围绕星载数据存储的任务对辐射环境适应性的要求，天硕 (TOPSSD) 联合国内多家具有相关试验能力和资质的专业机构，针对天硕星载固态存储器开展了一系列辐射效应试验，并出具了相应的验证报告。
 

本文以其中部分试验报告中可以公开的信息为例，对试验条件、测试结果以及工程结论进行了简单的说明和分析。

从试验的结果来看，天硕星载固态存储器在完成 15 krad(Si)总剂量辐照及 168 小时、125℃高温退火后，功能均正常；在1300 MeV Kr离子辐照环境下，试验过程中未观测到电流闩锁现象，相关功能具备自主恢复能力；在30 MeV质子辐照环境下，试验过程中未形成永久性失效，相关功能在后续测试中可自主恢复。
 

通过上述试验验证了该型存储在规定的辐射试验条件下所具有的功能保持能力和异常恢复能力，对其在星载数据存储与遥感载荷数据处理系统的工程应用提供了一定的试验依据。

引言

随着遥感、空间科学探测、在轨计算和高通量载荷的发展，越来越多地产生了需要在卫星上进行产生和处理的数据，在此背景下，固态存储器正在逐步成为星载数据链路上的关键部组件。

对于面向长期在轨任务的 SSD 来说，仅仅使用容量、带宽或者常规环境试验来评价它的可靠性是不够的。

空间辐射对电子系统的各种影响，主要来源于累积性的总电离剂量效应，以及由单个高能粒子触发的单粒子效应。

而对于星载 SSD 来说，真正具有工程意义的辐射适应性问题可以进一步归结为：

经历了长期累积辐射之后，SSD 是否能够正常工作？受到高能粒子的作用，SSD 是否会出现持续失效的异常？如果瞬态扰动已经发生，系统能否在无人干预的情况下自行恢复？

围绕以上的问题，天硕对其航天级星载固态存储器开展了相关的试验。相信比起单纯给出一个“抗辐照指标”，一系列测试更能展示出天硕航天级 SSD 在不同的辐射作用下的实际工作行为。

二、验证对象与验证依据

天硕航天级星载固态存储器面向星载数据记录、载荷缓存、在轨数据管理等应用场景，使用 PCIe Gen3×4 的高速接口，提供了 M.2、U.2、XMC、BGA 多种形态的产品，目前该系列产品最大的容量可以达到 8TB。

产品以自研主控和自主固件为基础，在数据管理、异常检测和故障恢复等方面设置了多层可靠性机制。

需要说明的一点是：天硕星载固态存储器系列已经针对多款型号，委托多家具有资质的专业机构开展了对应的规格的辐射效应试验。但由于篇幅所限，这篇文章只选取其中一个型号 (X55 M.2 NVMe) 的试验报告予以公布。

相关的试验均按照国家或行业的通用规范展开，如 548C《微电子器件试验方法和程序》，QJ 10004-2008《宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法》以及航天领域的常用的辐射与可靠性试验规范，并根据星载固态存储器系统的特性制定了具体的测试方案。

三、总电离剂量效应试验评估

3.1试验目的

总电离剂量效应 (TID) 具有典型的累积特性，在随时间推移而不断积累的过程中，由于电荷俘获以及界面状态演化的结果，可能造成器件内电参数漂移或者功能退化等现象发生。

对长期在轨运行的电子设备而言，其总剂量耐受能力是进行辐射环境适应性评价的基本项目之一。

该项试验采用完整的固态硬盘作为试验样品，并对其进行累积辐照、阶段性功能检测与辐照后高温退火，以此来考察产品经过一定量的总剂量作用之后的功能保持能力。

核心目的是在模拟了长期累积辐射效应的情况下，判断该型存储器能否仍然具备正常的数据存取功能。

3.2 试验设计与实施

试验选用 3 只天硕航天级 X55 M.2 NVMe 星载固态硬盘，并使用 Co-60 γ射线源对其进行辐照。设定辐照剂量率是 10 rad(Si)/s, 目标总剂量是 15 krad(Si)，辐照过程中样品不施加任何偏置电压，所有的管脚均处于浮空的状态。

为了观察随着累积剂量增加的功能变化情况，在本次试验中没有采取终点检测的方式，而是在 10 krad(Si), 和 15 krad(Si)这两个剂量节点上进行了功能性测试。当完成了 15 krad(Si) 的辐照之后，对这三只样品再进行 125℃、168小时的高温退火处理，然后再一次进行功能复测。

