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。     

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SEM IP和部分重配置的SRAM型FPGA单粒子故障注入

SEM IP(Soft Error Mitigation软错误缓解核)是对SRAM FPGA设计进行单粒子故障注入的一种有效方法.然而由于目标设计与SEM IP部分随机布局布线在一块芯片上,导致进行故障注入时很有可能会打翻SEM IP所使用的配置寄存器而导致故障注入停止工作,同时对于目标设计失效率统计不准确.为解决这一问题,基于SEM IP和部分重配置技术开发了一套单粒子故障注入原型系统用于单粒子故障注入实验.该方法将SEM IP和目标设计布局布线到芯片的不同区域,能够只对目标设计所在区域进行故障注入并且不中断目标设计运行,并且在发生不可纠正错误后对目标设计所在区域进行部分重新配置,配置数据更少,用时更短,系统故障的注入效率大大提高,提高对于目标设计软错误失效率估计的准确性.       

一种SRAM型FPGA单粒子故障注入实验集的筛选方法

针对目前单粒子故障注入实验中存在的故障注入位置盲目导致的效率低下、耗费大量的时间人力成本从而难以在工程项目中推广的问题, 提出一种SRAM型FPGA故障注入实验集的筛选方法用来指导单粒子故障注入.该方法剖析SRAM型FPGA芯片结构, 归纳单粒子故障的时间特性, 确定单粒子故障模式; 并结合具体FPGA设计的资源占用情况、资源特性、资源连接关系等给出故障注入实验集的筛选和优先级排序方法; 搭建单粒子故障注入原型系统对所提方法进行了工程验证.结果表明提出的单粒子故障注入实验集的筛选和优先级排序方法正确、有效, 能快速定位出设计中与功能密切相关的配置位, 缩短故障注入的时间成本, 使得故障注入方法广泛应用于实际工程成为可能.       

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...     

基于Xilinx型FPGA系统单粒子效应评估方法研究

Virtex-5系列芯片没有官方提供的专用软错误缓解（Soft Error Mitigation,SEM）IP核,需自行设计故障注入系统.本文选用XC5VFX130T型现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）芯片利用单帧部分重构功能达到等同于SEM IP故障注入效果,实现对FPGA电路系统的抗单粒子翻转能力评估测试.利用逐位注入故障模式对XC5VFX130T型FPGA的配置位逐个注入故障,获得待评估电路的敏感配置位信息;对待测电路进行三模冗余防护加固,利用累积故障注入模式连续随机注入模拟单粒子辐照试验环境,得到待评估电路的功能中断截面,进而实现对基于XC5VFX130T型FPGA系统的抗单粒子翻转加固效果的评估.研究表明,基准电路（移位寄存器链等）评估得到的功能中断截面与实际辐照试验中的功能中断截面曲线变化一致,为机载电子的单粒子效应适航评估提供了支持.     

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。     

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试程序设计;并结合工程给出了解决单粒子翻转的主要加固方法.此试验得到了该类芯片的单粒子翻转截面,对在地面上进行FPGA的可靠性评估具有重要意义.     

空间辐射效应对SRAM型FPGA的影响

以Xilinx的FPGA为例,结合相关试验数据,分析了空间总剂量效应、单粒子翻转、单粒子闩锁、单粒子功能中断、单粒子烧毁、单粒子瞬态脉冲和位移损伤等辐射效应对SRAMFPGA器件的漏极电流、阚值电压、逻辑功能等影响。分析了辐射效应的机理以及FPGA的失效模式。文章可以为SRAM型FPGA在航天领域中的应用提供参考。     

SRAM单元单粒子翻转效应的电路模拟

在三维器件数值模拟的基础上,以经典的双指数模型为原型通过数值拟合得到了单粒子效应瞬态电流脉冲的表达式,在理论分析的基础上,引入了描述晶体管偏压和瞬态电流关系的方程,并将其带入电路模拟软件HSPICE中进行SRAM存储单元单粒子翻转效应的电路模拟,最后分别使用电路模拟和混合模拟两种方法得到了存储单元的LET阈值,通过在精度和时间开销上的对比,验证了这种模拟方法的实用性.     

