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        单粒子翻转引起SRAM型FPGA的故障机理阐述

        2020年01月26日 16:31 ? 次阅读

        0 引言

        随着半导体技术的高速发展,大规模集成电路变得更加复杂,开发周期变得更长。FPGA由于具备可编程性,其广泛应用可以降低电路的开发成本。然而,单粒子翻转(SEU)会使FPGA内部的大量的存储器变得不可靠,尤其是Static RAM(SRAM)型FPGA的配置存储器受到重离子轰击时,会导致器件逻辑布线出错,进而引起??楣收?,甚至导致整个系统的功能中断。对于SRAM型FPGA,配置存储器的单粒子翻转占整个器件翻转总数的90%以上的比例[1],因此对配置存储器的单粒子翻转防护十分重要。

        目前也有一些方法可以对抗SEU。三模冗余(Triple Modular Redundancy,TMR)是一种常用的有效加固设计,可以有效提高可靠性。TMR的每一个冗余支路可以屏蔽一个错误,但无法处理多比特翻转,尤其是3倍资源的消耗也会影响整个器件的运行功耗。为了减少资源的消耗,文献[2]提出了一种基于双模冗余(Double Modular Redundancy,DMR)的检错电路,它以较小的资源代价来处理多比特翻转;文献[3]提出了一种星载信号处理平台结构,利用高可靠性的反熔丝Actel FPGA对Xilinx V4系列 FPGA进行监控和刷新;文献[4]介绍了FPGA的刷新设计要处理Half-latch,来避免回读无法发现的错误;文献[5]介绍了一种高效的加固测试的方法;文献[6]提出了基于ZYNQ加固的技术。

        随着技术的发展,功能??榈募啥戎鸾ヌ岣?,Xilinx公司Kintex-7系列FPGA是当下较为普遍的处理器,而对其的单粒子防护变得更为迫切。为了提高可靠性,有效对抗空间辐射引起的故障,本文提出了一种基于高可靠性反熔丝Actel FPGA对Xilinx Kintex-7 FPGA进行回读、校验和刷新的处理平台。

        1 空间辐射

        空间中的电子器件,会受到空间中大量高能辐射粒子(质子、电子、α粒子、重离子、γ射线等)的作用,高能粒子对半导体器件PN结的碰撞,在重粒子的运动轨迹周围形成电荷被PN节灵敏电极收集形成瞬态电流,当瞬态电流超过一定值就会触发逻辑电路,将造成半导体存储器或触发器的翻转、逻辑功能的瞬时异?;蛑卸?,即单粒子效应。

        根据单粒子效应的产生机理,可以对航天应用中的集成电路芯片进行加固,以减少单粒子效应对系统功能的影响。对于单粒子效应的加固,从加固方法上可将其分为工艺上加固和功能上加固两大类。

        工艺上的加固指的是采用抗辐射能力强的工艺和材料,制造出具有较高抗辐射能力的器件,例如宇航级的器件,它本身就进行了辐射加固设计。功能上的加固是指通过复位或者重写操作对器件进行修复,将单粒子效应引起的错误逻辑进行纠正,从而达到抗辐射的目的。

        2 研究现状

        美国的好奇号探测器、金星快车探测器均使用Xilinx公司的宇航级FPGA,目前该公司的抗辐射FPGA产品如Virtex-4QV(以下简称V4)被认为是用于空间应用的成熟处理器。但其高昂的价格和较长的采购周期提高了国内相关领域的研究成本。Xilinx制造的Kintex-7(以下简称K7) FPGA具有低功耗高性价比的优点,并且可用资源比抗辐射的V4有较大优势,表1比较了V4(具体型号为XQ4VSX55)和K7(具体型号为XC7K32ST)两款芯片的主要参数[7]。

        单粒子翻转引起SRAM型FPGA的故障机理阐述

        XC7K325T的逻辑单元是XQ4VSX55的5.9倍,DSP资源是它的1.6倍,丰富的资源提供了复杂信号处理的解决能力,同时为系统的小型化设计提供了可靠的解决方案。

        XC7K325T和XQ4VSX55均采用SRAM型结构,其主要硬件组成为:可配置存储器(Configurable Memory)、可编程逻辑单元(Configurable Logic Block)、可编程输入输出口(Programmable IO)、块存储器(BlockRAM)、乘法器(MulTIplier)、数字时钟管理??椋―igital Clock Manager)、配置状态机(ConfiguraTIon State Machine)、上电复位状态机(Power On Reset State Machine)、布线资源(RouTIng Resource)。

