静态随机存储器单粒子翻转效应截面的蒙特卡罗模拟

单粒子翻转(SEU)效应是离子入射静态随机存储器(SRAM)使其逻辑状态发生改变的一种效应.依据地面单粒子翻转实验数据构建合适的模型可以对器件的在轨运行错误率进行预估.文章主要针对0.15μm工艺的SRAM,基于蒙特卡罗软件Geant4,构建经验模型,模拟其单粒子翻转效应截面,并将模拟结果与实验结果进行对比,结果表明该经验模型可以应用于亚微米器件单粒子翻转效应的模拟.     

一种用于可编程逻辑的阵列的单粒子翻转试验系统设计研究

单粒子翻转(SEU)试验是测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的重要方法。提出了一种用于测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的试验系统;该系统通过比对待测FPGA芯片输出数据序列和正确数据来判断是否发生数据翻转。如果发生数据翻转,则进一步统计翻转次数和翻转性质,从而能够较全面的测试FPGA芯片的抗单粒子翻转性能。运用该试验系统对某款FPGA芯片进行了单粒子翻转试验,测试结果显示该试验系统能够正确评估被测芯片的抗单粒子翻转性能。     

一种用于FPGA的单粒子翻转试验系统设计研究

单粒子翻转(SEU)试验是测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的重要方法.提出了一种用于测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的试验系统;该系统通过比对待测FPGA芯片输出数据序列和正确数据来判断是否发生数据翻转.如果发生数据翻转,则进一步统计翻转次数和翻转性质,从而能够较全面的测试FPGA芯片的抗单粒子翻转性能.运用该试验系统对某款FPGA芯片进行了单粒子翻转试验,测试结果显示该试验系统能够正确评估被测芯片的抗单粒子翻转性能.     

SRAM型FPGA空间应用的可靠性设计方法

随着工艺特征尺寸逐渐趋近于纳米级,SRAM型FPGA越来越容易受到空间辐射环境的影响而导致系统故障.为了提高SRAM型FPGA在空间环境的可靠性,在对Xilinx系列SRAM型FPGA的单粒子效应故障模式进行分析的基础上,重点介绍了几种抗单粒子翻转方法,并对各种方法的适用范围、使用特点及应用情况等进行了比较分析.结果表明:选用基于SelectMAP接口和用户可自定义的纠检错方式实现对SRAM型FPGA的回读、纠检错和刷新设计;选择动态重配置设计方法实现系统的在线全部和部分重构设计是最为有效的可靠性设计方法.该回读、纠检错、刷新和部分重构设计方法已经在嫦娥五号试验器中得到在轨成功实施与验证.     

静态随机存储器型可编程门陈列中轨应用可靠性分析

静态随机存储器(SRAM)型可编程门阵列(FPGA)在空间应用面临严重的单粒子效应问题,已有的研究大多集中在GEO和LEO轨道。由于中轨(MEO)卫星的星上大容量信号处理需求日益增长,迫切需要寻求在容量、寿命与可靠性、成本之间折中的有效解决方案,SRAM型FPGA能否满足中轨应用的可靠性需求成为关键问题。基于1/2恒星日回归轨道的中轨应用场景,选取了四款Xilinx FPGA,在日常辐射环境与太阳质子事件相结合的情况下进行了FPGA的可靠性分析,给出了三模冗余与定期刷新容错手段的选取策略;并讨论了对抗太阳质子事件的可行方案。结果表明,即使在最恶劣的辐射环境下,采用三模冗余结合周期刷新的加固手段,商业级FPGA也可达到同宇航级FPGA相当的可靠性水平。     

可靠性微处理器设计关键技术研究

从面积开销、性能和可靠性的角度分析比较了检错纠错码(EDAC)、三模冗余(TMR)和控制流检测(CFC)在可靠性微处理器设计中广泛使用的抗单粒子翻转(SEU)效应技术.用VHDL描述并在FPGA上实现EDAC、TMR和CFC.研究结果表明,TMR和EDAC通过保护寄存器或存储器达到高度的容错能力,但是代价较高,适用于可靠性要求较高的恶劣环境.CFC则是可靠性和代价的一个较好的折中,适用于商用可靠性微处理器的设计.     

