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。     

SRAM型FPGA的SEU故障注入系统设计

在研究SRAM型FPGA配置存储器物理结构及配置结构的基础上,发现对FPGA配置文件中的帧数据进行0/1翻转可以实现配置存储器的人为翻转,从而来仿真FPGA的SEU效应.基于部分重构技术设计了一种针对SRAM型FPGA的SEU故障注入系统,通过ICAP来实现部分重构,不需要额外的硬件开销.故障注入系统在XUP XC2VP30开发板上实现,通过对三个FPGA典型设计进行SEU敏感性分析,验证了所设计系统的有效性,并验证了三模冗余的加固效果.     

真实FPGA器件下单粒子软错误评估工具设计

FPGA器件在航天领域应用广泛,然而在空间环境下,基于SRAM工艺的FPGA器件极易受到单粒子翻转(Single Event Upsets,SEU)影响而导致电路发生软错误。针对具有代表性的Xilinx Virtex系列器件进行了SEU评估方法的研究,设计并开发了一款面向Virtex器件的SEU效应评估工具,并与FPGA标准设计流程进行了有效融合。实验结果表明,提出的评估方法和工具对Virtex器件的SEU效应可以进行准确的评估,从而为FPGA结构设计和应用开发提供先于硬件实现的软件验证环境,对高可靠性FPGA芯片的研究、开发和设计都具有重要意义。     

应用于抗辐照FPGA的多标准I/O电路设计

针对工业控制、航空航天等多种复杂的电磁辐射环境中对大规模FPGA器件及高速数据传输的迫切需求,设计了一种可应用于抗辐照FPGA的多标准I/O电路。该I/O电路中输入/输出寄存器均采用三模冗余(TMR)技术进行了抗辐照加固,能够支持14种电平标准,实现宽电压范围调节。该抗辐照FPGA抗单粒子翻转(SEU)大于37 MeV·cm2/mg。仿真及测试结果表明,该I/O电路满足设计要求。     

一种新颖高效抗SEU/SET锁存器设计

随着工艺技术的发展,集成电路对单粒子效应的敏感性不断增加,因而设计容忍单粒子效应的加固电路日益重要.提出了一种新颖的针对单粒子效应的加固锁存器设计,可以有效地缓解单粒子效应对于电路芯片的影响.该锁存器基于DICE和C单元的混合结构,并采用了双模冗余设计.SPICE仿真结果证实了它具有良好的抗SEU/SET性能,软错误率比M.Fazeli等人提出的反馈冗余锁存器结构减少了44.9%.与经典的三模冗余结构比较,面积开销减少了28.6%,功耗开销降低了超过47%.     

两种系统级单粒子效应容错方法性能仿真分析

基于VLSI的信息处理系统空间应用时容易遭受单粒子翻转效应(SEU:Single Event Upset)的影响.基于结构冗余的三模冗余(TMR:Three Module Redundancy)和基于信息冗余的错误检纠错(EDAC:Error Detection and Correction)是两种常见的系统级抗单粒子翻转的容错方法,被广泛应用于空间信息处理系统中.从可靠性改进、存储资源占用、硬件实现代价以及实现延时等四个方面,对两种方法进行了性能分析和仿真实验.性能分析和仿真实验结果表明,EDAC方法适合应用于基本数据宽度较大、存储资源受限、实时性要求不高的应用中,结构TMR方法适合应用于基本数据宽度较小、存储资源充足、实时性要求较高的应用中.     

单粒子翻转二维成像技术

为了给星用半导体器件不同区域的单粒子翻转(SEU)机理研究提供一种高效、可靠手段,基于北京HI-13串列加速器,从重离子微束辐照技术和存储器单粒子效应检测技术这2方面,对微电子器件SEU二维成像测试技术进行了研究,建立了基于虚拟技术的测试系统。利用该成像技术,对国产2 kbit静态随机存储器(SRAM)的SEU敏感区域进行了实验研究,结果与理论结果及以往手动测试实验结果一致。     

