Etude de l`Aléa Logique \(SEU\) Induit Dans Les Mémoires SRAM
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Etude de l`Aléa Logique \(SEU\) Induit Dans Les Mémoires SRAM
SETIT 2005 3rd International Conference: Sciences of Electronic, Technologies of Information and Telecommunications March 27-31, 2005 – TUNISIA Etude de l’Aléa Logique (SEU) Induit Dans Les Mémoires SRAM Dj.Sadaoui *, A.Benslama ** et M.Benslama * *Laboratoire d’électromagnétisme et télécommunication Université de Constantine [email protected] [email protected] **Laboratoire de physique mathématique et sub atomique [email protected] Résumé: Les mémoires SRAM utilisées dans les domaines spatial, aérospatial et terrestre requièrent une sensibilité relativement faible au phénomène de SEU (Single Event Upset). En effet, bien que ce mode de défaillance logique ne soit pas destructif, le fait de devoir corriger en permanence les informations corrompues dans la mémoire n'est pas acceptable. Cette sensibilité dépend principalement de deux facteurs: l'environnement dans lequel la mémoire est amenée à fonctionner et la technologie utilisée pour concevoir cette fonction logique. L’intégration croissante des technologies va dans le sens d'une plus grande sensibilité de ces composants. Mots clés: Aléa logique, Ions lourd, proton, Radiations ionisantes, Single Event Upset ( SEU). 1 Introduction La réduction continue de la taille et des paramètres électriques des circuits intégrés, due aux progrès technologiques dans le processus de fabrication microélectronique a comme conséquence une sensibilité accrue aux effets de l’environnement. En particulier les circuits intégrés fonctionnant dans l’espace sont sujets à différents phénomènes comme conséquence des radiations, dont les effets peuvent être permanents ou transitoires. Les ions, présents dans l'espace, sont responsables de phénomènes transitoires spécifiques, rassemblés sous le sigle SEE (Single Event Effect), dont fait partie le SEU (Single Event Upset) qui fait l'objet de cette étude. A la différence des ions lourds, Les ions légers tels que les protons ont des LETs (Linear Energy Transfer) trop faible (<0.6 MeV/mg.cm2) pour pouvoir par un dépôt direct d’énergie par ionisation induire des effets électriques gênants dans les composants [Edmonds, 2000]. Les aléas observés sous flux de protons mettent en jeu des noyaux de recul obtenus par interaction nucléaires entre la particule incidente (proton) et les noyaux atomiques du milieu (silicium). Ces secondaires, relativement lourds et énergétiques, peuvent, au même titre que les ions lourds primaires du rayonnement cosmique, avoir un LET suffisant pour déclencher des upsets. Dans le passé, on pouvait s’assurer d’un niveau de fiabilité des circuits électroniques suffisant pour une grande majorité d’applications, en éliminant les circuits défaillants par le biais du test de fabrication. Malheureusement, le test de fin de fabrication ne peut pas protéger les circuits contre toutes les défaillances qui se manifestent durant le fonctionnement du circuit[Anghel, 2000]. A l’heure actuelle, le volume de test au sol de l’électronique s’accroît considérablement. La sensibilité des composants aux ions lourds ou aux protons est habituellement établit en irradiant ces circuits à l’aide d’accélérateurs de particules [Dyer, 2001]. Cependant, la mise en place et le coût de telles campagnes d’irradiations ont motivé l’élaboration de modèles de prédiction afin d’en limiter le nombre. Notamment, la nature même du processus indirect de déclenchement d’upsets par protons permet la modélisation des sections efficaces d’upset proton. 