Etude de l'Aléa Logique (SEU) Induit Dans Les Mémoires SRAM
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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
sadaouidjaouida@yahoo.fr
malekbenslama@hotmail.com
**Laboratoire de physique mathématique et sub atomique
Achourbenslama@caramail.com
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).
lourds primaires du rayonnement cosmique, avoir un
1 Introduction LET suffisant pour déclencher des upsets.
La réduction continue de la taille et des paramètres Dans le passé, on pouvait s’assurer d’un niveau
électriques des circuits intégrés, due aux progrès de fiabilité des circuits électroniques suffisant pour
technologiques dans le processus de fabrication une grande majorité d’applications, en éliminant les
microélectronique a comme conséquence une circuits défaillants par le biais du test de fabrication.
sensibilité accrue aux effets de l’environnement. En Malheureusement, le test de fin de fabrication ne peut
particulier les circuits intégrés fonctionnant dans pas protéger les circuits contre toutes les défaillances
l’espace sont sujets à différents phénomènes comme qui se manifestent durant le fonctionnement du
conséquence des radiations, dont les effets peuvent circuit[Anghel, 2000].
être permanents ou transitoires. A l’heure actuelle, le volume de test au sol de
Les ions, présents dans l'espace, sont responsables l’électronique s’accroît considérablement. La
de phénomènes transitoires spécifiques, rassemblés sensibilité des composants aux ions lourds ou aux
sous le sigle SEE (Single Event Effect), dont fait protons est habituellement établit en irradiant ces
partie le SEU (Single Event Upset) qui fait l'objet de circuits à l’aide d’accélérateurs de particules [Dyer,
cette étude. 2001]. Cependant, la mise en place et le coût de telles
campagnes d’irradiations ont motivé l’élaboration de
A la différence des ions lourds, Les ions légers modèles de prédiction afin d’en limiter le nombre.
tels que les protons ont des LETs (Linear Energy Notamment, la nature même du processus indirect de
Transfer) trop faible (SETIT2005
- Les ceintures de radiations : elles sont formées 4. Effets des radiations sur les mémoires
d’électrons, d’énergie inférieure à 7 MeV, et de SRAM
protons d’énergie inférieure à quelques centaines de
MeV. 4.1 Les Mémoires SRAM
- Le rayonnement cosmique : il est constitué Dans un circuit électronique, le stockage de
d’ions totalement ionisés dans une gamme d’énergie l’information s’effectue par l’intermédiaire de charges
comprise entre 1 GeV et 1020 eV. Les protons et s’accumulant dans certains zones très localisées des
l’hélium représentent la grande majorité de ce type de composants. Chaque information stockée en mémoire
rayonnement même si pratiquement tous les autres se trouve à un emplacement précis appelé " adresse
éléments de la table périodique y sont représentés. mémoire ". La manière dont l'information est stockée
- Le vent solaire : constitué pour l’essentiel est comparable à un tableau constitué de lignes et de
d’électrons de protons et d’hélium d’énergie inférieure colonnes. L'intersection d'une ligne et d'une colonne
à 100 KeV. De par leur faible énergie, ces particules forme une cellule appelée " point de mémoire ".
sont très rapidement arrêtées et n'arrivent pas au Le point mémoire est une bascule bistable composée
contact des composants. de deux inverseurs MOS rétrocouplés.
- 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.
3. Les événements singuliers
Les phénomènes associés aux ions lourds ont
Figure 1. Point mémoire
seulement été découverts et pris en compte au début
des années 80. L'impact des ions lourds n'avait Sur cette figure, les potentiels des points A et B
jusqu'alors que peu d'effet sur l'électronique. La part sont complémentaires (Ā=B). La donnée est stockée
croissante de l'électronique embarquée dans les par l’intermédiaire des points A ou B. Les deux états
missions spatiales, l'allongement de ces missions et la stables possibles correspondent au 1 et au 0 logique.
forte intégration des circuits font, qu'aujourd'hui, la Chaque cellule mémoire conserve donc un bit
prise en compte de l'effet des ions lourds est d'une d’information défini par un état bas ou un état haut.
