SRAM型FPGA SEU缓解与验证技术分析

SRAM型FPGA产品在空间应用中易受单粒子翻转(SEU)影响而产生系统失效。分析了FPGA器件SEU的故障模式,并结合工程实践对三模冗余(TMR)技术、纠错编码(EDAC)技术、配置刷新技术三类FPGA单粒子效应缓解措施和基于故障注入的验证手段进行了研究和比较分析,阐述了不同技术的适用范围和优缺点,给从事空间应用系统的设计和测试人员提供参考。     

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。     

基于XC7V690T的在轨抗单粒子翻转系统设计

针对核心工业级SRAM型FPGA芯片XC7V690T抗辐照能力较弱、在轨运行期间存在较高单粒子翻转风险的问题,为了提高XC7V690T在轨抗单粒子翻转的能力及配置文件注数修改的灵活性,设计了一种基于XC7V690T的在轨抗单粒子翻转系统架构。其硬件架构主要由XC7V690T SRAM型FPGA芯片、AX500反熔丝型FPGA芯片以及多片FLASH组成;软件架构主要包括AX500反熔丝型FPGA对XC7V690T进行配置管理及监控管理,对XC7V690T进行在轨重构管理,XC7V690T通过调用内部SEM IP核实现对配置RAM资源的自主监控和维护。在轨实验结果表明,采用工业级SRAM型FPGA芯片XC7V690T的某航天器通信机在轨测试过程中成功进行了SEM纠错,通信机在轨工作正常,通信链路稳定,满足使用要求,表明该系统架构可以有效提升XC7V690T抗单粒子翻转能力,可以为其他SRAM型FPGA抗单粒子翻转设计提供借鉴与参考。     

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。     

航天用SRAM型FPGA定时刷新控制电路应用研究

为解决SRAM型FPGA在空间环境应用中单粒子翻转的问题,提出一种基于我国自主研制的定时刷新芯片（BSV2）的硬件设计方法。介绍了定时刷新器件BSV2及其基本刷新原理,同时以XC2V3000为例设计了刷新器件的典型应用电路,并对刷新的时序及有效性进行了测试验证。测试结果表明,定时刷新器件可以有效修复SRAM型FPGA的单粒子翻转及单粒子翻转造成的功能中断,提高了产品的可靠性。     

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.     

航空辐射环境SRAM存储芯片单粒子翻转实验综述

随着集成电子器件的快速发展,应用在航空电子系统中的SRAM型存储器件集成度也越来越高,尺寸越来越小,其发生单粒子翻转效应的可能性也越来越高,对航空飞行的可靠性和安全性带来严重的隐患。针对国外已有的SRAM型存储芯片的地面辐射实验、航空飞行实验结果进行归纳总结,分析SRAM存储芯片受单粒子翻转效应的影响以及失效特点。     

基于SRAM型FPGA的SEU敏感性研究

目前星载信号处理平台中大量使用商用芯片,但商用芯片抗辐射能力较弱,在空间环境下常出现单粒子翻转(Single Event Upset,SEU),从而造成系统功能紊乱,甚至中断。提出以星载信号处理平台中大量使用的SRAM型FPGA为研究对象,采用故障注入的方式研究FPGA中不同硬件资源对于SEU效应的敏感性问题。根据不同资源对SEU效应表现出不同敏感性的结论,可在SRAM型FPGA的抗SEU防护上进行有针对性的设计。     

激光告警DSP加载系统的可靠性设计

基于SRAM的DSP芯片对空间粒子辐射敏感,针对相干型衍射光栅激光告警系统处于空间环境中时所产生空间粒子效应会影响激光信号的判别甚至使程序无法正常工作的问题,提出在软硬件方面对元件进行抗单粒子翻转设计。通过看门狗电路、三模冗余程序加固和差错检验校正的方法防止故障出现。该方法提高了系统运行的可靠性,保证程序正确执行。     

一种基于FPGA的MRAM单粒子效应分析系统

基于FPGA设计了一套MRAM单粒子效应分析系统。该系统分为主控板和测试板,采用了可替换的测试板设计,能兼容不同封装的MRAM器件,通过FPGA主控程序和labVIEW上位机监测程序,能实时监测MRAM器件的单粒子效应,包括单粒子锁定、瞬态和翻转。此外,该系统与MRAM的单粒子效应分析流程紧密结合,可进一步定位MRAM器件的单粒子失效模式。经验证,单粒子系统能有效检测和分析MRAM的单粒子效应。     