2 Les environnements radiatifs En milieu radiatif le comportement d’un composant électronique dépend notamment de la nature et du flux du rayonnement incident. En milieu spatial, ces contraintes peuvent être classées en quatre catégories [Boudenot 1995]. SETIT2005 - Les ceintures de radiations : elles sont formées d’électrons, d’énergie inférieure à 7 MeV, et de protons d’énergie inférieure à quelques centaines de MeV. - Le rayonnement cosmique : il est constitué d’ions totalement ionisés dans une gamme d’énergie comprise entre 1 GeV et 1020 eV. Les protons et l’hélium représentent la grande majorité de ce type de rayonnement même si pratiquement tous les autres éléments de la table périodique y sont représentés. - Le vent solaire : constitué pour l’essentiel d’électrons de protons et d’hélium d’énergie inférieure à 100 KeV. De par leur faible énergie, ces particules sont très rapidement arrêtées et n'arrivent pas au contact des composants. - Les éruptions solaires : elles peuvent être de deux types. Les éruptions riches en protons qui ont un spectre d’énergie pouvant aller jusqu’à une centaine de MeV et les éruptions solaires à ions lourds qui ont un spectre en énergie allant de quelques dizaines à quelques centaines de MeV. Si le spectre est moins dur ici que pour les rayons cosmiques, le flux d’ions peut être en revanche 100 à 1000 fois plus important. 4. Effets des radiations sur les mémoires SRAM 4.1 Les Mémoires SRAM Dans un circuit électronique, le stockage de l’information s’effectue par l’intermédiaire de charges s’accumulant dans certains zones très localisées des composants. Chaque information stockée en mémoire se trouve à un emplacement précis appelé " adresse mémoire ". La manière dont l'information est stockée est comparable à un tableau constitué de lignes et de colonnes. L'intersection d'une ligne et d'une colonne forme une cellule appelée " point de mémoire ". Le point mémoire est une bascule bistable composée de deux inverseurs MOS rétrocouplés. 3. Les événements singuliers Les phénomènes associés aux ions lourds ont seulement été découverts et pris en compte au début des années 80. L'impact des ions lourds n'avait jusqu'alors que peu d'effet sur l'électronique. La part croissante de l'électronique embarquée dans les missions spatiales, l'allongement de ces missions et la forte intégration des circuits font, qu'aujourd'hui, la prise en compte de l'effet des ions lourds est d'une importance majeure dans le choix de certains composants pour la fiabilité d'un satellite. Depuis peu, les particules ionisantes plus généralement deviennent un sujet de préoccupation grandissant pour la fiabilité de l'électronique opérant au niveau du sol. Jusqu'à présent, seuls les circuits très fortement intégrés sont concernés par ce mode de défaillance pour l'environnement terrestre. Le passage d'une particule ionisante (d'origine primaire ou secondaire) dans une mémoire peut engendrer différents types d'événements pouvant conduire à la défaillance voire la destruction du composant. Parmi ces évènements doivent être mentionnées : • • Le SEU ou Single Event Upset qui correspond au changement d'état logique d'un point mémoire. Le SEL (Single Event Latchup) résulte de la mise en conduction (effet thyristor) d’une structure parasite p-n-p-n dans un composant CMOS [Buchanan & al., 2001]. Figure 1. Point mémoire Sur cette figure, les potentiels des points A et B sont complémentaires (Ā=B). La donnée est stockée par l’intermédiaire des points A ou B. Les deux états stables possibles correspondent au 1 et au 0 logique. Chaque cellule mémoire conserve donc un bit d’information défini par un état bas ou un état haut. On dit que la cellule présente un état haut lorsque le nœud A présente un niveau de tension haut (B un niveau Bas). Inversement, l’état bas est défini lorsque le nœud A présente un niveau de tension bas ( B un niveau haut). Deux transistors sont ajoutés pour constituer la cellule élémentaire. Ils jouent le rôle de portes de transfert ou de transmission et permettent ainsi d’écrire ou de lire l’information dans le point mémoire. Pour gérer ces accès au niveau circuit, il faut rajouter un ensemble d’éléments périphériques constitués de décodeurs d’adresses et d’amplificateurs. Ces éléments occupent environs 40% de la surface totale de la mémoire. 