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。     

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。     

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)。     

SRAM的SEU效应及加固技术三维数值模拟

利用TCAD软件,构建了特征尺寸为0.18μm的三维器件模型,采用器件与电路联合仿真的方法,对重离子在静态随机存储器(SRAM)中引起的单粒子翻转(SEU)效应进行了模拟,分析了SRAM单粒子翻转的机理。仿真了各种阻值的反馈电阻对SRAM抗SEU的效果,确定了SRAM单元抗SEU反馈电阻的阻值。仿真结果表明,搭建的仿真平台可为加固型SRAM电路的研制提供仿真平台和设计依据。     

SRAM单元的单粒子效应三维敏感区形状参数模拟仿真方法

为揭示静态随机存储器（SRAM）辐射效应以及内部电荷收集变化规律,从而为器件辐射效应及加固提供有效的仿真数据支撑,针对器件在轨单粒子翻转（SEU）,提出一种SRAM单元的三维敏感区形状参数模拟仿真方法。首先通过器件级和电路级仿真相结合的手段,利用计算机辅助设计（TCAD）构建三维模型;然后通过仿真获得重离子从不同方向入射后的单粒子瞬态电流,将此电流作为故障注入到65 nm SRAM单元的电路级模型中仿真SEU;最终得到65 nm SRAM单元的单粒子效应（SEE）三维敏感区形状参数。     

一种双模互锁的容软错误静态锁存器

针对太空环境下粒子辐射引发的软错误已经成为芯片失效的主导原因,提出一种容软错误锁存器结构——DIL\|SET。该结构在内部构建基于C单元的双模互锁结构,针对单事件翻转进行防护。ISCAS\|89标准电路在UMC 018μm工艺下的实验表明,使用DIL\|SET代替未经加固的静态锁存器,面积开销增加499%～5347%,软错误率平均下降99%以上。
     

大容量抗辐射加固SRAM器件单粒子效应试验研究

针对宇航用大容量SRAM器件抗单粒子效应性能的试验评估需要,利用重离子加速器对抗辐射加固32 M Bulk CMOS工艺SRAM和16 M SOI CMOS工艺SRAM进行了单粒子效应模拟试验研究,获得SRAM器件单粒子效应特性并进行在轨翻转率预估;对单粒子翻转试验中重离子射程的影响,不同SEU类型的翻转截面差异,在轨翻转率预估的有关因素等进行了分析讨论。结果表明,这2款抗辐射加固SRAM器件都达到了较高的抗单粒子效应性能指标。试验结果可以为SRAM器件的单粒子效应试验评估提供参考。     

一款新研制ASIC器件的单粒子效应检测与故障定位

针对一款国产新研ASIC器件抗单粒子能力评估的需要,研制了ASIC器件单粒子效应检测系统。通过单粒子效应评估试验,得到了该器件在Kr离子辐照下的单粒子翻转数据。采用故障树分析和电路仿真技术,对ASIC器件内部单粒子翻转敏感模块进行定位。研究成果可为器件厂家后续设计改进和卫星型号系统级抗辐射加固设计提供依据。     

静态存储器单粒子翻转率预示的在轨验证

SRAM型FPGA配置区的单粒子翻转可能对系统的功能产生严重的影响,因此必须进行针对性的加固措施,而加固的重要依据之一是在轨翻转率结果。文章将地面获得的Hitachi 4Mb SRAM HI628512单粒子翻转率预示结果与搭载在极轨卫星SAC-C等上的飞行试验的结果进行了比较。分析表明基于国内地面试验数据和FOM方法预示的在轨翻转率与国外的在轨监测数据接近,多位翻转的试验结果也得到了在轨试验数据的验证。这些结果表明我国在单粒子翻转的模拟试验技术和在轨翻转率预示方面取得了相当的进展,可以为卫星电子系统抗辐射加固设计提供有力的保障。     

星载BX1750A芯片抗单粒子翻转性能评估

用软件包和FOM方法分别计算了BX1750A芯片在三种太阳同步轨道以及不同宇宙环境下的单粒子翻转率。根据器件及单片机系统在轨单粒子翻转率与“零翻转”可靠度的关系，量化地评估了该芯片及所属系统应用于不同飞行任务时的抗单粒子翻转(SEU)性能。分析结果表明，BX1750A芯片抗单粒子效应的性能较高，可作为低太阳同步轨道3年或5年寿命卫星关键计算机系统的选用芯片。同时为确保系统SEU零失效，有必要采取软件和其他加固措施。     

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。     

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。
     

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 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。     

