Single Event Effects(SEE)는 하나의 고에너지 입자가 반도체 소자의 민감 영역에 에너지를 전달하면서 발생하는 일련의 방사선 효과를 의미합니다. 대표적으로 메모리나 플립플롭의 논리 상태가 일시적으로 바뀌는 Single Event Upset(SEU), 회로 출력에 순간적인 펄스가 발생하는 Single Event Transient(SET), 기생 구조가 도통하여 큰 전류가 흐르는 Single Event Latch-up(SEL), 그리고 전력반도체에서 영구적인 손상을 일으킬 수 있는 Single Event Burnout(SEB) 및 Single Event Gate Rupture(SEGR) 등이 있습니다.
오늘날에는 이러한 현상을 하나의 방사선 신뢰성 분야로 분류하지만, SEE라는 개념이 처음부터 명확하게 존재했던 것은 아닙니다. 전자소자의 미세화와 우주개발이 진행되면서 서로 관련 없어 보이던 전자장비의 이상 현상들이 점차 하나의 물리적 메커니즘으로 연결되었고, 1970년대 이후 실험과 이론 연구를 통해 현재의 SEE 개념이 정립되었습니다 [1], [2].
1950년대: SEE로 의심되는 초기 이상 현상
SEE의 역사적 배경은 1950년대 지상 핵실험 시기까지 거슬러 올라갑니다. 1954~1957년 실시된 미국의 지상 핵실험 과정에서 계측용 전자장비에 비정상적인 신호와 오동작이 관찰되었으며, 이러한 사례들은 이후 SEE 역사를 다룬 문헌에서 초기 방사선 유발 전자회로 이상 현상으로 언급되고 있습니다 [2].
다만 이 시기의 현상을 오늘날의 의미에서 단일 입자에 의한 SEE 또는 SEU라고 확정하는 것은 적절하지 않습니다. 당시 핵폭발에서는 매우 높은 수준의 순간 방사선장이 발생하였기 때문에, 관측된 오류가 하나의 입자에 의해 발생한 것인지 아니면 강한 transient radiation에 의한 집단적 효과인지 구분하기 어려웠습니다 [2].
따라서 1950년대의 기록은 SEE의 직접적인 과학적 입증이라기보다, 이후 SEE 개념으로 연결되는 역사적 선행 관측으로 보는 것이 보다 정확합니다.
1960년대: 소자 미세화와 우주방사선 영향의 이론적 예측
1960년대에는 반도체 소자의 크기가 작아지고 집적도가 증가하면서 우주방사선이 전자소자 동작에 영향을 줄 수 있다는 가능성이 이론적으로 논의되기 시작했습니다.
1962년 Wallmark와 Marcus는 반도체 소자의 최소 크기와 최대 집적도를 분석하면서, 소자가 충분히 작아질 경우 cosmic ray에 의한 영향이 반도체 소자의 물리적 한계 중 하나가 될 수 있다고 지적했습니다 [1]. 당시에는 현대적인 의미의 SEU 모델이 완성되어 있지 않았지만, 이후 소자 미세화에 따라 방사선에 의해 생성되는 소량의 전하가 회로의 논리 상태를 변화시킬 수 있다는 SEE 연구의 중요한 이론적 배경이 되었습니다.
한편 우주개발이 본격화되면서 인공위성과 우주선의 전자장비에서도 원인을 명확하게 설명하기 어려운 일시적인 오동작이 관찰되기 시작했습니다. 당시에는 이러한 현상을 회로 설계 문제, 우주선 charging, 전자기 간섭 또는 방사선 영향으로 명확하게 구분하기 어려웠습니다 [2].
1970년대: SEU의 과학적 입증
SEE 역사에서 가장 중요한 전환점은 1970년대입니다.
1972년 Hughes의 한 위성에서 약 96초 동안 지상과의 통신이 두절되었다가 다시 복구되는 사건이 발생했습니다. Hughes 연구진은 위성의 Attitude Control Electronics(ACE)를 분석하면서 기존의 회로 고장 시나리오만으로는 이 현상을 충분히 설명하기 어렵다는 사실을 확인했습니다.
