基于FPGA硬件的单粒子翻转模拟技术

由于航空航天活动越发复杂,深空通信和姿态控制等航空航天电子系统大量采用集成电路芯片以提高各方面性能。随着集成电路工艺节点的进一步缩小,电路受到单粒子效应而发生错误的概率越来越大。评估集成电路对单粒子翻转（Single event upset, SEU）的敏感性对航空航天的发展具有重要意义。电路规模的增加和系统功能集成度的提高给评估速度带来了严峻挑战。本文提出了一种能适用于超大规模集成电路（Very large scale integration, VLSI）的快速故障注入方法。该方法可通过脚本自动分析电路,并修改逻辑使电路具备故障注入功能。实验结果表明,该方法实现的故障注入速度可以达到纳秒级,可大幅缓解电路规模和评估时间之间的矛盾,从而满足VLSI的评估需求。     

超大规模集成电路内部单粒子翻转效应仿真

针对超大规模集成电路特征尺寸的逐渐减小,对空间辐射环境越加敏感,从而引发了单粒子翻转效应,造成程序运行出现错误的问题,研究超大规模集成电路内部单粒子翻转效应,并提出抗辐射加固策略.研究以仿真的形式进行,首先对单粒子翻转效应物理机制进行了分析,为后续研究提供指导方向,然后选择被测器件,搭建效应测试平台,设置测试条件以及阐述单粒子翻转效应仿真测试方法.结果表明:脉冲激光的能量越大,单粒子翻转概率越高;只有激光光束照射到超大规模集成电路芯片有源区时,才可获得最低和最大的翻转截面;激光脉冲注量对单粒子翻转截面测试有影响;存储数据和测试模式对单粒子翻转效应测试都无影响.     

SRAM型FPGA单粒子辐照试验系统技术研究

单粒子辐射效应严重制约FPGA的空间应用,为提高FPGA在辐射环境中的可靠性,深入研究抗辐射加固FPGA单粒子效应评估方法,设计优化单粒子效应评估方案,开发相应的评估系统,提出基于SRAM时序修正的码流存储比较技术和基于SelectMAP端口配置回读技术。借助国内高能量大注量率的辐照试验环境,完成FPGA单粒子翻转（SEU）、单粒子闩锁（SEL）和单粒子功能中断（SEFI）等单粒子效应的检测,试验结果表明,该方法可以科学有效地对SRAM型FPGA抗单粒子辐射性能进行评估。     

一种SRAM型FPGA单粒子效应加固平台设计

针对大规模集成电路在空间环境的应用需求,介绍了目前国内外针对FPGA的抗辐射加固的研究现状,对空间辐射和单粒子效应进行了简单描述,分析了SRAM型FPGA的结构和故障特点,提出了一种基于高可靠单元针对Xilinx Kintex-7系列FPGA进行配置、监控、回读校验和刷新的单粒子翻转加固硬件平台设计。介绍了对Kintex-7系列FPGA进行防护的流程和故障注入测试系统的组成,该平台已经在某项目中得到应用并通过了功能测试和相关环境试验,为大规模集成电路在空间应用提供了设计参考。     

脉频调制神经网络VLSI的设计及应用

本文提出了一种用于故障诊断识别的改进脉冲频率调制(PFM)VLSI神经网络电路,改进了传统的基于软件的机械故障诊断模式,发挥了神经网络超大规模集成电路(VLSI)的优势.利用单层感知器网络、场效应管电路实现了一种新的数字模拟混合突触乘法/加法器电路,而且该神经网络电路的突触权值不需要学习调整,降低了电路的复杂性.以此电路为基础,设计了进行主轴承噪声故障诊断的神经网络故障识别系统.将含有故障信息的原始噪声信号,经过前置信号处理分析、故障特征值提取和神经网络运算,得出VLSI电路输出端电容的电压——代表待识别信号与模板故障信号的“欧氏距离”,进而判断出故障的类别.经过仿真测试,基于硬件的诊断系统的识别性能接近于基于软件的系统.     

抗辐射集成电路单粒子激光试验与仿真分析

使用脉冲激光模拟单粒子效应技术,对抗辐射集成电路进行激光实验,找到抗辐射集成电路版图上的引起单粒子翻转的敏感位置。通过抗辐射集成电路版图与逻辑图对照和对抗辐射集成电路逻辑功能分析,在抗辐射集成电路逻辑功能框图中找到引起单粒子翻转的逻辑功能块,分析该逻辑功能块中信号的属性、信号传输的方向、信号强弱、信号对单粒子敏感程度,最终找到在脉冲激光模拟单粒子试验中出现逻辑功能错误的MOS器件。使用仿真软件模拟辐照试验中的单粒子干扰,对发生逻辑功能错误的MOS器件进行仿真,通过调整MOS器件的宽长比属性和仿真激励模型,找到逻辑功能错误的MOS器件的属性与发生单粒子翻转现象之间的联系,最终找到解决该集成电路单粒子翻转问题的方案并验证成功。     