        由于采用SRAM型结构,通过相关实验表明,FPGA故障多数是由可配置存储器发生单粒子翻转(SEU)引起的[8]??膳渲么娲⑵骺刂谱臚PGA设计中的控制位(Control Bit)、查找表(Look Up Table)、开关矩阵(MulTIplexiers)、可编程互连点(Programmable Interconnect Points)和布线缓存器(Routing Buffer)。根据可配置存储器中各类功能位所占的比例,可以判断可配置存储器单粒子翻转主要引起布线资源的错误。单粒子翻转影响它所在功能??榈墓δ?,但并不一定引起整个器件信号处理功能的失效,并且此类故障可以通过刷新来修复。

        3 加固平台设计

        3.1 总体设计

        本单粒子加固平台主要由高可靠性单元(High Reliability Unit,HRU)、XC7K325T和PROM组成。其中,信号处理部分由一片FPGA完成,高可靠单元完成对FPGA的配置、监控、回读校验和刷新功能?;赬C7K325T的抗SEU平台设计框图如图1所示。

        单粒子翻转引起SRAM型FPGA的故障机理阐述

        图中K7 FPGA和反熔丝HRU直接交互,同时HRU直接与存储芯片连接,程序采用帧校验的方法来比对K7 FPGA中的配置位,存储芯片17V16的大小为16 Mb,经过计算共需要6片17V16。

        3.2 K7的上电配置

        该平台工作流程是,系统加电后,HRU首先配置K7,根据K7的配置时序图(如图2所示),首先置低PROGRAM_B引脚,初始化K7的配置寄存器,当INIT_B引脚变高后,这时再将PROM中的程序下载到K7中,当配置完成后,K7的DONE引脚会变高,意味着配置成功,此时K7开始工作;这时HRU首先检测配置是否成功,如果未成功,则重新配置;如果配置K7成功后,它的看门狗电路开始工作,这时HRU进入监测状态,实时地检测K7的工作状态。

        单粒子翻转引起SRAM型FPGA的故障机理阐述

        其中K7的各个配置引脚的定义如表2所示。

        单粒子翻转引起SRAM型FPGA的故障机理阐述

        3.3 K7的回读校验与刷新

        当K7配置完成后,等待回读校验命令对器件进行回读测试。K7的回读校验采用按帧编码校验的方式。在回读过程中,对出错的帧进行记录和数传。当K7的回读校验都完成以后,进行错误判决。如果检测出错误,则对相应的器件进行动态重构处理,使其恢复到原始设计状态。完整的K7抗SEU加固软件执行流程如图3所示。

        单粒子翻转引起SRAM型FPGA的故障机理阐述

        其中检测K7的状态是通过回读操作完成的,回读是通过SelectMAP接口将K7内部配置存储器中的数据读出的过程?;囟凉炭梢远脸鯧7存储器的当前状态以及布线资源的配置情况等,然后通过检测回读数据来判断当前配置数据的正确性?;囟列Q槭荎7单粒子效应故障检测的重要方法?;囟凉谭治床僮髅?、读取数据和恢复现场三部分。FPGA每一帧回读数据的内容都决定着与其相对应的功能??榈穆呒δ?。通过对配置存储器的回读和校验,HRU可以决定是否需要对该功能??榻芯植恐嘏渲?。

        4 应用验证

        本设计采用的动态回读是在不中断正在运行的电路逻辑功能的情况下对配置存储器的回读。当回读发现K7的配置数据异常时,则进行刷新操作。刷新操作是在对目标器件K7的错误配置数据进行重构修复,通过以上流程HRU可以完成对XC7K325T的SEU加固。

        为通过模拟XC7K325T空间环境应用时发生SEU,对加固软件的回读校验和刷新功能进行测试。测试系统组成如图4所示。

        单粒子翻转引起SRAM型FPGA的故障机理阐述

        测试系统主要由故障生成计算机、XC7K325T和HRU组成。为了调试方便,用Flash存储K7的配置文件,计算机通过JTAG口将错误的配置信息烧录到FPGA中,HRU通过与Flash存储的配置文件比对,检测出SEU后实施刷新操作。通过工作指示可以监测当注入错误的配置信息后K7的工作状态,随后当回读校验刷新时,FPGA的原有的配置程序功能恢复。

        测试主要分为以下几个步骤:

        (1)以存储在Flash中的配置文件为基础,修改其中的一位或几位,并生成校验正确的配置文件;

        (2)将两种配置文件的工作指示加以区别以便监测刷新操作;

        (3)模拟SEU注入修改过的配置文件,并观察工作指示;