设置一个高温退火的过程，是因为由辐射引起的陷阱电荷在辐照停止以后仍然有可能继续演变，通过退火可以加快它们趋向于稳态，使得试验结果能更能够反映样品在辐射作用后的长期的行为。

整个试验流程见下图：

3.3 试验结果

验证报告给出的结论是：

通过 15 krad(Si)总剂量辐照和 168 小时、125℃高温退火后，天硕M.2固态硬盘功能均正常。

需要说明的是：这里所说的“功能正常”，并不是仅仅指硬盘能被主机所识别。而是各个节点的功能测试项目如：PCIe 链路协商与速率确认、全盘容量寻址校验、文件系统的挂载、大文件写入与回读等等都通过，才予以判定。

试验结果可作为该型产品开展特定轨道、屏蔽条件下辐射环境适应性评估的试验依据，能满足大多数商业卫星对于存储部件总剂量环境适应性要求。

四、重离子单粒子效应试验

4.1 试验目的

相对于随着时间积累而产生的总剂量效应而言，单粒子效应(SEE)具有随机和瞬态的特点。

由于重离子一般线性能量传递 (LET) 较大，在一个粒子的作用下就可以在局部区域产生较多的能量，所以更容易导致单粒子翻转(SEU)，单粒子功能中断(SEFI)，甚至单粒子闩锁(SEL)的现象。

其中 SEL 危害最大，一旦发生闩锁，则器件内会出现一直不消失的低阻通道，导致工作电流急剧增加，并不能自动退出。

如果供电没有及时进行限流或者断电则会导致器件被永久烧毁，是航天任务中必须要避免发生的灾难性的失效模式。

本次试验的主要目的是为了研究：该型存储在强单粒子作用下是否会引发电流闩锁；当出现功能扰动时，产品能否在无人干预的情况下恢复到正常的工作状态。

4.2 试验设计与实施

试验中使用的是由重离子加速器提供的高能氪 (Kr) 离子，用于对样品进行辐照损伤测试，注入离子的能量是 1300MeV。

为了保证重离子能够有效地入射在敏感区内，在本次实验之前已经完成了对被测 SSD 的局部开帽和硅衬底减薄，其等效硅衬底厚度约为 50μm。

现场有 5cm 空气和 5μm 钛膜作为束流引出，根据换算，芯片敏感区域的实际 LET 可达到 38.1MeV·cm²/mg，有效的射程可以达到 53.1μm。

在整个辐照的过程中，样品一直处于正常的工作状态。SSD 使用单独的电源供电，并通过 M.2 转 PCIe 连接到了 Ubuntu 测试服务器上。外部 PC 主要负责测试控制和状态监测：

●   监视电流：实时监视 SSD 的工作电流，以判别是否出现了符合 SEL 特征的持续的大电流；

●   功能监测：采取整盘扫描方式，不断进行数据读写操作，观察是否存在 IO 超时、设备掉线、链路重训练等功能异常情况；

●   恢复观察：当发现功能扰动后，记录扰动类型、持续时间和恢复方式，重点关注恢复过程是否需要外部干预。

4.3 试验结果

验证报告给出的结论是：

在 1300 MeV Kr 离子辐照环境下，天硕被测 SSD 样品未观测到电流闩锁现象，功能均可自主恢复。

上述结果分别从两个维度支撑了该型存储在强单粒子环境下的工程适用性评估：

抗闩锁能力。在 LET 38.1 MeV·cm²/mg 的情况下没有观察到单粒子闩锁现象。这个 LET 范围已经涵盖了相当一部分的空间重离子事件能量沉积值，试验结果为该型产品在典型轨道环境下的闩锁风险评估提供了正面的依据。

异常恢复机制的有效性。功能扰动可以在不需要借助任何外力的情况下自行恢复，说明产品在控制器、固件架构及系统异常管理方面，具有针对单粒子扰动的可靠性设计。

五、高能质子单粒子效应试验

5.1 试验目的

根据 NASA/JPL 给出的空间粒子组成显示，银河宇宙线大约有 85%的质子、14%的α粒子和约1%的重离子；太阳高能粒子事件中，90%以上是质子。地球内辐射带也主要由高能质子构成，而外辐射带主要是电子。