4.2 Descriptions du phénomène de SEU dans une SRAM Le phénomène de Single Event Upset (SEU) correspond au changement d'état logique d'un point mémoire suite au passage d'une particule unique. Ce changement accidentel de niveau logique dans une mémoire est réversible (le point mémoire pourra être corrigé par le processus normal d'écriture) et ne conduit pas à la destruction du composant. De manière SETIT2005 générale, tout composant électronique possédant des points de mémorisation est sensible au SEU. Une approche du phénomène de SEU consiste à considérer globalement l’effet d’un ion comme une impulsion de courant parasite appliquée à la cellule SRAM. Le point mémoire contient une information donnée et l’impact de la particule est localisé dans un transistor bloqué. Pour décrire le mécanisme entrant en jeu, étudions le cas d’un bistable CMOS, schématisé dans la figure 2. Une analyse au premier ordre indique que l’apport de charges induit par une particule peut provoquer un upset si : • • • • La particule ionisante traverse le composant à proximité d’une surface sensible. La surface la plus sensible d’une cellule mémoire à été identifiée comme étant le drain du transistor NMOS bloqué. La charge collectée est au moins égale à une charge minimum appelée charge critique. Cette quantité serait égale à l’intégrale du courant transitoire du drain du transistor NMOS bloqué, jusqu’au temps de basculement minimal. L’impulsion de courant créé par la particule est suffisamment longue pour que l’effet de mémorisation puisse intervenir. La charge nécessaire au basculement doit être collectée au nœud sensible suivant que le cycle de réécriture n’intervienne. 6.Moyen de prévention protection face aux SEE’s et de Un moyen de faire face aux effets des radiations consiste à minimiser la probabilité d’apparition des effets qui leurs sont liés. Trois types d’actions permettent cette prévention. (a) (b) (c) Figure 2. SEU dans un point mémoire CMOS - (a) Etat initial du point mémoire - (b) Passage d’ion lourd au niveau du transistor N2 - (c) Changement d’état du point mémoire. Le circuit est conçu de sorte qu’il a deux états stables, l’un qui représente un « 0 » et l’autre qui représente un « 1 ». Dans chacun des états logiques stables, deux transistors sont dans un état passant (« ON » ) et les deux autres dans un état bloquant (« OFF »). Un upset se produit, par exemple, quand une particule énergétique touche le drain du transistor N2 bloqué. L’impulsion de courant produite dans le nœud B change son potentiel, cette variation est transmise à l’autre moitié de la cellule bistable si cette impulsion produit une variation de tension suffisante pour provoquer la modification de l’état du transistor P1, le nœud A changera d’état. Si cet état est maintenu suffisamment longtemps pour que l’effet de la mémorisation intervienne, il y aura un basculement logique. 5.Conditions nécessaires au déclenchement du SEU : Le temps de réponse d’une cellule SRAM au stress que représente le passage d’une particule ionisante (de l’ordre de la femtoseconde) est de quelques dizaines de picosecondes. 6.1 Le blindage : Il a pour but d’éliminer ou du moins de réduire, le flux et l’énergie des particules incidentes. Il s’agit, en général, d’une feuille d’aluminium de quelques millimètres d’épaisseur. Les électrons sont considérablement ralentis par la présence du blindage, mais l’effet d’atténuation est beaucoup plus faible pour les protons, surtout les plus énergétiques. Les blindages deviennent complètement inefficaces contre les particules des rayons cosmiques qui peuvent avoir des énergies de plusieurs MeV voire de l’ordre du GeV. Cette solution, bien que souvent utilisé pour l'effet de dose, est très mal appropriée au SEU, voire non envisageable. 6.2 Le durcissement des composants Deux approches permettent de diminuer la sensibilité aux rayonnements l’une, au niveau technologique, utilise des méthodes de fabrication de composants plus robustes ; l’autre agit soit au niveau de la conception du système entier ou le durcissement se réalise plutôt grâce à des architectures tolérantes aux fautes transitoires, soit par la modification de la taille des dispositifs sensibles aux SEE (tels les registres, les points mémoires…). 