연구진은 고에너지 우주선 입자가 반도체 내부에 전하를 생성하고, 이 전하가 디지털 회로의 상태를 순간적으로 변화시킬 가능성을 검토했습니다 [2].
이 연구는 이후 D. Binder, E. C. Smith, A. B. Holman이 1975년에 발표한 논문 “Satellite Anomalies from Galactic Cosmic Rays”로 이어졌습니다 [3].
이 논문에서는 통신위성에서 관찰된 디지털 회로의 비정상적인 triggering 현상 가운데 일부가 Galactic Cosmic Ray(GCR)에 의해 발생할 수 있음을 분석했습니다. 또한 우주선 입자가 회로에 충분한 에너지를 전달할 확률과 실제 위성에서 관측되는 오류율을 비교하면서, 우주방사선에 의한 단일 입자 오류를 정량적으로 설명하려고 시도했습니다.
이 연구는 오늘날 우주 환경에서 발생하는 SEU를 체계적으로 설명한 최초의 대표적 연구 중 하나로 평가되고 있습니다 [2], [3].
1976년: Cray-1에서 기록된 최초의 지상 SEU
SEU가 우주에서만 발생하는 현상이 아니라는 사실을 보여주는 대표적인 사례가 Los Alamos National Laboratory의 Cray-1 컴퓨터입니다.
1976년 Los Alamos에 설치된 Cray-1은 약 25주간의 시험 운용 기간 동안 152회의 memory parity error를 기록했습니다 [4].
당시에는 이 오류의 정확한 원인을 알지 못했으며 단순한 메모리 오류로 기록되었습니다. 하지만 수십 년 후 Eugene Normand 등의 연구진이 당시의 운용 기록과 Cray-1에 사용된 Fairchild 10415 bipolar SRAM의 특성, 그리고 Los Alamos 지역의 대기 중성자 환경을 분석했습니다.
그 결과 당시 관측된 bit flip의 발생률이 대기 중 cosmic ray가 생성한 secondary neutron에 의해 발생하는 SEU 특성과 잘 일치한다는 사실이 확인되었습니다 [4].
Normand 등의 연구에서는 이 152회의 bit flip을 현재까지 확인된 가장 이른 시기의 지상 전자시스템 SEU 기록으로 평가하고 있습니다.
즉, 실제 오류는 1976년에 발생했지만 이것이 대기 중성자에 의한 SEU였다는 사실은 약 30년 후의 재분석을 통해 밝혀진 것입니다.
1978~1979년: α 입자와 우주선에 의한 Soft Error 규명
1978년에는 반도체 산업에서 또 하나의 중요한 발견이 이루어졌습니다.
Intel의 Timothy C. May와 Murray H. Woods는 DRAM에서 원인을 알 수 없는 soft error가 반복적으로 발생하는 현상을 분석했습니다. 그 결과 반도체 패키지 재료에 포함된 미량의 우라늄 및 토륨 계열 불순물에서 방출되는 α 입자(alpha particle)가 실리콘 내부에 전하를 생성하고, 그 전하가 메모리 셀의 논리 상태를 변화시킬 수 있다는 사실을 밝혔습니다 [5], [6].
1979년 발표된 논문 “Alpha-Particle-Induced Soft Errors in Dynamic Memories”에서는 이러한 메커니즘을 보다 구체적으로 설명했습니다 [6].
이 연구는 SEU가 반드시 우주에서 날아오는 고에너지 입자에 의해서만 발생하는 것이 아니라, 반도체 패키지 내부의 방사성 불순물에서도 발생할 수 있다는 사실을 보여주었습니다.
같은 시기 IBM의 James F. Ziegler와 W. A. Lanford는 해수면에서 존재하는 cosmic ray secondary particle이 반도체 메모리에 미치는 영향을 분석했습니다 [7].
이들은 우주에서 유입된 1차 cosmic ray가 지구 대기와 상호작용하면서 중성자, 양성자, 뮤온 등의 2차 입자를 생성하고, 이러한 입자들이 지상의 반도체에서도 충분한 전하를 생성하여 오류를 일으킬 수 있음을 정량적으로 분석했습니다.
또한 고도가 높아질수록 cosmic-ray-induced error rate가 증가할 수 있다는 점을 제시했습니다 [7].
