SRAM型FPGA空间应用的抗单粒子翻转设计

SRAM型FPGA容易受到空间辐射环境引起的单粒子翻转(SEU)的影响,造成FPGA逻辑错误和功能中断,因此空间应用时必须对其进行抗单粒子翻转加固设计,提高其空间应用的可靠性。文章综述了几种FPGA抗单粒子翻转的设计方法,包括三模冗余设计、动态刷新设计和动态部分可重构设计等。利用构建的测试系统,验证以上多种FPGA抗单粒子翻转设计方法的工程可实施性。     

一种面向航天应用的高可靠FPGA设计架构研究

SRAM型FPGA广泛应用于航天领域,但在空间环境中容易发生单粒子翻转事件(SEU),影响系统正常功能。文章在分析以往SRAM型FPGA系统设计的不足后提出了一种采用三模冗余架构(TMR)并对FPGA配置区域进行刷新重载的解决方案,采用马尔可夫模型对该设计方案进行了可靠性评估和仿真。结果表明,采用该架构的FPGA设计具有较高的可靠性与安全性,可实现宇航用FPGA的长期稳定运行。     

航天用SRAM型FPGA抗单粒子翻转设计

采用SRAM工艺的FPGA因其性能优异,在空间领域的应用受到重视;但是在空间环境中,SRAM型FPGA易受单粒子翻转的影响而导致逻辑故障或功能中断。文章提出对该类芯片的配置逻辑部分采用回读比较后刷新、对其BRAM部分采用通用自纠错宏的抗单粒子翻转（SEU）设计方案,在牺牲一定的器件性能的情况下,能达到较好的抗辐射效果。     

SRAM型FPGA单粒子效应测试方法及试验验证

针对空间用SRAM型FPGA器件抗单粒子效应性能全面测试评估的要求,研究内部不同资源电路结构的单粒子效应敏感性及测试方法,利用重离子加速器开展抗辐射加固SRAM型FPGA单粒子效应模拟辐照试验,对配置存储器、块存储器、触发器等敏感单元的单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子锁定特性进行研究。试验结果表明,所提出测试方法能有效地覆盖测试SRAM型FPGA单粒子效应敏感资源,所测试抗辐射加固SRAM型FPGA器件具有良好的抗单粒子锁定性能,但对单粒子翻转和单粒子功能中断非常敏感,静态测试模式下对单粒子翻转更为敏感。有关测试方法和结果可以为SRAM型FPGA的单粒子效应评估及防护提供参考。     

采用SRAM-FPGA星载测控设备抗SEU策略

随着软件无线电技术的发展,SRAM型FPGA在星载测控设备中应用越来越广泛。而太空辐射环境中存在的高能粒子极易使其产生单粒子翻转效应,导致系统运行异常或功能中断。分析传统SRAM型FPGA抗单粒子翻转策略的局限性,在结合测控任务特点的基础上,提出底层刷新与应用层预判重载的综合解决方案,并给出实现方法和流程图。通过高能离子试验和实际在轨应用验证,在确保一定性能的前提下,卫星自主发现故障并恢复至正常的概率在99%以上,能达到较好的抗单粒子翻转效果。     

SRAM型FPGA单粒子效应试验研究

针对军品级SRAM型FPGA的单粒子效应特性,文中采用重离子加速设备,对Xilinx公司Virtex-II系列可重复编程FPGA中一百万门的XQ2V1000进行辐射试验。试验中,被测FPGA单粒子翻转采用了静态与动态两种测试方式。并且通过单粒子功能中断的测试,研究了基于重配置的单粒子效应减缓方法。试验发现被测FPGA对单粒子翻转与功能中断都较为敏感,但是在注入粒子LET值达到42MeV·cm 2/mg时仍然对单粒子锁定免疫。本文对翻转敏感度、测试方法与减缓技术进行了讨论,试验结果说明SRAM型FPGA对单粒子效应比较敏感,利用重配置技术的减缓方法能够有效降低敏感度,实现空间应用。
     