一种自恢复容SEU锁存器的设计

随着集成电路工艺水平的不断提高、器件尺寸的不断缩小以及电源的不断降低,传统的锁存器越发容易受到由辐射效应引起的软错误影响。为了增强锁存器的可靠性,提出了一种适用于低功耗电路的自恢复SEU加固锁存器。该锁存器由传输门、反馈冗余单元和保护门C单元构成。反馈冗余单元由六个内部节点构成,每个节点均由一个NMOS管和一个PMOS管驱动,从而构成自恢复容SEU的结构。在45 nm工艺下,使用Hspice仿真工具进行仿真,结果表明,与现有的加固方案FERST[1]结构相比,在具备相同面积开销和单粒子翻转容忍能力的情况下,提出的锁存器不仅适用于时钟门控电路,而且节省了61.38%的功耗-延迟积开销。     

一种单粒子效应加固输入接口电路的设计

提出一种新颖的单粒子效应加固输入接口电路,采用组合逻辑延迟后运算处理的方案。该电路基于华润上华600 V BCD 0.8 μm工艺进行电路设计和流片,并在中科院国家空间科学中心完成单粒子辐照测试。仿真测试结果表明,提出的输入接口电路可以有效免疫线性能量传递值(LET)在80 MeV·cm2/mg以下单粒子翻转(SEU)事件,特别是对多个节点同时发生单粒子翻转事件的情况,提出的电路抗单粒子翻转可靠性较高。     

一种低功耗429码编码电路的设计

介绍了一种实用的低功耗429码编码电路。采用一种新颖的电路结构进行设计,并采用厚膜工艺加工制作,整个电路的体积为30mm×20mm×5mm。对各单元电路进行了原理分析,采用PSpice软件进行仿真,并对制作的电路进行测试,测试结果与仿真结果相同。与其他429码编码电路相比,该电路具有功耗低(电源±5V,电流≤1mA)、可靠性高、结构简单、一致性好等优点,可广泛应用于现代机载数据通信系统。     

Hybrid time and hardware redundancy to mitigate SEU effects on SRAM-FPGAs: Case study over the MicroLAN protocol

SRAM-based field programmable gate arrays (FPGAs) are particularly sensitive to single event upsets caused by high-energy space radiation. Single Event Upset (In order to successfully deploy the SRAM-FPGA based designs in aerospace applications, designers need to adopt suitable hardening techniques. In this paper, we describe novel hybrid time and hardware redundancy (HT&HR) structures to mitigate SEU effects on FPGA, especially digital circuits that are designed with bidirectional ports. The proposed structures that combine time and hardware redundancy decrease the SEU propagation mechanisms among the redundant hard units. Analysis results and fault injection experiments on some standard ISCAS benchmarks and MicroLAN protocol, as a case study over the bidirectional ports, show that the capability of tolerating SEU effects in HT&HR technique increases up to 70 times with respect to solely hardware redundant versions. On average, the proposed method provides 39.2 times improvement against single upset faults and 14.9 times for double upset faults; however it imposes about 14.7% area overhead. Also, for the considered benchmarks, HT&HR circuits become 8.8% faster on the average than their TMR versions.     

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.     

脉冲激光试验评估模拟电路单粒子效应

利用脉冲激光对典型模拟电路的单粒子效应进行了试验评估及加固技术试验验证,研究2种不同工艺的运算放大器的单粒子瞬态脉冲(SET)效应,在特定工作条件下两者SET脉冲特征规律及响应阈值分别为79.4 pJ和115.4 pJ,分析了SET脉冲产生和传播特征及对后续数字电路和电源模块系统电路的影响。针对SET效应对系统电路的危害性,设置了合理的滤波电路来完成系统电路级加固,并通过了相关故障注入试验验证,取得了较好的加固效果。     

DSP处理器单粒子翻转率测试系统的研制

航天器及其内部元器件在太空中会受到单粒子效应(SEE)带来的威胁,因此航天用电子器件在装备前必须进行抗SEE能力的测试评估。针对传统测试方法存在的测试系统程序容易在辐照过程崩溃、统计翻转数不准确、单粒子闩锁(SEL)辨别不清晰和忽略内核翻转统计等问题,设计了一种测试系统,通过片外加载与运行程序从而减少因辐照导致片内程序异常的现象;通过片外主控电路统计被测电路翻转数使统计翻转结果准确;通过主控电路控制被测电路时钟供给排除因频率增加导致电流过大而误判发生SEL的情况;通过内核指令集统计内核翻转数。实验结果表明,该测试系统可以实时全面地监测数字信号处理器(DSP)的SEE,并有效防止辐照实验器件(DUT)因SEL而失效。     