SRAM型FPGA中轨应用可靠性分析

SRAM型FPGA在空间应用面临严重的单粒子效应问题,已有的研究大多集中在GEO和LEO轨道。由于中轨卫星的星上大容量信号处理需求日益增长,迫切需要寻求在容量、寿命与可靠性、成本之间折衷的有效解决方案,SRAM型FPGA能否满足中轨应用的可靠性需求成为关键问题。本文基于1/2恒星日回归轨道的中轨应用场景,选取了四款Xilinx FPGA,在日常辐射环境与太阳质子事件相结合的情况下进行了FPGA的可靠性分析,给出了三模冗余与定期刷新容错手段的选取策略,并讨论了对抗太阳质子事件的可行方案。结果表明,即使在最恶劣的辐射环境下,采用三模冗余结合周期刷新的加固手段,商业级FPGA也可达到同宇航级FPGA相当的可靠性水平。     

基于容忍单粒子效应的集成电路加固方法研究

针对现有容忍单粒子效应的锁存器结构无法同时容忍单粒子翻转(SEU)、单粒子瞬态(SET),以及未考虑电荷共享导致的双节点翻转(DNU)问题,提出一种高可靠性的同时容忍SEU、SET和DNU的锁存器加固结构SRDT-SET。基于空间和时间冗余原理,该锁存器结构采用了多个输入分离的施密特触发器来构建高可靠性数据存储反馈环,同时内嵌多个施密特触发器。HSPICE仿真结果表明,SRDT-SET锁存器结构能够从SEU中在线自恢复,容忍的SET脉冲宽度更宽,并且能够有效容忍DNU,功耗-延迟综合开销不大,有效增强了SET脉冲的过滤能力。     

辐射易敏SRAM型FPGA在导航卫星中的适用性实验研究

利用兰州重离子加速器提供的86Kr离子束流开展了百万门SRAM型FPGA的单粒子效应实验研究.获得了该器件配置存储器和片内Block RAM的重离子翻转截面,给出了与国外同类实验结果显著差异的原因分析,证实了该器件对单粒子效应的极端敏感性;对三模冗余、动态刷新等容错机制的有效性进行了动态测试,结果表明采用的组合加固措施能显著降低系统的功能错误截面,基本消除了配置存储器额外引入的敏感性,达到了与同类专用集成电路接近的抗辐射水平;结合导航任务特点和实验结果,对SRAM型FPGA在导航卫星上的适用性进行了分析,提出了将加固设计与自主完好性监测相结合的应用思路.     

基于TMR的FPGA单粒子加固试验探究

设计了一个可对基于静态随机存储器的现场可编程门阵列进行单粒子效应测试的系统.采用三模冗余和定时回读重配的方法对待测器件进行单粒子加固.测试电路为移位寄存器链,定时回读的间隔约为80 ms,测试时钟为10 MHz.在非辐照环境下先进行了单粒子翻转的仿真试验,获得系统基本参数后,在兰州中科院近代物理研究所进行了重离子单粒子效应辐照试验.试验芯片为商用FPGA,辐照试验增加单粒子闩锁监控,观察不同注量率下待测器件的加固效果.分析仿真试验与辐照试验结果,系统可正确实现加固与测试功能,也证明三模冗余技术结合回读重配方法能够提高FPGA芯片的单粒子加固能力.     

基于信号跳变时间可调整的容错路由器

设计了一种基于信号跳变时间可调整(STTA)的片上网路容错路由器.首先,这种路由器能够准确预测总线的串扰故障,并通过错开信号跳变的方法容忍总线的串扰故障.然后,为了容忍寄存器上的单事件翻转(SEU),路由器中所有的寄存器被替换成双内锁单元(DICE).结果表明:基于STTA的路由器仅需在普通路由器上增加46%的面积开销和70%的功耗开销,就能容忍总线上串扰导致的故障和寄存器上的SEU.与基于TS-HC-TMR和SCAC-TMR方法的容错路由器相比,基于STTA的路由器至少减少了93%的面积和55%的功耗开销,有效地解决了容错路由器开销过大的问题.     