基于CYCIAE-100中能质子回旋加速器的单粒子效应敏感度评估

针对基于SRAM型FPGA实现的系统的单粒子效应敏感度评估,采用北京放射性核束装置CYCIAE-100回旋加速器提供的中能质子进行辐照试验研究。以典型SRAM型FPGA器件XC4VSX55为试验样品,获得其本征单粒子翻转截面以及特定应用下的翻转位数与功能错误数的比例关系;并将结果与在瑞士PSI质子辐照装置获得的试验结果进行比较。此外,提出针对基于SRAM型FPGA实现的系统的两步骤单粒子翻转敏感度评估方法,可以定量评估器件在轨功能错误数。本工作同时表明CYCIAE-100提供的长射程的质子,对于倒装器件的单粒子翻转敏感度评估具有重要价值。     

面向航天应用的高可靠性FPGA动态局部重构

在航天应用中,FPGA的单粒子翻转是影响航天器功能和寿命的重要因素,目前,部分航天产品使用定时重加载的方式避免单粒子效应的积累和影响,但是重加载的过程会导致全部FPGA逻辑中断,极大影响航天器功能的持续性。因此,文章提出了一种适用于航天的FPGA动态局部重配置系统,在阐述了FPGA动态局部重配置技术的原理和航天应用前景后,详细说明了其设计流程、硬件电路板架构和控制软件框图。通过板级试验验证了系统功能,采用示波器对结果进行了测试,证明该系统设计的高可靠性。FPGA动态局部重配置技术,既提高了FPGA的可靠性,又保证了FPGA部分关键功能的持续性。     

一种SRAM型FPGA内嵌CPU软核的SEU效应防护设计与验证

SRAM型FPGA内嵌CPU软核开发成本低、开发过程灵活,可以替代独立的DSP或CPU器件,执行星载设备核心控制功能。但这种内嵌CPU软核容易受到空间单粒子翻转效应(SEU)的影响。SEU可能导致内嵌CPU软核的硬件或软件故障,对其在轨应用影响较大。提出一种针对SRAM型FPGA内嵌CPU软核的SEU防护方案,通过"三模冗余+动态刷新"对CPU软核的硬件结构进行防护,通过冗余自刷新模块替换对CPU软核的存储区进行防护。该方案经过了软件注错验证及粒子辐照试验验证,证明其能够有效提高SRAM型FPGA内嵌CPU软核对SEU的容错能力。     

基于FPGA架构的高可靠在轨重构系统设计

航天设备与地面设备相比，制造成本高，对空间环境的适应性要求也高。为了延长航天器寿命，提高其在轨工作的可靠性，需要考虑航天器在空间环境下的可维护性需求。针对航天资产在轨软件实现功能维护的需求，研究空间环境应用背景下的高可靠在轨可重构技术。基于FPGA芯片在航天器领域中应用的广泛性、灵活性及可靠性，设计了一种FPGA架构下的高可靠在轨重构系统。该系统的优势在于充分利用星载设备中普遍使用的“SRAM型FPGA+反熔丝FPGA”的硬件架构，在实现SRAM型FPGA动态刷新功能的基础上仅通过软件更改来增加在轨重构功能，极大降低了硬件更改的成本，扩展了可重构功能的应用范围。在某航天器星载设备中应用该在轨重构系统，通过实际飞行经历，验证了该架构系统设计方案的可行性、可扩展性及可靠性。     

XQR2V3000 FPGA单粒子翻转率在轨探测研究

通过搭载在某MEO、IGSO轨道卫星上的单粒子探测器对XQR2V3000 FPGA配置存储器进行了在轨单粒子翻转探测。利用一种基于复位计数统计的FPGA配置存储器单粒子翻转的监测方法，并对在2016年太阳活动平静期以及2017年9月6日太阳耀斑爆发期的2颗MEO卫星以及1颗IGSO卫星的XQR2V3000 FPGA配置存储器单粒子翻转次数进行统计，依据卫星轨道根数获得了翻转事件的空间分布。结果表明，在太阳平静期，设备等效铝屏蔽厚度为6 mm的情况下，处于MEO轨道和IGSO轨道的XQR2V3000配置存储器单粒子翻转率分别为 0.513 次/(器件·天)和0.491次/(器件·天)，分别为CREME96模型预测结果的22.4%和16.9%，两种轨道的翻转率相当。在太阳耀斑爆发期间，MEO与IGSO轨道单粒子翻转率分别上升为2.5次/(器件·天)和 5次/(器件·天) ，比平静期高了一个数量级。试验所得的单粒子翻转率可为相同轨道卫星电子设备单粒子翻转率的预示提供有效的参考。     