32 nm CMOS工艺的单粒子多点翻转加固锁存器设计

随着集成电路工艺不断改进,电荷共享效应诱发的单粒子多点翻转已经成为影响芯片可靠性的重要因素.为此提出一种有效容忍单粒子多点翻转的加固锁存器:低功耗多点翻转加固锁存器(low power multiple node upset hardened latch,LPMNUHL).该锁存器基于单点翻转自恢复的双联互锁存储单元(dual interlocked storage cell,DICE),构建三模冗余容错机制,输出端级联“三中取二”表决器,可以有效地容忍单粒子多点翻转,表决输出正确逻辑值,不会出现高阻态,可以有效地屏蔽电路内部节点的软错误.该锁存器能够100%容忍三点翻转,四点翻转的容忍率高达90.30%.通过运用高速传输路径、时钟选通技术和钟控表决器,该锁存器有效地降低了功耗.32 nm工艺下SPICE仿真表明,与加固性能最好的三点翻转加固锁存器综合比较,LPMNUHL的延迟平均降低了40.16%,功耗平均降低了44.96%,功耗延迟积平均降低了65.40%,面积平均降低了34.60%,并且对电压/温度波动不敏感.     

一款抗单粒子效应的32位微处理的设计

随着半导体生产工艺的不断进步,以单粒子效应为主的软错误已经成为影响集成电路可靠性的主要因素之一。在当前生产工艺下,不但应用在航空航天,高能物理等环境下的集成电路需要针对性的保护设计,一般条件下应用的民用设计也需要考虑这方面的影响。本文通过一系列手段对一款32位嵌入式微处理器进行了加固,使其具备了抗单粒子效应的能力。通过模拟验证,与未加固的处理器对比,处理器加固后的错误率有了极大的下降,从而证明了加固方法的有效性。     

星载计算机抗辐射加固技术研究

“星载计算机抗辐射加固技术”目标是掌握星载计算机系统级抗辐射加固技术。课题通过单粒子效应试验和总剂量效应试验对386ex的抗辐射能力进行了重点评估，针对星载计算机的抗辐射薄弱环节，研究抗辐射加固措施，完成了386ex三机变结构和486单板双机两种抗辐射原理样机。在抗单粒子效应方面重点研究了多机容错技术和存储器校验技术；在抗总剂量效应方面重点研究了屏蔽材料和屏蔽工艺实现，实践中用钨实现了电子元器件的局部屏蔽。软件方面重点研究了实时多任务操作系统及其抗辐射问题。     

基于在线测试的边界扫描器件测试原理

当今,微电子技术已进入集成电路(VLSI)时代.随着芯片电路的小型化及表面封装技术(SMT)和电路板组装技术的发展,使得传统测试技术面临着巨大的挑战.为了提高电路和系统的可测试性,提出了一种新的电路板测试方法-边界扫描测,也称JTAG标准.本文简单介绍基于BoundaryScan器件在ICT设备中测试原理.     

基于SS序列集成电路布线技术

集成电路(IC)是在半导体基片上形成的完整的电子线路。当前芯片里的电路与系统日趋复杂,超大规模集成电路(VLSI)设计技术水平也在逐渐提高。VLSI设计中一般采用分级设计的方法。布图设计过程是整个VLSI分级设计中非常关键的步骤之一。基于Single-Sequence的集成电路布图就是在SS编解码的应用下对芯片中各单元的摆放进行优化从而达到芯片面积利用率最大化。本文重点介绍了在SS序列生成版图后各单元间连线的设计以及如何根据水平/垂直约束图提取版图中各单元的坐标。并根据要连模块的位置关系对其连线经过的模块进行有条件加线宽的处理。     

VFSim: Concurrent Fault Simulation at Register Transfer Level

VLSI testing is being pushed to the high-level based technology. In this paper a Verilog Register transfer level Model (VRM) for integrated circuits is proposed. The model provides a text format file, which is convenient and more practical for developing succeeding Register Transfer Level (RTL) test tools, such as fault simulation, test pattern generation and so forth. Based on the VRM, an RTL concurrent fault simulation approach is presented. After RTL fault models and super faults defined, the concurrent fault simulation algorithm is given. The corresponding RTL concurrent fault simulator, VFSim, was implemented. The initial experiments show that the RTL fault simulator is efficient for VLSI circuits.     

数字电路串扰故障测试的路径敏化方法研究

数字电路集成度的提高特别是近年来系统芯片的出现,信号线之间的间距不断缩小,使得信号线间容易发生串扰.文章首先对串扰故障模型,特别是信号线间容性和感性耦合所产生的串扰及其特征进行了讨论,其次针对数字电路中串扰故障的检测,研究了基于路径敏化的测试矢量生成方法,给出了方法的实现步骤.     

性能驱动总体布线的关键技术及研究进展

在计算机软件领域,超大规模集成电路技术的迅猛发展迫切需要高性能CAD工具——电子设计自动化(EDA)软件工具的支持.与物理设计相关的CAD技术称为布图设计,总体布线是布图设计中一个极为重要的环节.目前,在深亚微米、超深亚微米工艺下的超大规模、甚大规模集成电路设计中,性能驱动总体布线算法已成为布图设计中的一个国际研究热点.针对这一热点,分析了性能驱动总体布线算法研究中亟待解决的关键技术,并详细阐述了国内外的重要相关研究工作进展情况.     