一种检测和校正存储器双错的低冗余加固方法

为了提高宇航用存储器的抗单粒子翻转能力,本文对传统的单错误修正、双错误探测（Single Error Correction and Double Error Detection, SEC DED）码的构造进行了改进和优化,给出了构建单错校正、双错检测、相邻双错校正（Single Error Correction, Double Error Detection and Double Adjacent Error Correction, SEC DED DAEC）码奇偶校验矩阵的构造规则。通过适当地增加奇偶校验矩阵列向量的权重和、改变奇偶校验矩阵列向量顺序的方式,提出了一种具有新特征结构的SEC DED DAEC码,它可以修正任意相邻两位错误。实验结果表明,提出的SEC DED DAEC码是一种有效的宇航用存储器抗单粒子翻转加固措施,其冗余开销基本与传统的SEC DED码相同,误码率低于国际同类文献的结果。     

基于改进型(14,8)循环码的SRAM型存储器多位翻转容错技术研究

SRAM型存储器空间应用通常采取纠一检二(SEC-DED)的方法,克服空间单粒子翻转(SEU)对其产生的影响。随着SRAM型存储器工艺尺寸的减小、核心电压的降低,空间高能粒子容易引起存储器单个基本字多位翻转(SWMU),导致SEC-DED防护方法失效。在研究辐射效应引起的SRAM型存储器多位翻转模式特点的基础上,提出一种基于改进型(14,8)循环码的系统级纠正一位随机错和两位、三位突发错同时检测随机两位错(SEC-DED-TAEC)的系统级容错方法。基于该方法的存储器系统容错设计具有实现简单、实时性高的特点,已成功应用于某型号空间自寻的信息处理系统。仿真试验及实际应用表明,该方法可以有效防护SRAM型存储器件SWMU错误,有效提高了空间信息处理系统可靠性,可以为其它空间电子系统设计提供参考。     

一种串并转换器件单粒子效应试验研究

针对型号用新型器件抗辐射能力评估的需要,研制了串并转换器件单粒子效应检测系统,并对卫星型号中准备使用的一款26位串并转换器件进行了单粒子效应评估试验,得到了器件抗单粒子锁定的阈值,并发现该器件在单粒子辐照下会出现连续位输出错误。结合器件版图、结构分析了单粒子效应造成连续位错误的原因,为器件厂家后续设计改进和卫星型号进行系统级抗辐射加固设计提供了依据。     

空间DSP信息处理系统存储器SEU加固技术研究

当前以高性能DSP为核心的信息处理系统被广泛应用于空间飞行器电子系统 中。DSP系统为实现大数据量信息处理,通常需要扩展其外部存储器。而存储器件在空间应 用中容易发生单粒子翻转（SEU：Single Event Upset）,使得存储器件中数据发生改变, 从而导致系统计算结果错误,甚至可能导致系统功能失效。在介绍信息处理系统存储器件SE U机理的基础上,针对DSP信息处理系统存储器的结构特点,提出了一种基于“反熔丝型PROM +TMR加固设计FLASH+EDAC加固设计SRAM”结构的存储器SEU加固设计方案,并进行了原型实 现。实验分析表明该设计具有较好的抗SEU性能和较强的实时性,可以为同类型的空间信息 处理系统设计提供参考。
     

宇航用SRAM存储器单粒子效应试验研究

用高能重离子加速器对宇航用典型静态随机(SRAM)存储器进行了单粒子效应模拟试验研究.给出了测试系统、试验样品、辐射源、试验方法及条件,以及所得单位注量重离子引起的单粒子翻转发生次数-线性能量传输值(σLET)曲线.讨论了重离子单粒子翻转率预估方法和F()M法,并用后者预估了典型GEO轨道上器件的空间单粒子翻转率.     

一种基于FPGA的抗辐射加固星载ASIC设计方法

针对静态随机存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)空间应用的问题,提出了基于FPGA星载抗辐射加固专用集成电路(ASIC)设计的全流程,并重点对扫描链设计、存储器内建自测试、自动向量生成、ASIC封装设计、散热设计、加电振动试验等关键点的设计方法和注意事项进行了介绍。通过设计、测试、封装、试验,实现了基于静态随机存储器型FPGA转化为抗辐射加固ASIC。ASIC抗辐射总剂量大于100krad(Si),抗单粒子闩锁(SEL)阈值大于75 MeV·cm~2/mg,抗单粒子翻转(SEU)阈值大于22 MeV·cm~2/mg,满足空间应用的要求,具有很好的应用前景。