importance majeure dans le choix de certains On dit que la cellule présente un état haut lorsque le
composants pour la fiabilité d'un satellite. Depuis peu, nœud A présente un niveau de tension haut (B un
les particules ionisantes plus généralement deviennent niveau Bas). Inversement, l’état bas est défini lorsque
un sujet de préoccupation grandissant pour la fiabilité le nœud A présente un niveau de tension bas ( B un
de l'électronique opérant au niveau du sol. Jusqu'à niveau haut).
présent, seuls les circuits très fortement intégrés sont
Deux transistors sont ajoutés pour constituer la
concernés par ce mode de défaillance pour
cellule élémentaire. Ils jouent le rôle de portes de
l'environnement terrestre. Le passage d'une particule
transfert ou de transmission et permettent ainsi
ionisante (d'origine primaire ou secondaire) dans une
d’écrire ou de lire l’information dans le point
mémoire peut engendrer différents types d'événements
mémoire. Pour gérer ces accès au niveau circuit, il faut
pouvant conduire à la défaillance voire la destruction
rajouter un ensemble d’éléments périphériques
du composant. Parmi ces évènements doivent être
constitués de décodeurs d’adresses et d’amplificateurs.
mentionnées :
Ces éléments occupent environs 40% de la surface
• Le SEU ou Single Event Upset qui totale de la mémoire.
correspond au changement d'état logique d'un
point mémoire. 4.2 Descriptions du phénomène de SEU dans une
SRAM
• Le SEL (Single Event Latchup) résulte de la
mise en conduction (effet thyristor) d’une Le phénomène de Single Event Upset (SEU)
structure parasite p-n-p-n dans un correspond au changement d'état logique d'un point
composant CMOS [Buchanan & al., mémoire suite au passage d'une particule unique. Ce
2001]. 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 manièreSETIT2005
générale, tout composant électronique possédant des Une analyse au premier ordre indique que l’apport de
points de mémorisation est sensible au SEU. charges induit par une particule peut provoquer un
upset si :
Une approche du phénomène de SEU consiste à
considérer globalement l’effet d’un ion comme une • La particule ionisante traverse le composant à
impulsion de courant parasite appliquée à la cellule proximité d’une surface sensible. La surface
SRAM. Le point mémoire contient une information la plus sensible d’une cellule mémoire à été
donnée et l’impact de la particule est localisé dans un identifiée comme étant le drain du transistor
transistor bloqué. Pour décrire le mécanisme entrant NMOS bloqué.
en jeu, étudions le cas d’un bistable CMOS, • La charge collectée est au moins égale à une
schématisé dans la figure 2. 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 et de
protection face aux SEE’s
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) 6.1 Le blindage :
Figure 2. SEU dans un point mémoire CMOS - (a) Etat Il a pour but d’éliminer ou du moins de réduire, le
initial du point mémoire - (b) Passage d’ion lourd au niveau flux et l’énergie des particules incidentes. Il s’agit, en
du transistor N2 - (c) Changement d’état du point mémoire. général, d’une feuille d’aluminium de quelques
millimètres d’épaisseur. Les électrons sont
Le circuit est conçu de sorte qu’il a deux états
considérablement ralentis par la présence du blindage,
stables, l’un qui représente un « 0 » et l’autre qui mais l’effet d’atténuation est beaucoup plus faible
représente un « 1 ». Dans chacun des états logiques pour les protons, surtout les plus énergétiques. Les
stables, deux transistors sont dans un état passant blindages deviennent complètement inefficaces contre
(« ON » ) et les deux autres dans un état bloquant les particules des rayons cosmiques qui peuvent avoir
(« OFF »). Un upset se produit, par exemple, quand des énergies de plusieurs MeV voire de l’ordre du
une particule énergétique touche le drain du transistor GeV. Cette solution, bien que souvent utilisé pour
N2 bloqué. L’impulsion de courant produite dans le l'effet de dose, est très mal appropriée au SEU, voire
nœud B change son potentiel, cette variation est non envisageable.
transmise à l’autre moitié de la cellule bistable si cette
impulsion produit une variation de tension suffisante 6.2 Le durcissement des composants
pour provoquer la modification de l’état du transistor Deux approches permettent de diminuer la
P1, le nœud A changera d’état. Si cet état est maintenu sensibilité aux rayonnements l’une, au niveau
suffisamment longtemps pour que l’effet de la technologique, utilise des méthodes de fabrication de
mémorisation intervienne, il y aura un basculement composants plus robustes ; l’autre agit soit au niveau
logique. de la conception du système entier ou le durcissement
se réalise plutôt grâce à des architectures tolérantes
5.Conditions nécessaires au déclenchement aux fautes transitoires, soit par la modification de la
du SEU : taille des dispositifs sensibles aux SEE (tels les
registres, les points mémoires…).