6.3 Prévention au niveau système Les deux moyens de prévention précédemment cités (technologique et architectural) ne permettent pas une protection totale, en particulier face aux erreurs SETIT2005 produites par les upsets. Des précautions supplémentaires doivent donc être prises au niveau du système, généralement d’après quatre approches. • • • • Détection et correction d’erreurs : cette méthode consiste à ajouter des bits supplémentaires, dit bit de contrôle, à tout mot d’une mémoire. Redondance : elle peut se faire à deux niveaux, redondance matérielle et/ou logiciel. Chien de garde : un message est envoyé d’un point à un autre d’un circuit ou d’un système. Si le récepteur ne reçoit pas de message dans un intervalle de temps donné, une action prédéterminée est effectuer. La contrôle à partir du sol : cette méthode de dernier recours, consiste à réinitialiser, en cas d’erreurs ou de « Watchdog timer », un système défaillant. Il peut aussi être procédé à un téléchargement régulier depuis la terre, des données critiques afin de prévenir les erreurs. 7. Moyen de prévision du SEU Tous les moyens de prévention précédemment cités ne permettent pas à priori une immunité totale face aux SEE’s et en particulier aux Upsets. Un moyen d'assurer un fonctionnement et une durée de vie optimaux à une mission spatiale est, de prendre les précautions maximales de protection. Pour cela, des tests au sol et un calcul de prédiction sont nécessaires. Une fois un composant caractérisé, il est alors possible de l'éliminer s'il est trop sensible ou de prévoir les actions adéquates (watchdog timer, reset périodique, ...) afin de diminuer les risques en orbite. 7.1.1 SEU induit par Ions lourds Une particule ionisante, lors de son passage dans un composant, dépose de l'énergie par ionisation de la matière tout au long de sa trace. Ce dépôt d'énergie par unité de longueur, dE/dx, correspond à la création de pair électron-trou, Cette grandeur est appelée LET [Huhtinen, & al., 1999]. Pour un composant donné, l'effet d'un ion ne conduit à une défaillance qu'audessus d'un LET minimal appelé LET seuil, qui s'exprime en MeV cm2mg-1 ou en pC/µm. Pour un flux d'ions de LET donné, le nombre d'événements alors comptabilisés est d'autant plus grand que la surface sensible du composant est elle-même plus grande (les zones sensibles ne couvrent pas toute la surface du composant). C'est pourquoi on introduit la notion de section efficace, exprimée en cm2, qui permet d'indiquer la sensibilité d'un composant à un phénomène donné. Cette section efficace, s'exprime en fonction du taux d'événements N comptabilisés et de la fluence d'ions lourds qui correspond au flux normal à la surface du composant, en particules par cm2 et par seconde, que multiplie le temps d'irradiation[Buchanan & al., 1999]. (cm2) = N(événements) /(Nombre de particule.cm-2) La fonction de Weibull utiliser pour la prédiction de la section efficace induite par ion lourd est donnée par [Laa, 2002 ][ Normand,1996 ] : ( ) S σ (L )=σ 0 1−exp − L− L0 W =0 Le but de tels tests est d'obtenir une caractérisation de la sensibilité face aux upsets du circuit étudié et cela pour différentes valeurs de LET, afin de déterminer la courbes de section efficace. , L< L0 où : σ0 : section efficace asymptotique (par bit ou par device). L0 : Let seuil. W : Paramètre de largeur. S : Paramètre de forme (si S=1 la distribution est exponentiel, si S=2 c’est une distribution de Raleigh et si S=4 c’est une distribution normal). 7.1 Les tests au sol 10 10 S ec tion E ffic ac e (c m 2) Cette simulation d'upsets au sol, consiste à exposer le circuit à caractériser à un rayonnement qui soit aussi représentatif que possible de celui qu'il rencontrera durant son utilisation finale (mission spatiale). L'évaluation sous ambiance radiative du comportement des circuits intégrés, soulève différents problèmes. Le premier est la reproduction de l'environnement spatial par un faisceau de particules (ions lourds, électrons, protons) similaire à celui rencontré dans l'espace. Il est aussi nécessaire de développer un environnement électronique faisant l'interface entre le circuit sous test et le monde extérieur durant son irradiation et collectant les résultats, il s'agit du système de test. Enfin, une stratégie de test destinée à évaluer la sensibilité du composant doit être développée. , L≥ L0 10 10 10 10 10 S ec tion effic ac e d"ups et induit par