Analysis of the effects of natural radiation on Commercial-Off-The-Shelf (COTS) memories

Abstract

In New Space, the need for reduced cost, higher performance, and more prompt delivery plans in radiation-harsh environments have motivated spacecraft designers to use Commercial-Off-The-Shelf (COTS) devices. This Ph.D. thesis investigates the behavior of state-of-the-art mamories and FPGA manufactured in emerging technologies, including nv-SRAM, Ferroelectric Random-Access Memory (FRAM), Resistive Random-Access Memory (ReRAM)), Magnetic Random-Access Memory (MRAM), and a 28-nm bulk Xilinx Artix-7 FPGA against radiation effects. Radiation-ground test were conductted under 15-MeV and 1-MeV protons, thermal, and 14.8/14.2-MeV neutrons, leading to various categories of radiation effects. Experimental results will be presented and discussed with the CY14V101QS and CY15B101J nv-SRAMs, the CY15B102Q and CY15B104Q FRAMs (manufactured by Infineon Technologies), the MB85AS4MT and MB85AS8MT ReRAMs (manufactured by Fujitsu), and the MR10Q010CSC and MR25H40CDF MRAMs (manufactured by Everspin), and the Artix-7 XC7A100T Xilinx FPGA...

En lo que se ha venido a llamar "Nuevo Espacio", la necesidad de reducir costes, aumentar el rendimiento y planes de entrega más rápidos en proyectos destinados a entornos sometidos a radiación han motivado que los diseñadores de naves espaciales utilicen dispositivos comerciales no diseñados específicamente para espacio (COTS, Commercial Off The Shelf). Esta tesis investiga sobre el comportamiento frente a los efectos de la radiación de FPGA y memorias disponibles en la actualidad que han sido fabricadas con tecnologías emergentes, como RAM estáticas no volátiles (nv-SRAM), RAM ferroeléctricas (FRAM), RAM resistivas (ReRAm), RAM magnéticas (MRAM) y una FPGA Artix-7 de Xilix con tecnología de 28 nm. Se han realizado experimentos de radiación en instalaciones terrestres con protones de energías de 15 y 1 MeV, así como con neutrones térmicos y con energías de 14.8 y 14.2 MeV, lo que ha provocado varios tipos de efectos. Se presentarán y discutirán los resultados experimentales para las nv-SRAM CY14V101QS y CY15B101J y las FRAM CY15B102Q y CY15B104Q, todas ellas fabricadas por Infineon Technologies; para las ReRAM MB85AS4MT y MB85AS8MT, fabricadas por Fujitsu, y para las MRAM MR10Q010CSC y MR25H40CDF de Everspin. Asimismo, se presentarán los datos obtenidos para la FPGA Artix-7 XC7A100T de Xilinx...