基于FPGA的三模冗余容错技术研究

基于SRAM的FPGA对于空间粒子辐射非常敏感,很容易产生软故障,所以对基于FPGA的电子系统采取容错措施以防止此类故障的出现是非常重要的。三模冗余（TMR）方法以其实现的简单性和效果的可靠性而被广泛用于对单粒子翻转（SEU）进行容错处理。但传统TMR方法存在系统硬件资源消耗较多且功耗较大等问题。总结了传统TMR方法存在的问题,分析了一些近年来出现的改进的TMR方法的优劣,针对其存在问题指出了改进策略,并展望了TMR技术的发展趋势。     

Evaluating Different Solutions to Design Fault Tolerant Systems with SRAM-based FPGAs

The latest SRAM-based FPGA devices are making the development of low-cost, high-performance, re-configurable systems feasible, paving the way for innovative architectures suitable for mission- or safety-critical applications, such as those dominating the space or avionic fields. Unfortunately, SRAM-based FPGAs are extremely sensitive to Single Event Upsets (SEUs) induced by radiation. SEUs may alter the logic value stored in the memory elements the FPGAs embed. A large part of the FPGA memory elements is dedicated to the configuration memory, whose content dictates how the resources inside the FPGA have to be used to implement any given user circuit, SEUs affecting configuration memory cells can be extremely critics. Facing the effects of SEUs through radiation-hardened FPGAs is not cost-effective. Therefore, various fault-tolerant design techniques have been devised for developing dependable solutions, starting from Commercial-Off-The-Shelf (COTS) SRAM-based FPGAs. These techniques present advantages and disadvantages that must be evaluated carefully to exploit them successfully. In this paper we mainly adopted an empirical analysis approach. We evaluated the reliability of a multiplier, a digital FIR filter, and an 8051 microprocessor implemented in SRAM-based FPGA’s, by means of extensive fault-injection experiments, assessing the capability provided by different design techniques of tolerating SEUs within the FPGA configuration memory. Experimental results demonstrate that by combining architecture-level solutions (based on redundancy) with layout-level solutions (based on reliability-oriented place and route) designers may implement reliable re-configurable systems choosing the best solution that minimizes the penalty in terms of area and speed degradation.     

Mitigating soft errors in SRAM-based FPGAs by decoding configuration bits in switch boxes

This paper proposes a new switch box architecture in SRAM-based FPGAs to mitigate soft errors. In this switch box architecture, the number of SRAM bits required for programming the switch box is reduced to 67% without any impact on routing capability of the switch box. This architecture does not require any modification of the existing placement and routing algorithms. The architecture was evaluated on several MCNC benchmarks using the VPR tool. Experimental results show that this architecture decreases the susceptibility of switch boxes to SEUs by about 20% on average compared to the traditional ones.     

基于三模冗余架构的集成电路加固设计

随着科技的发展,人类对太空领域的研究会越来越多,对于航天器件的要求也会越来越高,其中可靠性是航天器件一个重要的指标.空间辐射环境中的高能粒子引发的单粒子翻转事件严重影响星载电子系统的可靠性.现有的抗辐照设计多集中在工艺库和版图的加固上,但是要完全的抑制单粒子故障的产生是不现实的.克服了现有技术中存在的不足,提供了一种基于三模冗余的电路架构,利用冗路架构去屏蔽已发生故障对整个电路的影响,使得整个电路的抗辐照性能得到极大地提升.     

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。     

辐照加固SRAM型FPGA总剂量辐射效应研究

在航天辐射环境中,电离辐射产生的辐射效应会对电子元器件性能产生影响。文章对自主研发的SRAM型FPGA芯片在60Co-γ源辐照下的总剂量辐射效应进行了研究。实验表明：（1）总剂量累积到一定程度后功耗电流线性增大,但只要功耗电流在极限范围内,FPGA仍能正常工作;（2）SRAM型FPGA在配置过程中需要瞬间大电流,故辐照后不能立即配置;（3）总剂量辐照实验时,功耗电流能直观反映器件随总剂量的变化关系,可作为判断器件失效的一个敏感参数。该研究为FPGA的设计提供了基础。     

一种抗SEU存储器电路的FPGA设计

为了改善星载存储器的抗SEU性能,增加星载存储器在空间使用的灵活性,文中基于ACTEL公司的ProAsic系列A3P400FPGA并采用扩展汉明码和TMR两种检错纠错方法相结合的方式,同时使用可变内存配置方案,设计了一种新型的抗SEU存储器电路。与传统的EDAC芯片相比,本设计不仅可以对出错数据进行修正而且还可以实时的进行回写。     

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。