Ions Lourds 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 0 20 40 60 80 LE T (M E V /m g.c m 2) Figure 3. Section efficace d’upset induit par ion lourd en fonction du LET (SRAM HM65656 32K8). SETIT2005 7.1.2 SEU induit par Protons : Les ions de faible masse, comme les protons ou les particules alpha, ont un LET relativement faible. Jusqu'à présent la valeur du LET de ces particules était insuffisante pour que l'ionisation directe qu'elles produisent induise des effets électriques gênants dans les composants. En plus de ces effets directs, ces particules peuvent provoquer des réactions nucléaires avec les noyaux atomiques de la cible lorsque leur énergie est assez grande. Les fragments qui en résultent peuvent être des ions lourds secondaires, qui ont la propriété d'affecter le bon fonctionnement des technologies depuis quelques années. Ces réactions nucléaires peuvent être provoquées également par les ions lourds primaires, mais la probabilité de ce type d'interaction est faible et l'effet est quantitativement négligeable. L'abondance des ions légers nécessite de prendre en compte leurs effets. Les protons d'origine solaire ou cosmique, ainsi que ceux piégés dans les ceintures de radiation (en particulier au niveau de l'anomalie de l'Atlantique sud [Vial, 1998]), peuvent donc induire une réaction nucléaire avec le silicium des composants embarqués dans les satellites. Cette réaction peut conduire au recul d'un noyau lourd accompagné par l'émission de radiations de type, protons ou neutrons. Ces ions secondaires ont un parcours dans la matière très faible (quelques microns) mais dont l'origine peut se situer dans la partie active du composant. Ils peuvent donc être à l'origine de certaines défaillances. On retiendra que la probabilité de produire un ion secondaire est de l'ordre de 10-5 par proton alors que le flux de protons peut être 105 fois plus important que le flux d'ions lourds primaires. Au cours de ces dix dernières années de nombreuses équipes se sont intéressées à l’élaboration de modèles de prédictions des sections efficaces d’upset proton σ(Ep). A. S ec tion effic ac e (c m 2/devic e) 10 () = 0 ailleurs S : section efficace à saturation (Section Efficace aux énergies élevées du proton). A : l’énergie Seuil. La figure 4 présente un exemple de l’application de ce modèle sur la SRAM XC4036XLA. -9 -10 -11 0 20 40 60 E nergie (M eV ) 80 100 120 Figure 4. Section efficace d’Upset induit par proton (modèle de Bendel à deux paramètres modifié) pour la SRAM XC4036XLA. En contrepartie de sa facilité de mise en œuvre le modèle classique de Bendel s’avère insuffisamment précis dans de nombreux cas. B. Modèle de Profit (PROtonFIT): [Buchanan & al., 2001] P. Calvel propose une méthode originale pour le calcul des sections efficaces d’upset proton, faisant intervenir la diffusion coulombienne des protons sur les atomes de silicium. La section efficace d’upset utilisée dans le modèle de PROFIT est donnée par : L (E s (E )− L0 ) S σ (E ) = σ 0 1 − exp − c N at σ nucl (E ). W i L(Esi (E)) est le pouvoir d’arrêt électronique des ions du silicium. a + c E + e E2 L (E ) = exp 2 1+b E + d E Où : a = -0.150, b = 1.040, c = 3.100, d = 3.9x10-3 et e = 3.106x10-3. La section efficace nucléaire est donnée par : σ nuc (E )= β Eα .10−27 4 14 12 σ (E) =S 1−exp−0.18⋅ 18 (E−A) , E>A A 10 10 Modèle de Bendel modifié : Le modèle de Bendel modifié utilise un seul paramètre pour décrire une valeur de la saturation de la section efficace et un autre paramètre considéré comme l’énergie seuil pour décrire le comportement du composant aux basses énergies. 10 S ec tion E ffic ac e d"ups et induit par P ROTONS -8 Où : α = -0.5 et β =758.95. l'énergie de recul de l'atome du silicium suite à la diffusion élastique d’un proton d’énergie E est donnée par la formule suivante : Esi = ( ) 4 Asi sin 2 T E 2 (1+ Asi )2 SETIT2005 Conclusion : Où : T : angle de diffusion. Asi =28 est la masse atomique du silicium. Nat =5 x 1022 nombre atomique/cm3. c : est la profondeur d’épuisement. Pour les calculs réalisés avec la méthode de Profit, nous avons pris d = 2 µm, c’est la valeur proposée par Calvel et considérée comme la mieux adaptée à son modèle. En moyenne la saturation est prédite avec 70% d’erreur seulement. La figure 5 présente le résultat de l’application du modèle de profit pour T = 90° (cas le plus défavorable). 