Le temps de réponse d’une cellule SRAM au stress
que représente le passage d’une particule ionisante (de
6.3 Prévention au niveau système
l’ordre de la femtoseconde) est de quelques dizaines
de picosecondes. Les deux moyens de prévention précédemment cités
(technologique et architectural) ne permettent pas une
protection totale, en particulier face aux erreursSETIT2005
produites par les upsets. Des précautions 7.1.1 SEU induit par Ions lourds
supplémentaires doivent donc être prises au niveau du Une particule ionisante, lors de son passage dans
système, généralement d’après quatre approches. un composant, dépose de l'énergie par ionisation de la
matière tout au long de sa trace. Ce dépôt d'énergie
• Détection et correction d’erreurs : cette par unité de longueur, dE/dx, correspond à la création
méthode consiste à ajouter des bits de pair électron-trou, Cette grandeur est appelée LET
supplémentaires, dit bit de contrôle, à tout [Huhtinen, & al., 1999]. Pour un composant donné,
mot d’une mémoire. l'effet d'un ion ne conduit à une défaillance qu'au-
• Redondance : elle peut se faire à deux dessus d'un LET minimal appelé LET seuil, qui
niveaux, redondance matérielle et/ou logiciel. s'exprime en MeV cm2mg-1 ou en pC/µm. Pour un flux
• Chien de garde : un message est envoyé d'ions de LET donné, le nombre d'événements alors
d’un point à un autre d’un circuit ou d’un comptabilisés est d'autant plus grand que la surface
système. Si le récepteur ne reçoit pas de sensible du composant est elle-même plus grande (les
message dans un intervalle de temps donné, zones sensibles ne couvrent pas toute la surface du
une action prédéterminée est effectuer. composant). C'est pourquoi on introduit la notion de
• La contrôle à partir du sol : cette méthode section efficace, exprimée en cm2, qui permet
de dernier recours, consiste à réinitialiser, en d'indiquer la sensibilité d'un composant à un
cas d’erreurs ou de « Watchdog timer », un phénomène donné. Cette section efficace, s'exprime en
système défaillant. Il peut aussi être procédé fonction du taux d'événements N comptabilisés et de
à un téléchargement régulier depuis la terre, la fluence d'ions lourds qui correspond au flux
des données critiques afin de prévenir les normal à la surface du composant, en particules par
erreurs. cm2 et par seconde, que multiplie le temps
d'irradiation[Buchanan & al., 1999].
7. Moyen de prévision du SEU (cm2) = N(événements) /(Nombre de particule.cm-2)
Tous les moyens de prévention précédemment La fonction de Weibull utiliser pour la prédiction de
cités ne permettent pas à priori une immunité totale la section efficace induite par ion lourd est donnée par
face aux SEE’s et en particulier aux Upsets. Un [Laa, 2002 ][ Normand,1996 ] :
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
W
σ (L )=σ 0 1−exp − L− L0
S
( ) , L≥ L0
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
=0 , L< L0
actions adéquates (watchdog timer, reset périodique,
...) afin de diminuer les risques en orbite. où :
σ0 : section efficace asymptotique (par bit ou
7.1 Les tests au sol par device).
L0 : Let seuil.
Cette simulation d'upsets au sol, consiste à
W : Paramètre de largeur.
exposer le circuit à caractériser à un rayonnement qui
S : Paramètre de forme (si S=1 la
soit aussi représentatif que possible de celui qu'il
distribution est exponentiel, si S=2 c’est une
rencontrera durant son utilisation finale (mission
distribution de Raleigh et si S=4 c’est une
spatiale). L'évaluation sous ambiance radiative du
distribution normal).