이 연구들은 이후 항공전자 시스템, 서버, 메모리 및 대규모 컴퓨팅 시스템의 terrestrial soft error 연구로 이어지는 중요한 기반이 되었습니다.
1979년 이후: Heavy-Ion 시험과 SEE 평가 기술의 확립
SEE가 실제로 하나의 고에너지 입자에 의해 발생한다는 가설이 확립되면서, 연구자들은 입자가속기를 이용하여 이를 직접 검증하기 시작했습니다.
1970년대 후반 Lawrence Berkeley Laboratory의 88-inch Cyclotron과 Bevalac 등의 가속기에서는 실제 전자소자에 고에너지 heavy ion을 조사하여 메모리 상태 변화를 측정하는 시험이 수행되었습니다 [2].
시험 결과 특정 DRAM 및 SRAM에서 입사 heavy ion에 따라 실제 bit flip이 발생하는 것이 확인되었으며, 소자 종류에 따라 SEE 민감도가 크게 다르다는 사실도 밝혀졌습니다.
이 과정에서 현재 SEE 평가에서 널리 사용되는 다음과 같은 개념들이 점차 정립되었습니다.
- Linear Energy Transfer(LET)
- Critical Charge(Qcrit)
- SEE Cross Section
- Threshold LET
- Particle Fluence
- On-orbit Error Rate Prediction
특히 SEE Cross Section은 특정 입자 환경에서 소자가 얼마나 쉽게 upset되는지를 나타내는 핵심 지표가 되었으며, heavy-ion 시험에서 측정한 cross section과 우주방사선 환경 모델을 결합하여 실제 임무 궤도에서 발생할 SEU rate를 예측하는 방법이 발전했습니다 [2], [8].
2000년대 이후: 시스템 수준의 SEE 대응과 Radiation Hardness Assurance
현대의 SEE 문제는 단순히 메모리 한 비트가 반전되는 현상에 국한되지 않습니다.
반도체의 집적도가 증가하고 FPGA, SoC, 고속 메모리 및 복잡한 전력반도체가 우주 시스템에 사용되면서 다음과 같은 다양한 SEE가 시스템 신뢰성 문제로 다뤄지고 있습니다.
- Single Event Upset(SEU)
- Multiple Cell Upset(MCU)
- Single Event Transient(SET)
- Single Event Functional Interrupt(SEFI)
- Single Event Latch-up(SEL)
- Single Event Burnout(SEB)
- Single Event Gate Rupture(SEGR)
특히 우주 시스템에서는 하나의 SEE가 메모리 bit flip에 그치지 않고 processor reset, FPGA configuration 오류, 통신 중단 또는 전력소자의 영구 파괴로 이어질 가능성이 있기 때문에 부품 수준뿐만 아니라 시스템 수준의 mitigation 전략이 중요해졌습니다.
NASA는 우주용 EEE(Electrical, Electronic and Electromechanical) 부품에 대해 SEE가 임무의 환경, 사용 조건 및 수명에 따라 평가되어야 할 주요 방사선 위험 요소임을 강조하고 있으며, COTS 부품뿐만 아니라 radiation-hardened 부품 역시 모든 종류의 방사선 효과에 자동으로 면역인 것은 아니라고 설명하고 있습니다 [9].
European Cooperation for Space Standardization(ECSS)의 ECSS-Q-ST-60-15C Rev.1 역시 우주 프로젝트의 Radiation Hardness Assurance(RHA)에서 평가해야 하는 주요 방사선 효과를 다음 세 종류로 구분하고 있습니다 [10].
- Total Ionizing Dose(TID)
- Total Non-Ionizing Dose(TNID) / Displacement Damage
- Single Event Effects(SEE)
따라서 오늘날 SEE 시험은 단순한 연구 목적의 방사선 실험을 넘어, 우주 시스템의 부품 선정과 Radiation Hardness Assurance 과정에서 중요한 신뢰성 평가 항목으로 자리 잡았습니다.
Solar Maximum Mission Satellite during the STS-41C servicing mission
※ 위 이미지는 SEE에 의해 손상된 위성을 나타내는 자료가 아니라 우주 환경에서 운용되는 위성 시스템의 예시 이미지입니다.
