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。     

SRAM激光微束单粒子效应实验研究

结合器件版图,通过对2 k SRAM存储单元和外围电路进行单粒子效应激光微束辐照,获得SRAM器件的单粒子翻转敏感区域,测定了不同敏感区域单粒子翻转的激光能量阈值和等效LET阈值,并对SRAM器件的单粒子闭锁敏感度进行测试.结果表明,存储单元中截止N管漏区、截止P管漏区、对应门控管漏区是单粒子翻转的敏感区域;实验中没有测到该器件发生单粒子闭锁现象,表明采用外延工艺以及源漏接触、版图布局调整等设计对器件抗单粒子闭锁加固是十分有效的.     

抗单粒子翻转效应的SRAM研究与设计

在空间应用和核辐射环境中,单粒子翻转(SEU)效应严重影响SRAM的可靠性。采用错误检测与校正(EDAC)和版图设计加固技术研究和设计了一款抗辐射SRAM芯片,以提高SRAM的抗单粒子翻转效应能力。内置的EDAC模块不仅实现了对存储数据"纠一检二"的功能,其附加的存储数据错误标志位还简化了SRAM的测试方案。通过SRAM原型芯片的流片和测试,验证了EDAC电路的功能。与三模冗余技术相比,所设计的抗辐射SRAM芯片具有面积小、集成度高以及低功耗等优点。     

温度对SRAM器件单粒子翻转重离子测试的影响

本文基于单粒子效应地面重离子模拟实验,选取体硅SRAM与SOI SRAM两种待测器件,在兰州重离子加速器上（HIRLF）研究了温度对单粒子翻转测试的影响。用12C粒子对体硅SRAM器件的温度实验显示,单粒子翻转截面易受温度的影响。对于SOI SRAM器件,12C粒子测得的单粒子翻转截面随温度升高有显著的增大,但209Bi 粒子测得的单粒子翻转截面却随温度保持恒定。用Monte Carlo的方法分析了温度对单粒子翻转测试的影响规律,发现在单粒子翻转阈值LET附近温度对单粒子翻转截面有大的影响,但是随着单粒子翻转的发生接近于饱和,单粒子翻转截面渐渐的表现出低的温度依赖性。基于该模拟结果,我们对实验数据进行了分析,同时提出了一种准确评估在轨翻转率的合理方法。     

一种高温单粒子效应测试系统的设计与实现

航天器件在空间环境中存在着单粒子效应,根据研究可知高温会提升单粒子效应的敏感性,因此为了更好地评估器件的抗辐射性能,有必要建立一套高温单粒子效应测试系统.通过建立高温单粒子效应测试系统,选择ASIC和SRAM进行高温测试实验,完成了电路高温下的单粒子效应检测,证明了温度提升单粒子效应敏感性的事实.     

一种双栅结构抗单粒子翻转加固SRAM存储单元

通过对单粒子效应以及抗单粒子翻转电路加固原理进行分析,提出一种基于双栅MOS结构的具有单粒子翻转加固能力的SRAM存储单元。该单元在实现抗单粒子翻转加固的同时具有快速翻转恢复、快速写入、低静态功耗的特点。基于0.18μm CMOS工艺进行电路仿真,结果显示该加固单元读/写功能正确,翻转阈值大于100 Me V·cm2/mg。可以预测,该电路应用于空间辐射环境下将有较好的稳定性。     

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。     

模拟低空环境下FPGA的SEU测试系统结果分析

为了探究在低空环境下SRAM型FPGA产生单粒子翻转事件与大气中高能粒子剂量的关系,设计了一种便携式测试系统。使用该系统在某地6个不同海拔的测试点对SRAM型FPGA进行单粒子翻转测试。某地平均海拔在3000～5000 m,可以很好地模拟低空飞行环境。通过测试试验,该系统获得了大量现场数据,使用Matlab对测试数据进行了分析。结合在某地的测试结果,从SRAM型FPGA的存储结构、单粒子翻转产生机理、测试系统的工作原理等方面入手,对该测试系统的科学性与实用性进行了验证分析。分析结果表明,该便携式测试系统科学有效,可为航空航天领域中SRAM型FPGA的选型与使用提供一种参考方式。     

关于中子辐射的单粒子翻转效应测试与加固研究

针对高能粒子入射半导体材料引发的辐射效应,从实验平台的设计对地面辐射试验进行了研究,通过对单粒子翻转效应的分析,制定评估方式,实验平台通过建立数据采集系统、数据分析系统,测试4种SRAM型的FPGA芯片在不同强度的中子辐照产生的影响,通过辐照试验?验证了试验方法、试验系统的有效性和可靠性。实验结果表明,在高强度的辐照下,单粒子翻转效应显著增多,需要采取防护措施及时修正,对FPGA芯片的使用及选型具有参考价值。     

基于DICE结构的SRAM抗辐照加固设计

存储单元的加固是SRAM加固设计中的一个重要环节。经典DICE单元可以在静态情况下有效地抗单粒子翻转,但是动态情况下抗单粒子翻转能力较差。提出了分离位线的DICE结构,使存储单元在读写状态下具有一定的抗单粒子效应能力。同时,对外围电路中的锁存器采用双模冗余的方法,解决锁存器发生SEU的问题。该设计对SRAM进行了多方位的加固,具有很强的抗单粒子翻转能力。     

TCAD结合SPICE的单粒子效应仿真方法

为解决传统集成电路抗单粒子加固设计中存在的不足,利用TCAD及SPICE软件,探索出一种单粒子效应仿真与电路抗辐射加固设计相结合的方法。该方法通过TCAD软件的器件建模、仿真单粒子效应对器件的影响,得出器件在单粒子辐射条件下的3个关键参数。利用SPICE软件将此参数转化为模拟单粒子效应的扰动源,进而指导电路抗单粒子效应的加固设计工作。通过对一款SRAM的加固设计及辐射试验对比,证明了该方法的正确性和有效性,同时也为以后单粒子效应设计加固提供了依据。     

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.     

