基于定向故障注入的SRAM型FPGA单粒子翻转效应评估方法

介绍了一种基于定向故障注入的SRAM型FPGA单粒子翻转效应评估方法。借助XDL工具,该方法解析了Virtex-4 SX55型FPGA的帧地址与物理资源之间的对应关系;将电路网表中的资源按模块分组,利用部分重构技术分别对电路整体及各分组相关的配置帧进行随机故障注入,以评估电路整体及其子模块的抗单粒子翻转能力;按模块分组对电路分别进行部分三模冗余(TMR)加固和故障注入实验,以比较不同加固方案的效果。实验结果表明:电路的抗单粒子翻转能力与其功能和占用的资源有关;在FPGA资源不足以支持完全TMR的情况下,该方法可以帮助设计者找到关键模块并进行有效的电路加固。     

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。     

单粒子翻转效应的FPGA模拟技术

随着半导体工艺节点遵循摩尔定律逐渐缩小,空间环境中辐射诱发的单粒子效应(Single Event Effect,SEE)对集成电路造成的影响却在不断增加.单粒子翻转(Single Event Upset,SEU)效应是最为普遍的单粒子效应,表现为电路存储单元和时序逻辑中的逻辑位翻转,在集成电路中常采用故障注入技术来模拟...     

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...     

Virtex FPGA抗单粒子翻转技术

SRAM型FPGA开发过程灵活,在航天领域有广泛的应用,但该系列FPGA易发生单粒子翻转事件,导致功能中断或信息丢失。配置刷新结合三模冗余能有效抑制单粒子翻转带来的影响。在详细讨论了配置刷新+三模冗余的基础上,提出了FPGA自主刷新+三模冗余的解决方案,保证FPGA抗单粒子性能的基础上提高了系统的资源利用率,经注错试验验证了方案可行性。     

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.     

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...     

基于FPGA的ASIC芯片抗辐射性能评估系统

针对航天电子控制系统对集成电路的抗辐射需求,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的全新架构的专用集成电路(ASIC)抗辐射性能评估系统。该系统基于FPGA高性能、高速度、高灵活性和大容量的特性,不仅具备传统芯片评估系统的能力,还具备精确判定失效事件发生时刻、被测ASIC时序、内部状态及大致的内部路径位置的能力。对该系统进行单粒子翻转(SEU)辐射试验,试验结果表明,在81.4 MeV·cm²·mg^-1的线性能量转移阈值下,该系统能自动判别没有发生SEU事件。目前,该系统已成功应用于自研高可靠性ASIC芯片抗辐射性能的评估。     

一种抗单粒子效应的加固技术研究

针对数字波控电路在星载控制电路应用中存在的单粒子翻转效应问题,提出了一种基于DICE单元的双稳态D触发器设计改进,设计了一种能够抵御众多类型单粒子翻转效应的D触发器,并基于该D触发器,结合电路级单粒子加固技术设计了一款串并转换芯片。测试表明,采用改进D触发器结构的波控芯片能够抵御至少80 MeV的单粒子效应事件。芯片峰值功耗不大于10 mA,写入速率不低于10 MHz,功耗为1 mW/MHz。     

单粒子效应加固及仿真验证技术研究

作为星载设备信号处理核心器件,SRAM FPGA的单粒子效应加固及加固方法验证始终备受关注。文中研究了三模冗余和动态刷新两种加固方法,并设计了故障仿真验证方法,试验应用故障注入技术,采用比对方法,成功对加固方法进行了验证。试验结果显示,文中设计的加固方法可提高抗单粒子性能。     

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...     

基于亿门级UltraScale+架构FPGA的单粒子效应测试方法

UltraScale+ 架构 FPGA 采用 16 nm Fin FET 工艺,功耗低且性能高,但存在粒子翻转阈值下降及多位翻转增多等风险。基于线性能量传输 (LET) 等效机理,选取⁷Li³⁺、¹⁹F⁹、³⁵Cl^11,14+、⁴⁸Ti^10,15+、⁷⁴Ge^11,20+、¹²⁷I^15,25+、¹⁸¹Ta、²⁰⁹Bi 8 种重离子进行直接电离单粒子试验,建立单粒子闩锁 (SEL)、翻转阈值、翻转截面及多位翻转的测定方法。结合 LET 通量及 Fin FET 结构下的注射倾角,搭建甄别单位翻转及多位翻转的识别算法,能够实时处理并实现粒子翻转状态及多位翻转数据的可视化监控。所涉及的单粒子效应 (SEE) 分析方法能够较为全面地评估该电路的抗辐照特性。     