高能中子诱发半导体器件产生单粒子翻转的模拟计算

随着半导体及电子工艺技术的迅速发展,器件向着小尺度、低电压、低电荷、高集成度迈进,大气中子对航空及地面的电子系统造成的单粒子效应越来越显著.本文采用PHITS2.24蒙特卡罗程序及其事件发生器功能,借助于核反应模型与截面数据,验算了描述器件发生单粒子翻转能力的MBGR参数,并采用大气高能中子能谱,对SRAM器件的单粒子翻转率进行了计算与分析.这为我们今后模拟大气中子产生的各类单粒子效应提供了基本方法,也为将来开展相应的辐照实验提供了理论基础.     

A high-level synthesis based dual-module redundancy with multi-residue detection （DMR-MRD） fault-tolerant method for on-board processing satellite communication systems

On board processing （OBP） satellite systems have obtained more and more attentions in recent years because of their high efficiency and performance.However,the OBP transponders are very sensitive to the high energy particles in the space radiation environments.Single event upset （SEU） is one of the major radiation effects,which influences the satellite reliability greatly.Triple modular redundancy （TMR） is a classic and efficient method to mask SEUs.However,TMR uses three identical modules and a comparison logic,the circuit size becomes unacceptable,especially in the resource limited environments such as OBP systems.Considering that,a new SEU-tolerant method based on residue code and high-level synthesis （HLS） is proposed,and the new method is applied to FIR filters,which are typical structures in the OBP systems.The simulation results show that,for an applicable HLS scheduling scheme,area reduction can be reduced by 48.26％ compared to TMR,while fault missing rate is 0.15％.     

SDR中一种新型调制平台的设计与实现

提出了一种微控制器+U盘的FPGA脱机重构方案;采用此方案设计了SDR中一种新型通用的硬件调制平台;配合调制IP核实现了对不同类型基带信号的多种调制以及海量配置数据的脱机重构。微控制器通过扫描键盘来调用U盘内相应的配置数据对FPGA进行在线重构;FPGA根据重构数据对基带信号进行处理并发送到数字正交上变频(DUC)芯片中,实现调制信号的输出,同时把调制信息反馈给微控制器;微控制器把当前调制状态信息发送到LCD进行显示。与传统的调制方法相比:该平台功能强大、操作灵活、调制种类多、软件易升级、支持动态脱机重构,具有较高的工程应用价值。     

使用单片机实现多任务电路结构重配置

基于SRAM的LUT结构的FPGA的在线重配置技术，给出了一种利用单片机来控制配置数据，实现多任务电路结构的转换的方法。     

Geant4模拟半导体器件的单粒子效应

利用Monte Carlo软件Geant4模拟了质子和中子在半导体静态随机存储器模型中的输运过程。根据入射粒子的能量选择不同的物理模型,并采用强迫碰撞方法,模拟了高能质子和中子与硅原子的相互作用及其次级反应过程,给出了0.1~2 GeV超高能质子、中子和14 MeV中子辐照器件时存储单元灵敏区内的能量沉积,并根据具体器件的临界能量,得到了器件在不同能量的高能质子和中子辐照下引起的单粒子翻转截面和多位翻转截面,计算结果与文献资料结果符合较好。     

FPGA／CPLD可编程逻辑器件的在系统配置方法

讨论了基于SRAM技术的CPLD／FPCA可编程逻辑器件的编程方法，并以ALTERA公司FLEX10系列器件为例，提出了一种利用微处理器对可编程逻辑器件进行在系统多方案配置的实用方法。该方法成本低廉、简单易行，能在系统复位或上电时自动对器件编程，不仅有效的解决了基于SRAM的CPLD／FPGA器件掉电易失性的问题，而且使单一芯片可以具有多种逻辑功能，实现了该类器件逻辑功能的在系统多方案的灵活配置。