SRAM FPGA电离辐射效应试验研究

针对SRAM FPGA空间应用日益增多,以100万门SRAM FPGA为样品,进行了单粒子效应和电离总剂量效应辐照试验。单粒子试验结果是:试验用粒子最小LET为1.66 MeV·cm2/mg,出现SEU（单粒子翻转）;LET为4.17 MeV·cm2/mg,出现SEFI（单粒子功能中断）,通过重新配置,样品功能恢复正常;LET在1.66～64.8 MeV?cm2/mg范围内,未出现SEL（单粒子锁定）;试验发现,随SEU数量的累积,样品功耗电流会随之增加,对样品进行重新配置,电流恢复正常。电离总剂量辐照试验结果是:辐照总剂量75 krad(Si)时,2只样品功能正常,功耗电流未见明显变化。辐照到87 krad(Si)时,样品出现功能失效。试验表明SRAM FPGA属于SEU敏感的器件,且存在SEFI。SEU和SEFI会破坏器件功能,导致系统故障。空间应用SRAM FPGA必须进行抗单粒子加固设计,推荐的加固方法是三模冗余（TMR）配合定时重新配置（Scrubbing）。关键部位如控制系统慎用SRAM FPGA。     

Xilinx FPGA自主配置管理容错设计研究

针对SRAM型FPGA在空间辐射环境下容易受到单粒子效应影响的问题,在分析可重配置的Xilinx FPGA的结构和故障模式的基础上,提出一种基于自主配置管理的Xilinx FPGA容错设计方案。综合运用诸如逻辑电路三模冗余、块存储器EDAC校验、动态回读、动态局部重配置及周期全局重配置等方法实现故障的屏蔽、检测和修复。该方案覆盖了FPGA的各种单粒子效应故障模式,并且在芯片内部实现了自主配置管理,具有体积小、成本低、可靠性高的特点。     

赛灵思静态随机存储器型FPGA单粒子翻转检测

以XILINX XC2V3000现场可编程门阵列（FPGA）为例,分别通过ICAP和Selectmap接口对配置存储器进行回读检测,并通过局部动态重构的方法实现了故障注入,对单粒翻转（SEU）检测方法进行验证。结果证明回读与重配置是进行FPGA抗SEU设计的有效方法。     

SOI工艺抗辐照SRAM型FPGA设计与实现

为提升SRAM型FPGA电路块存储器和配置存储器抗单粒子翻转性能，本文提出一种脉冲屏蔽SRAM单元结构。该结构通过在标准的六管单元中加入延迟结构,增大单元对单粒子事件响应时间，实现对粒子入射产生的脉冲电流屏蔽作用。以64k SRAM作为验证电路进行单粒子翻转性能对比，电路的抗单粒子翻转阈值由采用标准六管单元的抗单粒子翻转阈值大于25 MeV·cm 2·mg -1 提升至大于45 MeV·cm 2·mg -1 ，加固单元面积较标准六管单元增大约21.3%。30万门级抗辐照FPGA电路通过脉冲屏蔽单元结合抗辐照SOI工艺实现，其抗辐照指标分别为：抗单粒子翻转阈值大于37.3 MeV·cm 2·mg -1 ，抗单粒子锁定阈值大于99.8 MeV·cm 2·mg -1 ，抗电离总剂量能力大于200 krad(Si)。     

Virtex-4系列FPGA纠正单粒子翻转的方法研究

Virtex-4系列FPGA空间应用中易发生单粒子翻转事件,对设备正常功能的完成带来不良影响。文章给出了单粒子翻转的原理。为解决FPGA单粒子翻转问题,结合工程实践对FPGA抗单粒子3种方法进行了分析和比对,提出了“配置存储区回读CRC结果比对”为最优方法,并给出了示例。同时文章也对FPGA回读及擦洗配置命令序列等关键技术进行了研究。     

基于SRAM的FPGA片上容错技术

针对基于SRAM的FPGA的结构特点，对三模冗余进行了改进，提高了可靠性。提出了一种有多个重构模块可以容忍多个故障的局部重构方法，阐述了其实现方法，并做了性能分析，运用此方法设计了自主研发项目中的遥测、遥控电路，并在美国Xilinx公司的Virtex系列FP-GA上演示了其实施过程。