面向航空环境的多时钟单粒子翻转故障注入方法

随着新型电子器件越来越多地被机载航电设备所采用,单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)故障已经成为影响航空飞行安全的重大隐患。首先,针对由于单粒子翻转故障的随机性,该文对不同时刻发生的单粒子翻转故障引入了多时钟控制,构建了SEU故障注入测试系统。然后模拟真实情况下单粒子效应引发的多时间点故障,研究了单粒子效应对基于FPGA构成的时序电路的影响,并在线统计了被测模块的失效数据和失效率。实验结果表明,对于基于FPGA构建容错电路,采用多时钟沿三模冗余(Triple Modular Redundancy, TMR) 加固技术可比传统TMR技术提高约1.86倍的抗SEU性能;该多时钟SEU故障注入测试系统可以快速、准确、低成本地实现单粒子翻转故障测试,从而验证了SEU加固技术的有效性。     

SRAM型FPGA单粒子翻转模拟系统研究

SRAM型FPGA在空间辐照环境下,容易受到单粒子效应的影响,导致FPGA存储单元发生位翻转,翻转达到一定程度会导致功能错误。为了评估FPGA对单粒子效应的敏感程度和提高FPGA抗单粒子的可靠性,对实现故障注入的关键技术进行了研究,对现有技术进行分析,设计了单粒子翻转效应敏感位测试系统,利用SRAM型FPGA部分重配置特性,采用修改FPGA配置区数据位来模拟故障的方法,加速了系统的失效过程,实现对单粒子翻转敏感位的检测和统计,并通过实验进行验证,结果表明:设计合理可行,实现方式灵活,成本低,为SRAM型FPGA抗单粒子容错设计提供了有利支持。     

SRAM型FPGA单粒子翻转故障定位注入研究

针对SRAM型FPGA用户设计电路可靠性评测问题,提出了一种基于FPGA配置资源位置的模拟FPGA单粒子翻转故障的定位注入方法。分别从SRAM型FPGA中的配置逻辑资源与用户逻辑资源两个方面对此方法进行了详细介绍,并且通过对LUT与BRAM两种资源的故障注入试验说明了此方法的有效性。对故障注入方法、故障注入系统、故障注入试验进行了介绍,说明了故障定位注入方法能够对用户设计电路中用到的关键资源进行测试,资源覆盖率高、耗时短,为针对大量配置逻辑资源进行故障定位注入,实施反复测试提供了时效前提,具有很强的实用性。     

一种静态随机存储器型现场可编程门阵列的单粒子软错误率的软件分析方法

静态随机存取存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)在当前空间电子设备中取得了广泛的应用,尽管它对空间辐射引起的单粒子翻转效应极其敏感。在FPGA的配置存储器中发生的单粒子翻转造成的失效机理不同于传统的存储器中的单粒子翻转。因此,如何评价这些单粒子翻转对系统造成的影响就成了一个值得研究的问题。传统的方法主要分为辐照实验和故障注入两种技术途径。本文中提出了一种新的方法,可以用来分析单粒子翻转对构建在FPGA上的系统造成的影响。这种方法基于对FPGA底层结构以及单粒子翻转带来的失效机理的深入理解,从布局布线之后的网表文件出发,寻找所有可能破坏电路结构的关键逻辑节点和路径。然后通过查询可配置资源与相应的配置数据之间关系来确定所有敏感的配置位。我们用加速器辐照实验和传统的故障注入方法验证了这种新方法的有效性。     

微处理器故障注入工具与故障敏感度分析

总结了单粒子效应的各种表现形式,明确在集成电路抗单粒子加固时应着重考虑单粒子翻转和单粒子瞬变.通过分析、对比大量故障注入方法,设计了基于仿真的自动故障注入及分析系统,具有模型准确、运行速度快、自动化程度高等特点.采用此系统分析了一款32bit RISC微处理器对单粒子翻转和单粒子瞬变两种故障的敏感度.通过注入约2×105个故障,保证了实验的统计意义.试验分析指出,在设计加固微处理器时应该着重考虑存储单元、时钟信号和关键模块.     

一种SRAM型FPGA单粒子效应故障注入方法

随着FPGA在航天领域的广泛应用,SRAM型FPGA的单粒子故障也越来越引起人们的重视,用故障注入技术模拟单粒子效应是研究单粒子效应对SRAM器件影响的重要手段,该文主要研究SRAM型FPGA单粒子翻转、单粒子瞬态脉冲的故障注入技术,并在伴随特性的基础上,提出一种单粒子瞬态脉冲故障注入技术。该方法使注入故障脉冲宽度达到...     

