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。     

Xilinx FPGA抗辐射设计技术研究

针对Xilinx FPGA在航天应用中的可行性,文章分析了Xilinx FPGA的结构以及空间辐射效应对FPGA的影响,结合实际工程实践给出了提高其可靠性的一些有用办法和注意事项,如冗余设计、同步设计、自检等.表明配置信息的周期刷新和三模冗余设计是减轻单粒子效应的有效方法.     

基于FPGA的COTS器件辐射效应测试系统

为了满足航天商业现货(COTS)器件辐射效应评估的高效率、低成本、批量测试需求,通过分析典型COTS器件不同辐射效应测试的异同,设计了COTS器件通用辐射效应测试系统。测试系统由面向仪器系统的外围组件互连(PCI)扩展(PXI)系统和基于现场可编程门阵列(FPGA)的监测主板组成,适用于FPGA、模数转换器(ADC)、静态随机存储器(SRAM)、运算放大器、电源芯片等典型COTS器件单粒子和总剂量效应地面模拟试验,能够在线实时测量被测器件的功耗电流、逻辑功能、输出信号等参数,可对被测器件的输入电压、输入电流、输出电压等需要高精度测量的功能性能参数进行离线测量。通过典型器件的单粒子与总剂量效应试验,对测试系统的在线与离线测试功能进行了验证,结果表明该测试系统能够满足测试需求。     

关于中子辐射的单粒子翻转效应测试与加固研究

针对高能粒子入射半导体材料引发的辐射效应,从实验平台的设计对地面辐射试验进行了研究,通过对单粒子翻转效应的分析,制定评估方式,实验平台通过建立数据采集系统、数据分析系统,测试4种SRAM型的FPGA芯片在不同强度的中子辐照产生的影响,通过辐照试验?验证了试验方法、试验系统的有效性和可靠性。实验结果表明,在高强度的辐照下,单粒子翻转效应显著增多,需要采取防护措施及时修正,对FPGA芯片的使用及选型具有参考价值。     

超大规模FPGA的单粒子效应脉冲激光测试方法

建立了一种28 nm HPL硅工艺超大规模SRAM型FPGA的单粒子效应测试方法。采用静态测试与动态测试相结合的方式,通过ps级脉冲激光模拟辐照实验,对超大规模FPGA进行单粒子效应测试。对实验所用FPGA的各敏感单元(包括块随机读取存储器、可配置逻辑单元、可配置存储器)的单粒子闩锁效应和单粒子翻转极性进行了研究。实验结果证明了测试方法的有效性,揭示了多种单粒子闩锁效应的电流变化模式,得出了各单元的单粒子效应敏感性区别。针对块随机读取存储器、可配置逻辑单元中单粒子效应翻转极性的差异问题,从电路结构方面进行了机理分析。     

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。     

纳米级CMOS集成电路的单粒子效应及其加固技术

空间应用的集成电路受到辐射效应的影响,会出现瞬态干扰、数据翻转、性能退化、功能失效甚至彻底毁坏等问题.随着器件特征尺寸进入到100nm以下（以下简称纳米级）,这些问题的多样性和复杂性进一步增加,单粒子效应成为集成电路在空间可靠性应用的主要问题,给集成电路的辐射效应评估和抗辐射加固带来了诸多挑战.本文以纳米级CMOS集成电路为研究对象,结合近年来国内外的主要技术进展,介绍研究团队在65nm集成电路单粒子效应和加固技术方面的研究成果,包括首次提出的单粒子时域测试和分析方法、单粒子多节点翻转加固方法和单粒子瞬态加固方法等.     

一种适用于空间飞行器的可重构信息处理平台硬件设计

在我国空间通信技术取得巨大发展的今天,对空间飞行器电子设备功能可重构、可升级、运行代码可更换的需求越来越多。分析了空间辐射效应对高性能数字信号处理器（DSP）和SRAM型FPGA的影响,提出了一种适用于空间飞行器上的可重构信息处理平台的硬件设计方法,具有可重构、可在线升级运行代码的特点。该硬件架构计由高性能DSP和高可靠性的反熔丝FPGA为主要组成,提出了这种架构对抗空间单粒子效应的方法。该电路设计方法可以为空间飞行器通信设备的设计提供参考。     

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...     

基于SRAM型FPGA单粒子效应的故障传播模型

SRAM型FPGA在辐射环境中易受到单粒子翻转的影响,造成电路功能失效.本文基于图论和元胞自动机模型,提出了一种针对SRAM型FPGA单粒子效应的电路故障传播模型.本文将单粒子翻转分为单位翻转和多位翻转来研究,因为多位翻转模型还涉及到了冲突处理的问题.本文主要改进了耦合度的计算方式,通过计算FPGA布局布线中的相关配置位,从而使得仿真的电路故障传播模型更接近于实际电路码点翻转的结果,与以往只计算LUT相关配置位的方法比较,平均优化程度为19.89%.最后阐述了本模型在故障防御方面的一些应用,如找出最易导致故障扩散的元胞.     