微小卫星单粒子闩锁防护技术研究

对于在轨微小卫星而言,单粒子闩锁(Single Event Latchup,SEL)是最具破坏性的单粒子效应之一,其后果轻则损坏器件,重则使在轨卫星失效。首先介绍了SEL发生机理,分析并总结现有抗SEL的关键技术。其次提出了空间单粒子闩锁防护措施并设计了一种可恢复式抗SEL电源接口电路,实现对卫星星上设备的防闩锁及过流保护。最后利用脉冲激光模拟单粒子效应技术对具有飞行经验的芯片进行实验测试。实验结果表明,该电路能够准确地检测SEL的发生,有效解除SEL效应,保证系统运行稳定可靠。     

Single Event crosstalk shielding for CMOS logic

With advances in technology scaling, CMOS circuits are increasingly more sensitive to transient pulses caused by Single Event particles. Hardening techniques for CMOS combinational logic have been developed to address the problems associated with Single Event transients, but in these designs, Single Event crosstalk effects have been ignored. In order to complement the Single Event upset (SEU) hardening process, coupling effects among interconnects need to be considered in the Single Event hardening and analysis of CMOS logic gates due to technology scaling effects that increase both SE vulnerability and crosstalk effects. As technologies advance, the coupling effects increasingly cause SE transients to contaminate electronically unrelated circuit paths which can in turn increase the “Single Event susceptibility” of CMOS circuits. Serious effects may occur if the affected line is a clock line or an input line of voters in triple-modular redundancy (TMR) circuit. Hence, this work first analyzes Single Event crosstalk on recent technologies and then proposes hardening techniques to reduce Single Event crosstalk. Hardening results are demonstrated using HSpice Simulations with interconnect and device parameters derived in 90 nm technology.     

反熔丝型FPGA单粒子效应及加固技术研究

在当今复杂电磁环境和强干扰的条件下,航空和航天装备的信号处理器件的逻辑可能产生意外翻转而产生功能失效,甚至导致系统工作状态异常,因此器件的可靠性至关重要.反熔丝型FPGA（现场可编程门阵列）因其低功耗、高可靠性、高保密性等特点,广泛应用于航空航天的电子系统中.文章在介绍反熔丝型FPGA的基本结构的基础上,对反熔丝型FPGA单粒子效应（SEE）进行了详细分析,提出了相应的SEE加固设计措施及实现方法.通过重离子地面加速试验对加固设计方法进行验证,试验结果及分析表明,加固设计方法可以有效提高商用现货（COTS）反熔丝型FPGA的可靠性,可以为同类型的电子系统设计提供有价值的参考.     

基于时序优先的电路容错混合加固方案

为了有效降低容忍软错误设计的硬件和时序开销,该文提出一种时序优先的电路容错混合加固方案。该方案使用两阶段加固策略,综合运用触发器替换和复制门法。第1阶段,基于时序优先的原则,在电路时序松弛的路径上使用高可靠性时空冗余触发器来加固电路;第2阶段,在时序紧张的路径使用复制门法进行加固。和传统方案相比,该方案既有效屏蔽单粒子瞬态(SET)和单粒子翻转(SEU),又减少了面积开销。ISCAS89电路在45 nm工艺下的实验表明,平均面积开销为36.84%,电路平均软错误率降低99%以上。     

基于FPGA的ASIC芯片抗辐射性能评估系统

针对航天电子控制系统对集成电路的抗辐射需求,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的全新架构的专用集成电路(ASIC)抗辐射性能评估系统。该系统基于FPGA高性能、高速度、高灵活性和大容量的特性,不仅具备传统芯片评估系统的能力,还具备精确判定失效事件发生时刻、被测ASIC时序、内部状态及大致的内部路径位置的能力。对该系统进行单粒子翻转(SEU)辐射试验,试验结果表明,在81.4 MeV·cm²·mg^-1的线性能量转移阈值下,该系统能自动判别没有发生SEU事件。目前,该系统已成功应用于自研高可靠性ASIC芯片抗辐射性能的评估。