10 Sec tion effic ac e(c m 2/devic e) 10 10 10 10 Sec tion effic ac e d"ups et induit par P ROTONS -6 -8 -12 -14 0 10 1 10 2 10 3 ENE RGIE (M eV ) Figure 5. Section efficace d’upset induit par proton en fonction de l’énergie incidente du proton (modèle de PROFIT pour la SRAM Xilinx XQRV300). Nous constatons que la validité du modèle de PROFIT est limitée aux énergies élevées. Dans le cas du modèle de profit l’interaction est supposée élastique, l'énergie après interaction de l'ion du silicium dans ce cas est proportionnelle à l'énergie du proton.La courbe du LET en fonction de l’énergie du proton est présentée en figure 6. La courbe atteint un maximum à une énergie du proton d'approximativement 300 MeV. Au-dessus de cette énergie les LET commencent à diminuer de leurs maximums d'approximativement 15MeV.cm2/mg. 16 12 10 8 Remerciements Les auteurs tiennent à remercier le laboratoire pour son soutien, son aide précieux, ses critiques et ses encouragements. Références Anghel, 2000 L.Anghel, «Les limites du silicium et tolérance aux fautes », thèse de doctorat en électronique de l’institut nationale polytechnique de Grenoble,15 octobre 2000. Boudenot 1995 J.C. Boudenot, « L’environnement spatial », ed. Presses Universitaires de France, Collection « Que sais-je ? », Octobre 1995. 6 4 2 0 0 10 Dans la perspective d’une infrastructure orbitale de plus en plus complexe, l’enjeu économique des programmes spatiaux lié au développement des constellations de satellite et le risque encouru en vie humaine rendent impérative la conception de systèmes électroniques qui soient « libérés » des contraintes associées à ces phénomènes. Binder & al., 1975 D. Binder, E. C. Smith et A.B. Holman, "Satellite anomalies from galactic cosmic rays", IEEE Transactions on Nuclear Science, NS-22, N°6, pp. 2675-2680, décembre 1975. 14 LE T (M eV -c m 2/m g) Suivant la nature du projet spatial, il faudra trouver un compromis entre les contraintes imposées par les environnements radiatives et les considérations techniques et économiques qui prévalent lors de la réalisation d'un système électronique. Ceci est nécessaire pour aboutir à la mise en place d'une méthodologie particulière agissant au niveau du système, de l'équipement ou du composant. Le risque d'erreur toléré est ainsi variable d'un projet à l'autre. Les projets d'applications, où le risque doit être minimum, sont généralement distingués des projets scientifiques ou à faible coût pour lesquels on est amené à tolérer un risque plus important. En dépit du peu d'informations concernant la sensibilité SEU des mémoires CMOS SRAM, il semble clair que les rayonnements radiatifs ionisants soient à présent un problème significatif pour les applications spatial et terrestres. -10 10 La connaissance de la réponse des mémoires SRAM aux phénomènes SEU, et donc du risque encouru, est indispensable afin de pouvoir statuer sur leur éventuelle utilisation dans les milieux radiatifs, qu'ils soient spatiaux, aérospatial ou terrestre. 10 1 10 2 E nergie (M eV ) Figure 6 . LET en fonction de l’énergie du proton. 10 3 Buchanan & al., 2001 N.Buchanan, D.M.Guingritch, «Proton induced Radiation Effects On a Xilins FPGA and Estimates of SEE in the ATLAS Environment »,Center of Subatomic Research University of Alberta, Edmonton, AB, Canada, TRIUMF, Vancouver, BC, Canada, April 24, 2001. SETIT2005 Buchanan & al., 1999 N. Buchanan, D. Guingritch, « Proton Single-Event Upsets in Xilinx FPGA », University of Alberta, Uofa-Atlas-99-02, November 18, 1999. Dyer, 2001 C. Dyer « Radiation Effects on Spacecraft & Aircraft Space Department », QinetiQ, Cody Technology Park, Farnborough, Hampshire GU14 0LX, UK, Copyright QinetiQ Limited 2001. Edmonds, 2000 L.D. Edmonds « Proton SEU Cross Sections Derived from Heavy-Ion Test Data », IEEE Transaction on Nuclear Science,Vol. 47, NO. 5, OCTOBER 2000. Huhtinen, & al., 1999 M. Huhtinen, F. 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