comportement des circuits intégrés, soulève différents
problèmes. Le premier est la reproduction de S ec tion effic ac e d"ups et induit par Ions Lourds
l'environnement spatial par un faisceau de particules
0
10
(ions lourds, électrons, protons) similaire à celui 10
-1
rencontré dans l'espace. Il est aussi nécessaire de
développer un environnement électronique faisant 10
-2
S ec tion E ffic ac e (c m 2)
l'interface entre le circuit sous test et le monde
extérieur durant son irradiation et collectant les
-3
10
résultats, il s'agit du système de test. Enfin, une -4
10
stratégie de test destinée à évaluer la sensibilité du
composant doit être développée. 10
-5
Le but de tels tests est d'obtenir une 10
-6
caractérisation de la sensibilité face aux upsets du 0 20 40
LE T (M E V /m g.c m 2)
60 80
circuit étudié et cela pour différentes valeurs de LET,
afin de déterminer la courbes de section efficace. 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 : 10
-8
S ec tion E ffic ac e d"ups et induit par P ROTONS
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
S ec tion effic ac e (c m 2/devic e)
-9
10
insuffisante pour que l'ionisation directe qu'elles
produisent induise des effets électriques gênants dans
les composants. En plus de ces effets directs, ces
-10
particules peuvent provoquer des réactions nucléaires 10
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 10
-11
0 20 40 60 80 100 120
ont la propriété d'affecter le bon fonctionnement des E nergie (M eV )
technologies depuis quelques années. Ces réactions
nucléaires peuvent être provoquées également par les Figure 4. Section efficace d’Upset induit par proton
ions lourds primaires, mais la probabilité de ce type (modèle de Bendel à deux paramètres modifié) pour la
d'interaction est faible et l'effet est quantitativement SRAM XC4036XLA.
négligeable. L'abondance des ions légers nécessite de
prendre en compte leurs effets. Les protons d'origine En contrepartie de sa facilité de mise en œuvre le
solaire ou cosmique, ainsi que ceux piégés dans les modèle classique de Bendel s’avère insuffisamment
ceintures de radiation (en particulier au niveau de précis dans de nombreux cas.
l'anomalie de l'Atlantique sud [Vial, 1998]), peuvent B. Modèle de Profit (PROtonFIT): [Buchanan
donc induire une réaction nucléaire avec le silicium & al., 2001]
des composants embarqués dans les satellites. Cette
réaction peut conduire au recul d'un noyau lourd P. Calvel propose une méthode originale pour le
accompagné par l'émission de radiations de type, calcul des sections efficaces d’upset proton, faisant
protons ou neutrons. Ces ions secondaires ont un intervenir la diffusion coulombienne des protons sur
parcours dans la matière très faible (quelques microns) les atomes de silicium.
mais dont l'origine peut se situer dans la partie active La section efficace d’upset utilisée dans le modèle de
du composant. Ils peuvent donc être à l'origine de PROFIT est donnée par :
certaines défaillances. On retiendra que la probabilité
de produire un ion secondaire est de l'ordre de 10-5 L (E s (E )− L0 ) S
par proton alors que le flux de protons peut être 105 σ (E ) = σ 0 1 − exp − c N at σ nucl (E ).
i
W
fois plus important que le flux d'ions lourds primaires.
Au cours de ces dix dernières années de L(Esi (E)) est le pouvoir d’arrêt électronique des ions
nombreuses équipes se sont intéressées à l’élaboration du silicium.
de modèles de prédictions des sections efficaces
d’upset proton σ(Ep).
a + c E + e E2
L (E ) = exp
2
A. Modèle de Bendel modifié : 1+b E + d E
Le modèle de Bendel modifié utilise un seul
paramètre pour décrire une valeur de la saturation de Où :
la section efficace et un autre paramètre considéré a = -0.150, b = 1.040, c = 3.100, d = 3.9x10-3
comme l’énergie seuil pour décrire le comportement et e = 3.106x10-3.
du composant aux basses énergies. La section efficace nucléaire est donnée par :
() σ nuc (E )= β Eα .10−27
4
12
σ (E) =S 1−exp−0.18⋅ 18 (E−A) , E>A
14
A
Où :
= 0 ailleurs 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
S : section efficace à saturation (Section Efficace aux par la formule suivante :
énergies élevées du proton).
A : l’énergie Seuil.
La figure 4 présente un exemple de l’application
Esi =
4 Asi
(1+ Asi )2
sin 2 T E
2
( )
de ce modèle sur la SRAM XC4036XLA.SETIT2005
Où : Conclusion :
T : angle de diffusion. La connaissance de la réponse des mémoires
Asi =28 est la masse atomique du silicium. SRAM aux phénomènes SEU, et donc du risque
encouru, est indispensable afin de pouvoir statuer sur
Nat =5 x 1022 nombre atomique/cm3. leur éventuelle utilisation dans les milieux radiatifs,
c : est la profondeur d’épuisement. qu'ils soient spatiaux, aérospatial ou terrestre.