        (4)等待程序中设定的校验时间后,通过工作指示判断HRU是否检测到了翻转并实施刷新操作;

        (5)改变翻转的数目和故障注入的位置,重复试验。

        测试表明,HRU加固软件能够正常完成对单片XC7K325T的上电配置,检测XC7K325T配置存储区的SEU和修复功能。

        5 后续工作

        FPGA单粒子效应故障加固设计,针对程序代码本身还需要增加以下几项工作,来增加整体平台对抗SEU的能力:

        (1)对于FPGA中的关键逻辑???,要采取三模冗余[9]设计TMR(Triple Modular Redundancy);

        (2)如果FPGA对信号的运算速度要求宽裕,可以利用检错算法来判断FPGA的逻辑运行是否正确[10];

        (3)可以在程序中增加逻辑探针,用区域约束布线的方法固定在FPGA重要??榈母浇?,实时对该区域的单粒子效应进行检测。

        6 结束语

        本文通过分析空间辐射的特点,结合SRAM型FPGA的硬件结构,阐述了单粒子翻转引起SRAM型FPGA的故障机理,结合工程实践提出了一种利用高可靠单元对XC7K325T进行配置、监控、回读校验和刷新功能的抗单粒子翻转的加固平台设计。模拟了故障注入对加固设计进行了测试,测试表明该加固平台设计可以完成对FPGA监控和修复,为Kintex-7 系列大容量的FPGA在空间环境中应用提供了设计参考。试验表明该平台可以有效修复单粒子效应引起的位翻转和功能故障。

        参考文献

        [1] 王跃科,邢克飞,杨俊,等??占涞缱右瞧鞯チW有вΨ阑ぜ际酰跰]。北京:国防工业出版社,2010.

        [2] AMAGASAKI M,NAKAMURA Y,TERAOKA T,et al.An area compact soft error resident circuit for FPGA[C].IC Design and Technology 2016 International Conference(ICICDT),2016.

        [3] 邢克飞,杨俊,王跃科,等.Xilinx SRAM型FPGA抗辐射设计技术研究[J]。宇航学报,2007,28(1):123-129.

        [4] 邢克飞,杨俊,周永彬,等。星用SRAM型FPGA加固设计方法研究[J]。电子器件,2007,30(1):202-205.

        [5] 王鹏,张道阳,芦浩,等?;诜智馐缘姆收献⑷敕椒ㄑ芯浚跩]。电子技术应用,2017,43(8):88-91.

        [6] 张小林,丁磊,顾黎明?;谌慵兜涂腇PGA多比特翻转缓解技术[J]。电子技术应用,2018,44(4):61-64.

        [7] Virtex-7 FPGA user guide[Z].UG470(v1.4),Xilinx,2012.

        [8] 林金茂.SDR平台抗SEU性能评价关键技术研究[D]。长沙:国防科学技术大学,2009.

        [9] 黄锦杰,孙鹏,沈鸣杰,等?;赥MR的FPGA单粒子加固试验探究[J]。复旦学报(自然科学版),2011,50(4):477-484.

        [10] 李梦良,乐立鹏,张建军,等。星载65 nm抗辐射GNSS接收机ASIC的SEFI实验方法[J]。电子技术应用,2017,43(1):53-56.

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        【雨的FPGA笔记】基础实践-------呼吸灯设计和实现

        如何简单快速的实现嵌入式FPGA

        Achronix Semiconductor 营销副总裁 Steve Mensor 表示,这款被称为....
        发表于 2020-01-12 10:56? 574次阅读
        如何简单快速的实现嵌入式FPGA

        如何用FPGA测量数字正弦波的频率?

        如何用FPGA测量数字正弦波的频率
        发表于 2020-01-11 22:27? 313次阅读
        如何用FPGA测量数字正弦波的频率?

        【雨的FPGA笔记】基础实践-------按键控制LED和BEEP设计和实现

        设计内容        按KEY0时点亮最右边的灯,按动按键KEY1时依次往左移动,按下KEY2时关...
        发表于 2020-01-11 12:47? 257次阅读
        【雨的FPGA笔记】基础实践-------按键控制LED和BEEP设计和实现

        【雨的FPGA笔记】基础实践-------流水灯设计和实现

        设计内容        将4个LED每隔1s从左往右分别依次点亮熄灭,形成流水状。按复位键时进行复...
        发表于 2020-01-11 11:07? 471次阅读
        【雨的FPGA笔记】基础实践-------流水灯设计和实现