FPGA抗单粒子翻转软硬件设计分析

介绍了FPGA在空间运行中所受单粒子效应的影响,提出了减缓单粒子翻转影响的硬件设计准则和软件设计方法（TMR和EDAC）,并分析了TMR和EDAC所能达到的效果,为后续星载FPGA抗单粒子翻转设计提供了参考依据。     

DICE型D触发器三模冗余实现及辐照实验验证

分析了三模冗余(TMR)型D触发器和双互锁存储单元(DICE)型D触发器各自的优点和缺点,基于三模冗余和双互锁存储单元技术的(TMRDICE)相融合方法,设计实现了基于双互锁存储单元技术的三模冗余D触发器。从电路级研究了TMRDICE型D触发器抗单粒子翻转的性能,与其他传统类型电路结构的D触发器进行了抗单粒子翻转性能比较,并通过电路仿真和辐照实验进行了验证。仿真结果表明,TMRDICE型D触发器的抗单粒子翻转性能明显优于传统的普通D触发器、TMR型D触发器和DICE型D触发器。辐照实验结果表明,TMRDICE型D触发器具有最小的翻转截面。     

基于130nm PD-SOI工艺存储单元电路的抗辐射加固设计

基于130 nm部分耗尽绝缘体上硅(SOI) CMOS工艺,设计并开发了一款标准单元库.研究了单粒子效应并对标准单元库中存储单元电路进行了抗单粒子辐射的加固设计.提出了一种基于三模冗余(TMR)的改进的抗辐射加固技术,可以同时验证非加固与加固单元的翻转情况并定位翻转单元位置.对双互锁存储单元(DICE)加固、非加固存储单元电路进行了性能及抗辐射能力的测试对比.测试结果显示,应用DICE加固的存储单元电路在99.8 MeV ·cm2 ·mg_1的线性能量转移(LET)阈值下未发生翻转,非加固存储单元电路在37.6 MeV·cm2·mg_1和99.8 MeV·cm2·mg_1两个LET阈值下测试均发生了翻转,试验中两个版本的基本单元均未发生闩锁.结果证明,基于SOI CMOS工艺的抗辐射加固设计(RHBD)可以显著提升存储单元电路的抗单粒子翻转能力.     

基于码流的软件控制FPGA故障注入系统

基于静态随机存储器的现场可编程逻辑门阵列应用于航天电子系统时,易受到单粒子翻转效应的影响,存储数据会发生损坏。为评估器件和电路在单粒子翻转效应下的可靠性,提出一种基于TCL脚本控制的故障注入系统,可在配置码流层面模拟单粒子翻转效应。介绍了该故障注入系统的实现机制和控制算法,并将该软件控制方法与传统硬件控制方法进行对比分析。设计了一种关键位故障模型,从设计网表中提取关键位的位置信息,缩小了故障注入的码流范围。在Virtex-5开发板XUPV5-LX110T上的故障注入实验表明,该故障注入系统能有效模拟单粒子翻转效应,与传统随机位故障注入相比,关键位故障注入的故障率提高了近5倍。     

Research on the packing algorithm for anti-SEU of FPGA based on triple modular redundancy and the numbers of fan-outs of the net

Static Random Access Memory （SRAM） based Field Programmable Gate Array （FPGA） is widely applied in the field of aerospace,whose anti-SEU （Single Event Upset） capability becomes more and more important.To improve anti-FPGA SEU capability,the registers of the circuit netlist are tripled and divided into three categories in this study.By the packing algorithm,the registers of triple modular redundancy are loaded into different configurable logic block.At the same time,the packing algorithm considers the effect of large fan-out nets.The experimental results show that the algorithm successfully realize the packing of the register of Triple Modular Redundancy （TMR）.Comparing with Timing Versatile PACKing （TVPACK）,the algorithm in this study is able to obtain a 11％ reduction of the number of the nets in critical path,and a 12％ reduction of the time delay in critical path on average when TMR is not considered.Especially,some critical path delay of circuit can be improved about 33％.     

一种FPGA抗辐射工艺映射方法研究

 提出一种基于部分TMR和逻辑门掩盖的FPGA抗辐射工艺映射算法FDRMap,以及一个基于蒙特卡洛仿真的并行错误注入和仿真平台.该平台和算法已经应用到复旦大学自主研发的FPGA芯片FDP4软件流程的工艺映射模块.实验结果表明,FDRMap能够在增加14.06%LUT数目的前提下,降低电路的抗辐射关键度32.62%;与单纯采用部分TMR的方法相比,在节省12.23%的LUT数目同时,还能额外降低电路关键度12.44%.     