所以从遭遇概率来看，质子是星载电子设备在整个任务周期内持续面临的辐射来源。

质子既可能通过直接电离产生影响，也可能与器件材料发生核反应并产生次级粒子，进而引发单粒子效应。对于能量在 30–500 MeV范围内的入射质子，其直接电离 LET 值极低。但质子与硅原子核发生非弹性散射等核反应时，所产生的反冲核具有极高的电离能力。根据 Geant4 / SRIM 模拟计算与实验校验，质子核反应产生的次级反冲核最大 LET 值约为37 MeV·cm²/mg 。

该项试验的目的是：在更加普遍的质子辐射环境中，考察该型存储在持续工作状态下的功能表现和异常之后的恢复情况。

相对于重离子试验关注的是“极端单粒子事件”问题，质子试验更侧重回答“长期普遍环境下，扰动是否可控、任务能否持续”的问题。

5.2 试验设计与实施

试验中使用的是能量为 30 MeV 的质子束，并且是整板的方式进行辐照。样品由支架固定，使得 SSD 电路板的中心位置和质子源靶心具有规定的几何关系。

在整个试验过程中，样品处在持续写入的状态。利用 M.2 转 PCIe 接口连接到测试服务器上，在整个辐照过程中不断对硬盘进行写入操作。

之所以选用这种工况，是因为持续写入意味着多个数据通路环节都处于活跃状态。辐射扰动一发生就更容易被主机侧的功能监测捕捉到，也能更真实地反映出在轨任务期间，存储设备处于工作状态下真实的响应情况。

测试系统同时会在辐照的过程中开展如下监测内容：

●   功能状态监测：持续记录写入操作的完成状态以及 IO 响应时间和异常返回码等信息来判别是否出现了写入中断、设备脱连或者固件挂起等功能异常；

●   性能趋势监测：记录写入速率随着时间变化的情况，观察辐射累积过程中是否有性能退化的趋势；  

●   恢复过程记录：一旦发现有功能扰动，则记录扰动类型、持续时间以及恢复方式，重点关注恢复的过程是否需要外部干预。

5.3 试验结果

验证报告给出的结论是：

在 30 MeV 质子辐照环境中，在整个试验过程没有发生永久性的失效，并且相关的功能可以在之后的测试中自行恢复。

因此，试验结果恰当地补充了重离子试验的发现：

●   质子环境下的功能响应。在 30 MeV 质子持续辐照下出现了固件层面的功能扰动，符合质子通过核反应产生次级粒子进而引起单粒子功能中断的物理机理。

●    异常恢复机制的再次验证。同重离子试验一样，质子试验中所有出现的功能异常都是“可恢复”的而不是“永久性”的。再一次验证了该型产品的自主恢复机制在不同类型的辐射源作用下的有效性。这对于需要长时间无人值守工作的星载设备来说，这种跨越不同类型辐射源而得到的一致的恢复效果，可以更好地用于在轨故障预案的设计上提供数据支持。

●   持续写入工况下的表现。持续写入状态下并没有造成异常频率的明显累积或者恢复机制失效的情况，即产品的工作状态与辐射扰动之间不存在明显的协同恶化的趋势。

另外，本次质子试验获得了功能中断的统计截面，并根据此截面和典型的低地球轨道质子通量模型进行了初步估计：在常规整星级别的屏蔽下，由质子引起的可恢复的功能中断的预期频次是单次任务可以容忍的数量级别。

六、结论

对于星载固态存储器来说，对其辐射环境适应性评价应当是综合考虑的结果。在本文中公开的三份试验报告，试图呈现出的是天硕航天级星载固态存储器在不同的辐射作用下的实际工作行为。

这三项试验共同指向一个工程上的结论：在规定的辐射条件下，该型存储在累积剂量、抗闩锁和异常恢复三个方面，都表现出了能够满足典型 LEO 任务需求的能力。

天硕星载固态存储器系列已经针对多款型号、在不同时期、委托了多家具有资质的专业机构进行了包含总剂量累积、重离子、质子、中子辐照在内的多项辐射效应验证。

目前，在现有的试验基础之上，天硕仍在持续进行更高辐射等级条件下的验证工作，不断扩展产品抗辐照性能的已验证边界，为更复杂的空间环境、长寿命在轨任务提供更加充分的试验依据。

本文选取了 X55 M.2 NVMe 型号的试验结果进行公开，以供航天器部组件选型时，作为有真实试验数据支撑的工程参考。