Pour les calculs réalisés avec la méthode de Profit, Suivant la nature du projet spatial, il faudra
nous avons pris d = 2 µm, c’est la valeur proposée par trouver un compromis entre les contraintes imposées
Calvel et considérée comme la mieux adaptée à son par les environnements radiatives et les considérations
modèle. En moyenne la saturation est prédite avec techniques et économiques qui prévalent lors de la
70% d’erreur seulement. réalisation d'un système électronique. Ceci est
nécessaire pour aboutir à la mise en place d'une
La figure 5 présente le résultat de l’application du méthodologie particulière agissant au niveau du
modèle de profit pour T = 90° (cas le plus système, de l'équipement ou du composant. Le risque
défavorable). d'erreur toléré est ainsi variable d'un projet à l'autre.
Sec tion effic ac e d"ups et induit par P ROTONS
Les projets d'applications, où le risque doit être
minimum, sont généralement distingués des projets
-6
10
scientifiques ou à faible coût pour lesquels on est
10
-8 amené à tolérer un risque plus important.
Sec tion effic ac e(c m 2/devic e)
En dépit du peu d'informations concernant la
10
-10 sensibilité SEU des mémoires CMOS SRAM, il
semble clair que les rayonnements radiatifs ionisants
soient à présent un problème significatif pour les
10
-12
applications spatial et terrestres.
Dans la perspective d’une infrastructure orbitale
10
-14
10
0
10
1
10
2
10
3 de plus en plus complexe, l’enjeu économique des
ENE RGIE (M eV ) programmes spatiaux lié au développement des
constellations de satellite et le risque encouru en vie
Figure 5. Section efficace d’upset induit par proton en
humaine rendent impérative la conception de systèmes
fonction de l’énergie incidente du proton (modèle de
électroniques qui soient « libérés » des contraintes
PROFIT pour la SRAM Xilinx XQRV300).
associées à ces phénomènes.
Nous constatons que la validité du modèle de PROFIT
est limitée aux énergies élevées. Dans le cas du
Remerciements
modèle de profit l’interaction est supposée élastique,
l'énergie après interaction de l'ion du silicium dans ce Les auteurs tiennent à remercier le laboratoire
cas est proportionnelle à l'énergie du proton.La courbe pour son soutien, son aide précieux, ses critiques et ses
du LET en fonction de l’énergie du proton est encouragements.
présentée en figure 6. La courbe atteint un maximum à
une énergie du proton d'approximativement 300 MeV. Références
Au-dessus de cette énergie les LET commencent à
diminuer de leurs maximums d'approximativement
Anghel, 2000 L.Anghel, «Les limites du silicium et
15MeV.cm2/mg. tolérance aux fautes », thèse de doctorat en électronique de
l’institut nationale polytechnique de Grenoble,15 octobre
16 2000.
14 Binder & al., 1975 D. Binder, E. C. Smith et A.B.
12
Holman, "Satellite anomalies from galactic cosmic rays",
IEEE Transactions on Nuclear Science, NS-22, N°6, pp.
LE T (M eV -c m 2/m g)
10
2675-2680, décembre 1975.
8
Boudenot 1995 J.C. Boudenot, « L’environnement
6
spatial », ed. Presses Universitaires de France, Collection «
4
Que sais-je ? », Octobre 1995.
2 Buchanan & al., 2001 N.Buchanan, D.M.Guingritch,
0
«Proton induced Radiation Effects On a Xilins FPGA and
10
0
10
1
10
2
10
3
Estimates of SEE in the ATLAS Environment »,Center of
E nergie (M eV )
Subatomic Research University of Alberta, Edmonton, AB,
Canada, TRIUMF, Vancouver, BC, Canada, April 24, 2001.
Figure 6 . LET en fonction de l’énergie du proton.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. Faccio «
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Rates in an Accelerator Environment », CERN, CH-1211
Geneva 23, Switzerland, Preprint submitted to Elsevier
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Vial, 1998 C. Vial, « Evaluation de la probabilité des
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octobre 1998.Vous pouvez aussi lire
