有沒有想過一次手機記憶體出錯、電腦宕機、汽車失控是由單粒子翻轉造成的。
前幾天跟朋友閒聊，聊到了單粒子翻轉對電子控制器的影響這一話題，於是花了點時間系統地整理了一下，分享給感興趣的朋友。
1、什麼是單粒子翻轉
單粒子翻轉英文縮寫SEU（Single-Event Upsets），航天電子術語。原因是在空間環境下存在著大量高能帶電粒子，計算機中的CMOS電子元器件受到宇宙射線照射，引起電位狀態的跳變，“0”變成“1”，或者“1”變成“0”，但一般不會造成器件的物理性損傷。
2、對電子控制器的影響
半導體產業自20世紀50年代發展至今天，製程從10微米發展到了驚人的5奈米甚至3奈米，依然在不斷進化。
隨著工藝尺寸的縮小，還會出現以下情況：
- 供電電壓減小，發生單粒子翻轉所需的閾值降低。
- 柵極面積縮小，造成電容減小，進而減小了能夠降低發生翻轉所需的臨界電荷。
- 儲存單元面積縮小，截面面積減小，減少了粒子轟擊的機會。
以上情況造成的後果是儲存器元件的單粒子翻轉敏感性增加。這樣，在一些高可靠性、高安全性應用中就必須考慮單粒子翻轉的風險了。
3、外太空發生的案例
我國“單粒子效應”損失最嚴重的一次，是我國1988年發射的第一個極地衛星——風雲一號A星，在發射39天之後，由於單粒子翻轉事件徹底失控，導致整星失效。
1990年風雲一號B星，由於受空間高能粒子轟擊，產生單粒子翻轉問題，引起計算機工作失常，最終只正常運行了285天。
1995年2月8日,我國發射升空的實踐四號衛星上搭載的兩臺用於單粒子事件測量的監測裝置，在入軌後的19天內共發生了65次翻轉。
2019年6月4日玉兔二號月球車失聯，經地面專家組推測，玉兔二號這次持續了數個小時的失聯，是因為鵲橋中繼衛星解調器被高能輻射擊中出現了單粒子翻轉導致。
2003年11月一系列強太陽活動後，高能粒子流造成46顆通訊衛星出現異常，一顆日本衛星完全失控，遠在火星的奧德賽火星探測器被高能粒子損壞，國際空間站緊急關閉機械臂。
2021年3月與國際空間站對接的美太空探索技術公司載人龍（Crew Dragon）飛船電子系統遭到帶電粒子轟擊，進而引發火災和失壓警報。後來查證為載人龍飛船的電子系統遭到來自宇宙的帶電粒子轟擊，發出虛假訊號，觸發國際空間站警報系統。
4、大氣層內發生的案例
2003年，在比利時斯哈爾貝克的一次選舉中，單粒子翻轉效應被認為是一次電子投票錯誤的罪魁禍首。電子投票機的一個數位翻轉，使一名候選人的選票增加了4096張。這一問題之所以能被發現，是因為電子投票機給這名候選人的選票多於可能數量。
澳洲航空公司從新加坡飛往珀斯的一個航班中，單粒子翻轉使飛機從自動駕駛模式中退出來，導致飛機自由下落長達23秒，大約三分之一的乘客因此受傷。
還有一個都市傳說，切爾諾貝利事件之後, 蘇聯召集志願者去清理輻射, 原因是機器人進去就失控。 更嚴重的是， 這些機器人拿出來以後，也不能使用了。據說就是因為核輻射的高能粒子摧毀了機器人的控制器。
5、未來的機遇與挑戰
慶幸的是，地球也不是束手無策，它有最好的防護措施——地磁場。磁場使大部分帶電粒子方向改變，讓它們繞過地球，一部分帶電粒子沿著地磁場注入地球的南北兩極，形成極光，但仍會有部分帶電粒子進入大氣層直達地面。
當今時代，隨著計算機晶片中電晶體尺寸的縮小，以及廣泛的應用，單粒子翻轉無疑是一個巨大的威脅。未來地面電子裝置設計時需將單粒子翻轉考慮在內，尤其在自動駕駛、無人配送、醫療裝置等高可靠性應用場景。這將在民用市場催生一批針對單粒子翻轉的新專利、新技術、新材料、新系統等諸多方面。
