트웨어 구현 방법에 대한 글이다.

SEE란?

표준(IEC 62396-3)에서는 single particle(cosmic rays, solar energetic particles, energetic neutrons and protons)의 영향에 대한 component의 반응이라고 정의되어 있다.

대기중의 방사성 에너지가 digital device에 주입되면, digital device는 energy에 반응하여 여러가지 fault들을 가질 수 있게 된다.

시스템 safety관점에서는 fault는 두 가지로 분류할 수 있다.

  • hard – 영향을 받은 LRU(item 혹은 하나의 sub-system정도)의 영구적인 failure가 되도록 하는 fault
  • soft – 시스템의 기능이나 redundancy의 손실 없이 복구될 수도 있는 fault

Reliability는 hard fault failure rate의 합으로 결정되며, Availability는 hard fault와 soft fault의 합으로 결정된다.

외부 방사능에 의해 component의 영향 – hard error, soft error, firm error, latch-up, burnout, upset, functional interrupt

 

hard fault는 방사능에 의해 component가 실제적인 손상이 발생하여 fault가 영구화된 상황을 의미하고, soft fault는 방사능에 의해 일시적으로 발생할 수 있는 fault이며, 이 soft fault가 digital hardware(counter, register, memory 등)의 issue가 된다.

설계상에서 방사능의 영향을 감소(Mitigation)시키는 방법

가장 좋은 것은 방사능에 대한 시험을 통과한 chip을 사면 된다. 젤 비싼 chip으로. 그 부분이 현실적으로 적용하기 곤란한 상황이라면(또한 고객이 굳이 요구하지 않는다면..) 다른 방법을 생각해 볼 수 있다.

시스템을 개발할 때, 3가지 수준에서 SEE를 고려할 수 있다.

  • 시스템 아키텍처 단계(system level)
  • 시스템 아키텍처 내의 개별 전자 장치의 고려 단계(item or sub-system level)
  • 전자 장치의 컴포넌트의 고려 단계(component level)

 

mitigation 방법 요약

hard fault soft fault
system architecture redundancy redundancy, monitoring
electronic equipment redundancy 별도로 표시함.
electronic component/device 우주방사능 시험에 통과된 소자 error detection, correction 기능이 있는 소자
redundant computing element

 

soft fault의 electronic equipment의 mitigation 방법

equipment level에서 손상된 데이터 혹은 에러를 탐지하면 시스템 요구사항에 따라 여러가지 복구 방법이 있을 수 있음. 에러 탐지시 관련 데이터는 다음과 같이 처리될 수 있다.

  1. faulty로 표시한다.
  2. 그 데이터는 선택적으로 무시한다.
  3. 손상되지 않은 redundant module로 switching을 한다.
  4. 데이터는 삭제하고 좋은 data로부터 영향받은 프로세스를 재초기화한다.

(p.s) ISO 26262 표준 관점에서는 recovery에 대해 recommend를 하지 않은 것으로 봐서 자동차 분야에서는 이 정도까지 Tight하게 요구하지 않는건가? 라고 생각하기는 하지만, detection & correction은 해야 하고, 필요하다면 recovery를 해야 할 수도 있을 것이다.

 

SEE를 위한 소프트웨어 설계시 고려사항

  1. parity, CRC, hamming code, reed-solomon code, convolutional code
  2. watchdog timer, voting
  3. 보호되지 않은 캐시 메모리의 사용을 최소화
  4. 주기적으로 캐시를 flushing
  5. voting을 위해 중요 값을 triple version으로 저장
  6. 보호 매커니즘이 없는 RAM을 사용하지 않는다. (좋은 RAM을 고른다)
  7. stack과 heap사용을 최소화한다(동적으로 변경하는 메모리 공간은 소프트웨어에서 보호하기 어려움)
  8. stack, heap overrun 보호, language에 내장된 protection mechanism사용(ada에서의 variable range check)
  9. 민감도가 높은(criticality가 높은, 그러니까 문제되면 심각해질 수 있는) 변수의 사용의 최소화
  10. 주기적으로 중요 영역의 checksum의 수행
  11. 저장하기 전에 영구적으로 저장되는 공간의 checksum
  12. transient error를 극복하기 위해 계산을 반복수행
  13. 상수는 ROM영역에, 만약 RAM에 넣어야 한다면 주기적으로 ROM에서 복사하기
  14. critical decision/calculation에 사용되는 데이터에 대해서는 RAM 영역이 정확하다고 믿지 말자
  15. 매 frame마다 하드웨어 latch에 output discrete쓰기
  16. logic에서 counting을 할 때 ==를 쓰지 않고 >= 나 <=로 하기
    • 1부터 30까지 counting을 한다고 했을 때, 메모리 오류가 발생해서 30이라는 숫자에 exact matching되지 않을지도 모름. 그러면 무한 루프에 빠지게 됨
  17. 소프트웨어에 초기화되는 디바이스의 설정 상태를 지속적으로 점검
  18. input data를 filter
  19. BITE나 BIT가 failure를 탐지하면 failure를 confirm하기 위해 재 실행
  20. bi directional I/O를 사용할 때에는 configuration에 대한 re-assert
  21.  CPU의 설정을 위해 register를 사용할 때, re-assert
  22. 포인터는 range check