SEE 연구의 역사적 흐름
SEE의 역사는 하나의 사건을 통해 갑자기 시작된 것이 아니라 여러 연구와 관측이 연결되면서 형성되었습니다.
1950년대에는 핵실험 환경에서 전자장비의 이상 동작이 관찰되었고, 1962년에는 반도체 미세화 과정에서 cosmic ray가 소자의 물리적 한계가 될 수 있다는 이론적 가능성이 제시되었습니다.
이후 1972년 Hughes 위성 사건과 1975년 Binder 등의 연구를 통해 우주선의 하나의 고에너지 입자가 디지털 회로의 상태를 변화시킬 수 있다는 가설이 구체화되었습니다.
1976년 Cray-1에서 기록된 152회의 memory parity error는 훗날 대기 중성자에 의한 지상 SEU였던 것으로 분석되었으며, 1978~1979년 May와 Woods의 α 입자 연구는 반도체 패키지 자체에서도 soft error가 발생할 수 있음을 보여주었습니다.
같은 시기의 Ziegler와 Lanford의 연구는 지상의 cosmic-ray-induced soft error 메커니즘을 정량적으로 분석했고, 이후 heavy-ion accelerator 시험을 통해 SEE 발생 메커니즘이 직접적으로 검증되었습니다.
이러한 연구들은 오늘날 사용되는 LET, SEE cross section, critical charge, fluence 및 on-orbit SEE rate prediction과 같은 평가 방법의 기반이 되었으며, 현재는 우주용 반도체와 시스템의 Radiation Hardness Assurance에서 필수적으로 고려되는 영역으로 발전했습니다.
참고문헌
[1] J. T. Wallmark and S. M. Marcus, “Minimum Size and Maximum Packing Density of Nonredundant Semiconductor Devices,” Proceedings of the IRE, vol. 50, no. 3, pp. 286–298, Mar. 1962, doi: 10.1109/JRPROC.1962.288321.
[2] E. L. Petersen, R. Koga, M. A. Shoga, J. C. Pickel, and W. E. Price, “The Single Event Revolution,” IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 60, no. 3, pp. 1824–1835, Mar. 2013, doi: 10.1109/TNS.2013.2248065.
[3] D. Binder, E. C. Smith, and A. B. Holman, “Satellite Anomalies from Galactic Cosmic Rays,” IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 22, no. 6, pp. 2675–2680, Dec. 1975, doi: 10.1109/TNS.1975.4328188.
[4] E. Normand, J. L. Wert, H. Quinn, G. Grider, “First Record of Single-Event Upset on Ground, Cray-1 Computer at Los Alamos in 1976,” IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 57, no. 6, pp. 3114–3120, Dec. 2010, doi: 10.1109/TNS.2010.2083687.
[5] T. C. May and M. H. Woods, “A New Physical Mechanism for Soft Errors in Dynamic Memories,” Proceedings of the 16th Annual Reliability Physics Symposium, 1978, doi: 10.1109/IRPS.1978.362815.
[6] T. C. May and M. H. Woods, “Alpha-Particle-Induced Soft Errors in Dynamic Memories,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. ED-26, no. 1, pp. 2–9, Jan. 1979, doi: 10.1109/T-ED.1979.19370.
[7] J. F. Ziegler and W. A. Lanford, “Effect of Cosmic Rays on Computer Memories,” Science, vol. 206, no. 4420, pp. 776–788, Nov. 1979, doi: 10.1126/science.206.4420.776.
[8] J. C. Pickel and J. T. Blandford, “Cosmic Ray Induced Errors in MOS Memory Cells,” IEEE Transactions on Nuclear Science, 1979, doi: 10.1126/science.206.4420.776.
[9] R. F. Hodson, “Mitigating Risks of Single-Event Effects in Space Applications,” NASA Engineering and Safety Center Technical Bulletin No. 19-01-1, NASA Technical Reports Server, 2021. Available: https://ntrs.nasa.gov/citations/20210024100
[10] European Cooperation for Space Standardization, “ECSS-Q-ST-60-15C Rev.1 — Radiation Hardness Assurance,” 24 Mar. 2025. Available: https://ecss.nl/standard/ecss-q-st-60-15c-rev-1-radiation-hardness-assurance-20-march-2025/