        FPGA的行业优势以及它与DSP的区别分析

        FPGA的优势有三个方面:1)通信高速接口设计。FPGA可以用来做高速信号处理,一般如果AD采样率高....
        发表于 2020-01-10 15:46? 248次阅读
        FPGA的行业优势以及它与DSP的区别分析

        hdmi矩阵切换器采用FPGA纯硬件架构方案

        hdmi矩阵切换器在众多的领域中有着广泛的运用,对于不同的运用场合和需求,有着许多不同的方案,而dm....
        发表于 2020-01-10 15:43? 176次阅读
        hdmi矩阵切换器采用FPGA纯硬件架构方案

        关于Xilinx FPGA内部体系结构的分析

        Xilinx的FPGA的基本结构是一样的,主要由6部分组成,分别为可编程输入/输出单元、基本可编程逻....
        发表于 2020-01-10 15:39? 279次阅读
        关于Xilinx FPGA内部体系结构的分析

        深维科技荣获北航全球创新创业大赛二等奖

        经过初赛、复赛的激烈对决和层层选拔,深维科技参赛项目“超高性能数据中心FPGA异构计算加速解决方案”....
        发表于 2020-01-10 09:28? 125次阅读
        深维科技荣获北航全球创新创业大赛二等奖

        LVDS技术的应用优势及基于FPGA实现远端显示...

        LVDS接口又称RS-644总线接口,是20世纪90年代出现的一种数据传输和接口技术。LVDS是一种....
        发表于 2020-01-08 16:40? 768次阅读
        LVDS技术的应用优势及基于FPGA实现远端显示...

        帧同步系统的工作原理及如何基于FPGA实现其设计

        实现帧同步的关键是把同步码从一帧帧数据流中提取出来。本设计的一帧信码由39位码元组成。其中的巴克码为....
        发表于 2020-01-08 16:30? 2192次阅读
        帧同步系统的工作原理及如何基于FPGA实现其设计

        英特尔新发布Stratix 10,为可编程四核A...

        FPGA在高度并行、大吞吐量数字信号处理(DSP)应用方面享有很好的声誉。过去几代FPGA器件一直稳....
        发表于 2020-01-08 15:32? 348次阅读
        英特尔新发布Stratix 10,为可编程四核A...

        FPGA的发展瓶颈有哪些,该如何解决

        据Semico统计,FPGA市场正在逐年增长,而复合年均增长率高达38.4%,至2023年将具有55....
        发表于 2020-01-07 15:23? 284次阅读
        FPGA的发展瓶颈有哪些,该如何解决

        FPGA和GPU在深度神经网络方面谁更胜一筹

        在今天的大数据时代,企业和消费者被各种来源的海量数据淹没,包括商业交易、社交媒体以及传感器或机器对机....
        发表于 2020-01-07 15:08? 320次阅读
        FPGA和GPU在深度神经网络方面谁更胜一筹

        FPGA中面积换速度该如何去实现

        在FPGA中,如果要将一个采样率为480MHz,中频频率为302.5MHz的信号变频到零中频的基带信....
        发表于 2020-01-07 14:45? 109次阅读
        FPGA中面积换速度该如何去实现

        安路科技文余波:站在历史的关口,国产FPGA当自...

        安路科技总经理文余波在接受采访时表示,安路科技能在FPGA市场上实现过亿的销售,证明了公司一直以来强....
        发表于 2020-01-07 13:59? 219次阅读
        安路科技文余波:站在历史的关口,国产FPGA当自...

        英特尔Stratix 10 GX 10M FPG...

        现场可编程门阵列(FPGA)的优势就是能够制造功能强大的芯片,可重复单元设计的性质,能够吸收工艺技术....
        发表于 2020-01-06 15:31? 121次阅读
        英特尔Stratix 10 GX 10M FPG...

        FPGA和GPU的市场竞争,谁才是未来的大局所向

        一直以来,FPGA 的主要应用领域是电子工程。但当英特尔完成对 Altera(Altera 是最大的....
        发表于 2020-01-06 15:26? 153次阅读
        FPGA和GPU的市场竞争,谁才是未来的大局所向

        介绍FPGA中testbench的编写技巧

        原来??橹械氖淙胄藕?,定义成reg 类型,原来??橹械氖涑鲂藕?,定义为wire类型,但这里有个问题,....
        发表于 2020-01-06 14:52? 122次阅读
        介绍FPGA中testbench的编写技巧

        高云半导体成功量产Always-On超低功耗GW...

        高云半导体基于超低功耗的非易失FPGA GW1NZ-ZV器件现已全面量产,此产品是迄今为止功耗最低的....
        发表于 2020-01-06 10:29? 210次阅读
        高云半导体成功量产Always-On超低功耗GW...
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