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- ELETTRONICA OGGI 447 - LUGLIO/AGOSTO 2015
TECH INSIGHT
SOFT ERROR
oppure apparati di sicurezza
di fascia alta. Gli errori soft
possono provocare malfunzio-
namenti dei sistemi di control-
lo di un montacarichi, mentre
in un sistema di networking
possono avere gravi riper-
cussioni sul traffico. Sebbene
rari, tali eventi possono essere
causa di gravi problemi su va-
sta scala.
Errori “soft”: cosa sono?
Un “soft-error” è una va-
riazione di stato causata da
una particella energetica. A
differenza di ciò che si verifi-
ca per un errore hard (errore
permanente), il funzionamen-
to normale del dispositivo
influenzato dall’errore può
essere ripristinato con una
semplice operazione di reset/
rewrite (riscrittura). Gli errori
soft si possono verificare nei
circuiti analogici e digitali, in
linee di trasmissione e nei
dispositivi di memorizzazione
magnetici.
Quando una particella ad alta
energia interagisce con il sub-
strato semiconduttore, genera
molte coppie lacuna-elettrone.
Il campo elettrico risultante
nella regione di svuotamento
causa una deriva delle car-
iche, generando disturbi della
corrente. Se lo spostamento
delle cariche supera la carica
critica (la minima quantità di
carica necessaria per variare
lo stato del circuito) immaga-
zzinata nella cella di memoria,
il dato memorizzato potrebbe
commutare, provocando un
errore alla lettura successiva.
Gli errori soft si manifestano
sotto forma di SBU (Single-
Bit Upset) o MBU (Multi-Bit
Upset), in funzione dell’ener-
gia della particella responsa-
bile dell’evento. Un SBU com-
porta la commutazione errata
di un solo bit prodotto dall’ur-
to di una particella energeti-
ca mentre un MBU si verifica
quando una particella ad alta
energia provoca cambiamenti
di più bit in una parola con-
temporaneamente.
Il termine Soft Error Rate (SER)
determina la probabilità che
si verifichi un guasto in un
dispositivo provocato da par-
ticelle energetiche. Poiché gli
errori soft sono di natura ran-
domica, il verificarsi di errori
soft non definisce l’affidabilità,
ma piuttosto il tasso di guasto
della memoria.
Errori soft: le cause
Le particelle alfa sono emesse
da nuclei di sostanze radioat-
tive in seguito a un processo
denominato decadimento alfa.
Le particelle alfa sono caratte-
rizzate da un’energia cinetica
di alcuni MeV e sono la causa
diretta degli errori soft che si
verificano nelle memorie a se-
miconduttore. Esse sono car-
atterizzate da un denso strato
di carica e generano coppie
lacuna-elettrone nel momento
in cui attraversano un sub-
strato. Se il disturbo è di in-
tensità abbastanza elevata, si
potrebbe verificare la commu-
tazione di un bit. Il fenomeno
dura solamente una frazione
di nanosecondo, ragion per
cui risulta molto difficile da
individuare. Le particella alfa a
bassa energia sono generate
dal decadimento radioattivo
di tracce di uranio-238 e to-
rio-232 presenti nei composti
realizzati per stampaggio, nei
package e in altri materiali
utilizzati per l’assemblaggio. In
ogni caso è praticamente im-
possibile mantenere la purez-
za del materiale ideale (meno
di 0,001 conteggi/ora/ cm
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)
necessaria per garantire l’af-
fidabilità delle prestazioni di
molti circuiti. Piccole quantità
di resina epossidica possono
contribuire a ridurre l’inciden-
za degli errori soft, scherman-
do il chip dalle radiazioni alfa.
I produttori sono riusciti a
controllare i contaminanti re-
sponsabili delle emissioni di
particelle alfa, ma non sono
stati in grado di contrastare
la radiazione cosmica. Infatti i
raggi cosmici (Fig. 2) sono la
causa più probabile degli er-
rori soft nei moderni disposi-
tivi a semiconduttore, dato che
i contaminanti radioattivi sono
per la maggior parte sotto
controllo. Le particelle prima-
rie dei raggi cosmici di solito
non raggiungono la superficie
terrestre. Esse comunque ge-
nerano uno sciame di parti-
celle energetiche secondarie,
principalmente sotto forma di
neutroni energetici. Benchè i
neutroni siano privi di carica
e quindi non possono provo-
care errori soft, essi possono
venire catturati da un nucleo
in un chip, evento questo che
può dare origine a particelle
alfa. La radiazione comica au-
menta con l’altezza a causa
della diminuzione dell’effetto
schermante dell’atmosfera. I
moduli che vengono utilizzati
ai Poli sono quindi più sensibili
agli errori soft.
Per ridurre la
possibilità che si verifichino
errori soft i moduli utilizzati in
applicazioni dove è prevista
un’elevata esposizione alla ra-
diazione vengono sottoposti a
un particolare procedimento
denominato appunto “radia-
tion hardening”.
I neutroni privi di energia ci-
netica sono un’importante
fonte di errori soft a causa
della reazione di cattura prima
menzionata. La cattura di un
neutrone termico da parte di
un nucleo dell’isotopo di boro,
materiale presente in grandi
quantità negli strati dielettri-
ci di vetro boro fosfosilicato
(BPSG), produce l’emissione
di particelle alfa, nuclei di litio
e raggi gamma. Le particelle
alfa o i nuclei di litio possono
provocare errori soft. I neu-
troni termici (quindi a bassa
energia) sono importanti per i
dispositivi elettronici medicali
utilizzati nella terapia contro
Fig. 2 – Raggi cosmici dispersi dall’atomosfera (Fonte: CERN)