基于Muller_C单元和DICE单元的抗辐照D触发器设计

随着工艺尺寸的缩减,单粒子翻转(SEU)和单粒子瞬态(SET)成为了深亚微米集成电路中备受关注的可靠性问题。本文基于Muller_C单元的静态电路和动态电路,设计了两种时域采样锁存器,并与DICE锁存器相结合,设计出了相应的既抗SEU又抗SET的D触发器(Dflip-flops,简称DFF)。通过三维TCAD混合模拟产生的SET,对两种D触发器版图后提取寄生参数的电路网表进行故障注入模拟,Hspice模拟的结果证明:两种DFF在有效抑制SEU的同时,还可以有效地抑制SET。与文献[1]中提出的既抗SEU又抗SET的DFF相比,本文中设计的DFF面积较小,500MHz下动态功耗和静态功耗均有所降低,其中一个DFF的建立时间优于文献[1]中的DFF。     

基于SS序列集成电路布线技术

集成电路（IC）是在半导体基片上形成的完整的电子线路。当前芯片里的电路与系统日趋复杂,超大规模集成电路（VLSI）设计技术水平也在逐渐提高。VLSI设计中一般采用分级设计的方法。布图设计过程是整个VLSI分级设计中非常关键的步骤之一。基于Single-Sequence的集成电路布图就是在SS编解码的应用下对芯片中各单元的摆放进行优化从而达到芯片面积利用率最大化。本文重点介绍了在SS序列生成版图后各单元间连线的设计以及如何根据水平／垂直约束图提取版图中各单元的坐标。并根据要连模块的位置关系对其连线经过的模块进行有条件加线宽的处理。     

Generating test data with enhanced context-free grammars

The use of context-free grammars to improve functional testing of very-large-scale integrated circuits is described. It is shown that enhanced context-free grammars are effective tools for generating test data. The discussion covers preliminary considerations, the first tests, generating systematic tests, and testing subroutines. The author's experience using context-free grammars to generate tests for VLSI circuit simulators indicates that they are remarkably effective tools that virtually anyone can use to debug virtually any program     

Synaptic dynamics in analog VLSI

Synapses are crucial elements for computation and information transfer in both real and artificial neural systems. Recent experimental findings and theoretical models of pulse-based neural networks suggest that synaptic dynamics can play a crucial role for learning neural codes and encoding spatiotemporal spike patterns. Within the context of hardware implementations of pulse-based neural networks, several analog VLSI circuits modeling synaptic functionality have been proposed. We present an overview of previously proposed circuits and describe a novel analog VLSI synaptic circuit suitable for integration in large VLSI spike-based neural systems. The circuit proposed is based on a computational model that fits the real postsynaptic currents with exponentials. We present experimental data showing how the circuit exhibits realistic dynamics and show how it can be connected to additional modules for implementing a wide range of synaptic properties.     

Novel designs of nanometric parity preserving reversible compressor

Reversible logic is a new field of study that has applications in optical information processing, low power CMOS design, DNA computing, bioinformatics, and nanotechnology. Low power consumption is a basic issue in VLSI circuits today. To prevent the distribution of errors in the quantum circuit, the reversible logic gates must be converted into fault-tolerant quantum operations. Parity preserving is used to realize fault tolerant in this circuits. This paper proposes a new parity preserving reversible gate. We named it NPPG gate. The most significant aspect of the NPPG gate is that it can be used to produce parity preserving reversible full adder circuit. The proposed parity preserving reversible full adder using NPPG gate is more efficient than the existing designs in term of quantum cost and it is optimized in terms of number of constant inputs and garbage outputs. Compressors are of importance in VLSI and digital signal processing applications. Effective VLSI compressors reduce the impact of carry propagation of arithmetic operations. They are built from the full adder blocks. We also proposed three new approaches of parity preservation reversible 4:2 compressor circuits. The third design is better than the previous two in terms of evaluation parameters. The important contributions have been made in the literature toward the design of reversible 4:2 compressor circuits; however, there are not efforts toward the design of parity preservation reversible 4:2 compressor circuits. All the scales are in the nanometric criteria.     

应用于逻辑核的BIST关键技术研究

随着集成电路工艺进入深亚微米阶段后,电路复杂度的不断提高,特别是片上系统的不断发展,主要包括验证测试和制造测试的芯片测试,正在面临着巨大的挑战,传统的使用自动测试设备的测试方法越来越不能满足测试需要。各种用于提高芯片可测试性的可测性设计方法被提出,其中逻辑内建自测试方法已经被证明为大规模集成电路（VLS1）和SOC测试的一项有效的可测试性设计方法。文章首先对Logic BIST的基本原理结构进行介绍,然后对其在实践应用中的一些难点问题进行详细分析,最后给出针对一款高性能通用处理器实验的结果。