面向独热编码的有限状态机抗单粒子翻转设计

在空间高能粒子影响下,电路容易发生单粒子翻转,而在电路设计中处于核心地位的有限状态机一旦受到单粒子翻转影响,可能无法进行正常的状态转移,从而导致有限状态机失去数据控制功能。为此,面向独热编码的有限状态机进行了抗单粒子翻转设计,并以航空全双工交换以太网中的入队数据总线控制模块作为验证模型,通过故障注入验证了设计方法的正确性。最后对该设计进行了可靠性评估,结果表明相比于传统的三模冗余加固方法,该方法的失效概率降低了两个数量级,此外还能根据实际需求调整纠正位数。相比于编码方式,该方法采用的逻辑更简单,更便于设计人员的开发和使用,具有较强的实用性。     

Recovery Time and Fault Tolerance Improvement for Circuits mapped on SRAM-based FPGAs

The rapid adoption of FPGA-based systems in space and avionics demands dependability rules from the design to the layout phases to protect against radiation effects. Triple Modular Redundancy is a widely used fault tolerance methodology to protect circuits against radiation-induced Single Event Upsets implemented on SRAM-based FPGAs. The accumulation of SEUs in the configuration memory can cause the TMR replicas to fail, requiring a periodic write-back of the configuration bit-stream. The associated system downtime due to scrubbing and the probability of simultaneous failures of two TMR domains are increasing with growing device densities. We propose a methodology to reduce the recovery time of TMR circuits with increased resilience to Cross-Domain Errors. Our methodology consists of an automated tool-flow for fine-grain error detection, error flags convergence and non-overlapping domain placement. The fine-grain error detection logic identifies the faulty domain using gate-level functions while the error flag convergence logic reduces the overwhelming number of flag signals. The non-overlapping placement enables selective domain reconfiguration and greatly reduces the number of Cross-Domain Errors. Our results demonstrate an evident reduction of the recovery time due to fast error detection time and selective partial reconfiguration of faulty domains. Moreover, the methodology drastically reduces Cross-Domain Errors in Look-Up Tables and routing resources. The improvements in recovery time and fault tolerance are achieved at an area overhead of a single LUT per majority voter in TMR circuits.     

DMR +: An efficient alternative to TMR to protect registers in Xilinx FPGAs

Registers are one of the circuit elements that can be affected by soft errors. To ensure that soft errors do not affect the system functionality, Triple Modular Redundancy (TMR) is commonly used to protect registers. TMR can effectively protect against errors affecting a single flip-flop and has a low overhead in terms of circuit delay. The main drawback of TMR is that it requires more than three times the original circuit area as the flip-flops are triplicated and additional voting logic is inserted. Another alternative is to protect registers using Error Correction Codes (ECCs), but those typically require a large circuit delay overhead and are not suitable for high speed implementations. In this paper, DMR + an alternative to TMR to protect registers in FPGAs, is presented. The proposed scheme exploits the FPGA structure to achieve a reduction in the FPGA resources (LUTs and Flip-Flops) at the cost of a certain overhead in delay. DMR + can correct all single bit errors like TMR but is more vulnerable to multiple bit errors. To evaluate the benefits, the DMR + technique has been implemented and compared with TMR considering standalone registers and also some simple designs.     

FPGA三模冗余工具的关键技术与发展

SRAM型现场可编程门阵列(FPGA)在空间辐射环境中容易受到单粒子效应的影响,从而发生软错误,三模冗余技术(TMR)是目前使用最广泛的缓解FPGA软错误的电路加固技术。该文首先介绍了三模冗余技术研究现状,然后总结了三模冗余工具常用的细粒度TMR技术、系统分级技术、配置刷新技术、状态同步技术4项关键技术及其实现原理。随着FPGA的高层次综合技术愈发成熟,基于高层次综合的三模冗余工具逐渐成为新的研究分支,该文分类介绍了当前主流的基于寄存器传输级的三模冗余工具,基于重要软核资源的三模冗余工具,以及新兴的基于高层次综合的三模冗余工具,最后对FPGA三模冗余工具的未来发展趋势进行了总结与展望。     

Routability estimation of FPGA-based fault injection

In past years various approaches to hardware-based fault injection using FPGA-based systems have been presented. Owing to the generation of additional faulty functions the mapping and a routable placement of the circuit into the FPGA are difficult to achieve. A technique is presented for estimating the routability, which guarantees the routability of the faulty circuit in the FPGA.