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。     

基于FPGA芯片的抗单粒子翻转的动态刷新技术研究

在分析FPGA空间单粒子效应的基础上,为了实现星载电子设备运行的稳定性,研究FPGA的动态刷新原理,介绍了几种抗单粒子翻转方法,根据位流文件设计出用于动态刷新的指令并通过实例验证。通过FPGA定期从PROM中读取用户配置信息,动态刷新内部配置信息,从而减少FPGA配置存储器发生单粒子翻转的概率,提高星载电子设备运行的可靠性。     

基于TSV转接板的3D SRAM单粒子多位翻转效应

为了研究硅通孔(TSV)转接板及重离子种类和能量对3D静态随机存储器(SRAM)单粒子多位翻转(MBU)效应的影响,建立了基于TSV转接板的2层堆叠3D封装SRAM模型,并选取6组相同线性能量传递(LET)值、不同能量的离子(¹¹B与^4He、²⁸Si与¹⁹F、⁵⁸Ni与²⁷Si、⁸⁶Kr与⁴⁰Ca、¹⁰⁷Ag与⁷⁴Ge、¹⁸¹Ta与¹³²Xe)进行蒙特卡洛仿真。结果表明,对于2层堆叠的TSV 3D封装SRAM,低能离子入射时,在Si路径下,下堆叠层SRAM多位翻转率比上堆叠层高,在TSV(Cu)路径下,下堆叠层SRAM多位翻转率比Si路径下更大;具有相同LET值的高能离子产生的影响较小。相比2D SRAM,在空间辐射环境中使用基于TSV转接板技术的3D封装SRAM时,需要进行更严格的评估。     

反熔丝型FPGA单粒子效应及加固技术研究

在当今复杂电磁环境和强干扰的条件下,航空和航天装备的信号处理器件的逻辑可能产生意外翻转而产生功能失效,甚至导致系统工作状态异常,因此器件的可靠性至关重要.反熔丝型FPGA（现场可编程门阵列）因其低功耗、高可靠性、高保密性等特点,广泛应用于航空航天的电子系统中.文章在介绍反熔丝型FPGA的基本结构的基础上,对反熔丝型FPGA单粒子效应（SEE）进行了详细分析,提出了相应的SEE加固设计措施及实现方法.通过重离子地面加速试验对加固设计方法进行验证,试验结果及分析表明,加固设计方法可以有效提高商用现货（COTS）反熔丝型FPGA的可靠性,可以为同类型的电子系统设计提供有价值的参考.     

嵌入式存储器空间单粒子效应失效率评估方法研究

嵌入式存储器易受到空间单粒子效应(Single-Event Effects, SEE)的影响。该文提出了一种单粒子效应失效率评估的方法,包含了单粒子翻转和单粒子瞬态扰动等效应对嵌入式存储器不同电路单元的具体影响,可对不同存储形式、不同容错方法的嵌入式存储器单粒子效应失效率进行定量评估。该文提出的评估方法在中国科学院电子学研究所自主研制的嵌入式可编程存储器试验芯片上得到了验证,地面单粒子模拟实验表明该文方法预测的失效率评估结果与实验测试结果的平均偏差约为10.5%。     

DSP处理器单粒子翻转率测试系统的研制

航天器及其内部元器件在太空中会受到单粒子效应(SEE)带来的威胁,因此航天用电子器件在装备前必须进行抗SEE能力的测试评估。针对传统测试方法存在的测试系统程序容易在辐照过程崩溃、统计翻转数不准确、单粒子闩锁(SEL)辨别不清晰和忽略内核翻转统计等问题,设计了一种测试系统,通过片外加载与运行程序从而减少因辐照导致片内程序异常的现象;通过片外主控电路统计被测电路翻转数使统计翻转结果准确;通过主控电路控制被测电路时钟供给排除因频率增加导致电流过大而误判发生SEL的情况;通过内核指令集统计内核翻转数。实验结果表明,该测试系统可以实时全面地监测数字信号处理器(DSP)的SEE,并有效防止辐照实验器件(DUT)因SEL而失效。     

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。