单粒子四点翻转自恢复加固锁存器设计

为了容忍日益严重的单粒子多点翻转,提出了一种能够容忍单粒子四点翻转的加固锁存器——QNURL(quadruple node upset recovery latch).该锁存器包含40个同构的双输入反相器,形成5×8的阵列结构,构建了多级过滤的容错机制.通过有效地利用双输入反相器的单粒子过滤特性,当任意4个内部状态节点同时发生翻转时,都可以被多级过滤机制消除,自动恢复到正确值. PTM 32 nm工艺下的仿真结果表明,与现有的4种单粒子多点翻转加固锁存器综合比较,该锁存器的单粒子四点翻转自恢复比率高达100%,延迟平均降低了86.02%,功耗延迟积(powerdelayproduct,PDP)平均降低了78.94%,功耗平均增加了59.09%,面积平均增加了4.63%.文章最后对结构进行了衍生,提出了容忍N点翻转的(N (10)1)'2N结构框架.     

双立互锁单元单粒子效应加固方法研究

经典双立互锁单元主从型触发器存在由逆向驱动引起的单粒子翻转情况。为此,通过在主从两级之间插入缓冲器阻断反向驱动路径来解决该问题。对一款双立互锁加固芯片进行地面重粒子实验,实验结果显示,改进型双立互锁单元触发器不仅能消除单粒子功能中断,而且能减少单粒子翻转情况。     

应用使能检测单元的抗辐射数字像素图像传感器

介绍了一种经过抗辐射设计加固的 CMOS 数字像素图像传感器,并提出了一种可以抵抗单粒子效应的使能检测单元。这个使能检测单元通过将信号传输给三个移位寄存器并判断寄存器输出是否一致来判断和屏蔽单粒子效应。实验结果表明：芯片的最大信噪比和动态范围分别是54.15 dB 和56.10 dB,使能检测单元可以屏蔽单粒子效应。     

基于单片SRAM的EDAC电路设计

在航天应用中,为了减少单粒子翻转效应的影响,星载计算机的RAM存储单元采用检错纠错(EDAC)设计。本文介绍了EDAC原理,并对EDAC电路组成进行改进,将数据和校验存储在一片64Kx8的SRAM中,通过FPGA内部逻辑实现EDAC功能和RAM读写控制,增加了纠错回写和纠错计数功能,并提供测试验证EDAC功能的方法。     

Resource efficient implementation of T-Boxes in AES on Virtex-5 FPGA

This work presents a resource efficient implementation of T-Box module of Advanced Encryption Standard (AES) on Xilinx's Virtex-5 Field Programmable Gate Array (FPGA). The proposed architecture utilizes the 100% capacity of FPGA's dedicated Block RAM (BRAM) as compared to conventional techniques, where the consumption of BRAM memory is from 25% to 50%. The results show that the module fits into 4 BRAMs, thus reducing on device resources by 50%.     

嵌入式内核的任务上下文保护机制

单粒子翻转可能发生在内核堆栈时,破坏任务的上下文环境,从而导致星载软件运行结果出错、跑飞甚至崩溃。针对该情况,对嵌入式μC/OS-II内核进行改进,实现任务上下文保护机制。经实验验证,改进的内核能有效地克服单粒子翻转对内核堆栈造成的影响。     

Security in SRAM FPGAs

As FPGAs have grown larger and more complex, the value of the IP implemented in them has grown commensurately. Since SRAM FPGAs reload their programming data every time they are powered up, an adversary can potentially copy the program as it is being loaded. FPGA manufacturers have added security features to protect designs from unauthorized copy, theft, and reverse-engineering as the bitstream is transmitted from permanent storage into the FPGA. These bitstream security features use well-known information security methods to protect design data. In this discussion, it is assumed that an adversary has physical access to the FPGA. In this environment, denial-of-service attacks on the configuration are irrelevant: A trivial denial-of-service method would be to physically damage the device - the so-called "whack-it-with-a-hammer" attack.     

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。     

复杂电磁干扰环境下的C6000 DSP自举方法

对TMS320C620X／670XDSP的存储结构和特点进行分析,采用分两次生成ROM文件的方式实现TMS320C620X／670XDSP自举,并阐述了该自举方法的关键过程。通过该自举方法,程序在片内RAM中执行,预置参数和常量从外部ROM中读取。结合软件三模冗余,该自举方法可以防止复杂电磁干扰环境下单粒子翻转效应。该方法已得到实际应用,行之有效。