高速A/D转换器单粒子效应实时评估系统和方法研究

提出了一种在线实时检测评估高速A/D转换器(ADC)的单粒子效应的测试方法。基于该方法搭建了部分模块可复用的单粒子效应测试评估系统。系统由时钟生成模块、待测ADC模块、D/A转换器(DAC)转换输出模块、FPGA控制模块与上位机模块构成。对待测ADC模块进行重构,可完成对不同ADC器件的测试评估,提升了模块可复用性和测试效率。该系统通过监测电源引脚的电流变化、ADC内部寄存器值翻转情况、经过高速DAC转换输出的模拟波形,可实时测试评估ADC器件的单粒子锁定(SEL)、单粒子翻转(SEU)、单粒子瞬态(SET)、单粒子功能中断(SEFI)等效应。基于该系统对自主研发的具有JESD204B接口的12位2.6 GS/s高速ADC进行了单粒子效应试验。试验分析表明,该系统能准确高效评估高速ADC器件的单粒子效应。     

驱动能力对SOI SRAM单元单粒子效应的影响仿真

采用silvaco软件对抗辐射不同沟道宽度的PD SOI NMOS器件单元进行了三维SEU仿真,将瞬态电流代入电路模拟软件HSPICE中进行SRAM存储单元单粒子翻转效应的电路模拟。通过这种电路模拟的方法,可以得到SRAM存储单元的LET阈值。通过对比LET阈值的实际测量值,验证了这种方法的实用性,并对不同驱动能力的SRAM单元进行了翻转效应的对比。在NMOS和PMOS驱动比相同的情况下,沟道宽度越大,SRAM的翻转LET阈值反而越高。     

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...     

抗单粒子翻转的双端口SRAM定时刷新机制研究

在空间辐射环境下,存储单元对单粒子翻转的敏感性日益增强。通过比较SRAM的单粒子翻转效应相关加固技术,在传统EDAC技术的基础上,增加少量硬件模块,有效利用双端口SRAM的端口资源,提出了一种新的周期可控定时刷新机制,实现了对存储单元数据的周期性纠错检错。对加固SRAM单元进行分析和仿真,结果表明,在保证存储单元数据被正常存取的前提下,定时刷新机制的引入很大程度地降低了单粒子翻转引起的错误累积效应,有效降低了SRAM出现软错误的概率。     

商用CMOS工艺SRAM脉冲中子辐射效应实验

为研究互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺静态随机处理内存(SRAM)脉冲中子辐射效应机理,对SRAM翻转效应进行了蒙特卡罗模拟。该模拟基于脉冲中子辐照下SRAM翻转是单粒子翻转的叠加的假设,计算了单位翻转和伪多位翻转在总翻转数中的百分比。在西安脉冲反应堆上对3种特征尺寸商用SRAM开展了脉冲工况实验研究,得到了单位翻转和伪2位翻转数据,结合模拟结果分析了SRAM在脉冲中子作用下的翻转机制。     

SOI CMOS SRAM单元单粒子翻转效应的模拟

为简单快速模拟静态随机存储器(SRAM)的单粒子效应,在二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,考虑晶体管偏压对瞬态电流的影响,得到修正的瞬态电流表达式,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,通过与实际单粒子实验结果的对比,验证了这种模拟方法的实用性。     

北京正负电子对撞机次级束质子单粒子翻转计算和试验研究

北京正负电子对撞机(BEPC)电子直线加速器试验束打靶产生的次级束中包含质子,其中能量约为50MeV~100MeV的质子占有很大比例,这弥补了国内高能质子源的空白。本工作计算得到次级束中的质子能谱,建立质子单粒子翻转截面计算方法,在北京正负电子对撞机次级束质子辐射环境中,计算静态随机存取存储器的质子单粒子翻转截面,设计了SRAM质子单粒子翻转截面测试试验,发现SRAM单粒子翻转和注量有良好的线性,这是SRAM发生单粒子翻转的证据。统计得到不同特征尺寸下SRAM单粒子翻转截面,试验数据与计算结果相符,计算和试验结果表明随着器件特征尺寸的减小器件位单粒子翻转截面减小,但器件容量的增大,翻转截面依然增大,BEPC次级束中的质子束可以开展中高能质子单粒子效应测试。     

基于码流的软件控制FPGA故障注入系统

基于静态随机存储器的现场可编程逻辑门阵列应用于航天电子系统时,易受到单粒子翻转效应的影响,存储数据会发生损坏。为评估器件和电路在单粒子翻转效应下的可靠性,提出一种基于TCL脚本控制的故障注入系统,可在配置码流层面模拟单粒子翻转效应。介绍了该故障注入系统的实现机制和控制算法,并将该软件控制方法与传统硬件控制方法进行对比分析。设计了一种关键位故障模型,从设计网表中提取关键位的位置信息,缩小了故障注入的码流范围。在Virtex-5开发板XUPV5-LX110T上的故障注入实验表明,该故障注入系统能有效模拟单粒子翻转效应,与传统随机位故障注入相比,关键位故障注入的故障率提高了近5倍。