基于测试系统的FPGA逻辑资源的测试

FPGA在许多领域已经得到广泛应用,其测试问题也显得越来越突出。文章针对基于SRAM结构FPGA的特点,以Xilinx公司的XC4000系列芯片为例,利用检测可编程逻辑资源的多逻辑单元(CLB)混合故障的测试方法,阐述了如何在BC3192V50测试系统上实现FPGA的在线配置以及功能和参数测试。它是一种基于测试系统的通用的FPGA配置和测试方法。     

一种Xilinx FPGA有效配置位保护方法

机载电子设备中广泛采用的静态随机存储器(Static Random Access Memory,SRAM)型现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)易受到大气中子辐射的影响而发生单粒子翻转.为了提高抗干扰能力,针对SRAM型FP GA需要进行抗单粒子翻转防护,提出了一种X...     

Detecting, diagnosing, and tolerating faults in SRAM-based field programmable gate arrays: a survey

Topics related to the faults in SRAM-based field programmable gate arrays (FPGAs) have been intensively studied in recent research studies. These topics include FPGA fault detection, FPGA fault diagnosis, FPGA defect tolerance, and FPGA fault tolerance. This paper provides a guided tour to the approaches related to these topics. These include techniques, which are applied to the FPGA and others which have been recently introduced and can be applied to today's FPGAs.     

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。     

Hybrid time and hardware redundancy to mitigate SEU effects on SRAM-FPGAs: Case study over the MicroLAN protocol

SRAM-based field programmable gate arrays (FPGAs) are particularly sensitive to single event upsets caused by high-energy space radiation. Single Event Upset (In order to successfully deploy the SRAM-FPGA based designs in aerospace applications, designers need to adopt suitable hardening techniques. In this paper, we describe novel hybrid time and hardware redundancy (HT&HR) structures to mitigate SEU effects on FPGA, especially digital circuits that are designed with bidirectional ports. The proposed structures that combine time and hardware redundancy decrease the SEU propagation mechanisms among the redundant hard units. Analysis results and fault injection experiments on some standard ISCAS benchmarks and MicroLAN protocol, as a case study over the bidirectional ports, show that the capability of tolerating SEU effects in HT&HR technique increases up to 70 times with respect to solely hardware redundant versions. On average, the proposed method provides 39.2 times improvement against single upset faults and 14.9 times for double upset faults; however it imposes about 14.7% area overhead. Also, for the considered benchmarks, HT&HR circuits become 8.8% faster on the average than their TMR versions.     

Some experiments about wave pipelining on FPGA's

Wave pipelining offers a unique combination of high speed, low latency, and moderate power consumption. The construction of wave pipelines is benefited by the use of gates and buffers with data-independent delays and the knowledge of the interconnection delays. These two features are present in several SRAM-based field programmable gate arrays (FPGA's): look-up tables (LUT's) allow the designer to mask the delay of different gates and combinational functions, and the timing characteristics of each wire segment are a priori known. This work describes a set of experiments about wave pipelining on FPGA's. The results show that a 13-LUT logic depth circuit mapped on an XC4005PC84-6 runs as high as 85 MHz (single phase clocking) or 80 MHz (intentionally skewed clocking), exhibiting a latency of 95 ns. This high throughput/latency ratio is unattainable using classic pipelining     

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。     

Signal processing at 250 MHz using high-performance FPGA's

This paper describes an application in high-performance signal processing using reconfigurable computing engines: a 250 MHz cross correlator for radio astronomy. Experimental results indicate that complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) field programmable gate arrays (FPGA's) can perform useful computation at 250 MHz. The notion of an “event horizon” for FPGA's leads to clear design constraints for high-speed application developers, and can be applied to a variety of real-time signal processing algorithms. Recent estimates indicate that higher performance FPGA's available early in 1998 can attain speeds of over 300 MHz using 20% fewer logic elements than current designs. The results of this design work provide important clues on how to improve FPGA architectures for signal processing at hundreds of MHz. Direct routing channels between logic elements can significantly increase performance. Routing architectures with four-way symmetry allow for rotations and reflections of subcircuits needed for optimal packing density. Experimental results indicate that clock buffering often limits the top speed of the FPGA. Wave pipelining of the clock distribution network may improve FPGA performance     

SRAM型FPGA单粒子翻转测试及加固技术研究

SRAM型FPGA空间应用日益增多,只有针对其特点设计相应的单粒子试验的测试程序才能系统、准确地获取该类芯片的单粒子翻转特性,为抗辐射加固设计提供依据.阐述了单粒子翻转的静态和动态的测试方法.静态测试包括硬件设计和配置位回读程序的设计;动态测试主要针对CLB(配置逻辑单元)和BRAM(块存储器)两部分进行了相应的软件测...