周國昌，朱 啟，巨 艇，賴曉玲，郭陽明，于登云

（1.中國空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安 710100；2.西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710072；3.中國航天科技集團(tuán)公司科技委 北京 100048）

航天技術(shù)大大加速了經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)、科學(xué)文化和社會(huì)生活各領(lǐng)域的現(xiàn)代化進(jìn)程。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA、DSP等超大規(guī)模集成電路越來越多的被應(yīng)用于星載平臺(tái)上。與之相伴的，則是宇宙空間輻照環(huán)境下，F(xiàn)PGA等微電子器件及其大規(guī)模集成電路無時(shí)不刻發(fā)生著對(duì)航天器通訊、測控和導(dǎo)航都有嚴(yán)重影響的單粒子效應(yīng)，而且集成度越高，單粒子效應(yīng)的影響就越顯著。各種航天器在宇宙空間運(yùn)行會(huì)受到各種高能粒子和射線的輻射，可能造成星內(nèi)電子系統(tǒng)的損傷，甚至使整個(gè)航天器失效。有關(guān)資料顯示，由輻射引發(fā)的衛(wèi)星等航天器微電子器件單粒子效應(yīng)是航天器主要的異常和故障之一[1-3]。

降低或避免輻射導(dǎo)致的單粒子失效故障的影響是航天工作所必須面對(duì)的問題。防錯(cuò)技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性的兩種主要途徑。防錯(cuò)技術(shù)注重于降低故障發(fā)生的可能性，而容錯(cuò)技術(shù)則注重于在錯(cuò)誤存在的情況下仍能保持系統(tǒng)的可操作性。故障檢測/恢復(fù)技術(shù)是一種常用而有效的容錯(cuò)技術(shù)，它的關(guān)鍵是選擇合理的檢測點(diǎn)，采用有效的檢測方法獲取信息，準(zhǔn)確判斷發(fā)生的故障。

一般來講，F(xiàn)PGA的重要功能模塊影響FPGA局部功能運(yùn)行，如果該模塊發(fā)生功能錯(cuò)誤，將對(duì)FPGA某區(qū)域的功能造成較長時(shí)間的故障。對(duì)這類功能模塊以檢錯(cuò)為主以預(yù)防錯(cuò)誤的保持和積累。而對(duì)于FPGA的關(guān)鍵功能模塊，由于其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行起決定作用，如果該模塊功能錯(cuò)誤將造成整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)異常甚至癱瘓[1]。因此，這類功能系統(tǒng)往往需要共同應(yīng)用防錯(cuò)技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)來保證系統(tǒng)的高可靠性。如采用局部TMR、TTMR或DMR等容錯(cuò)功能冗余設(shè)計(jì)[2-4]，以及故障檢測糾錯(cuò)技術(shù)等，以自動(dòng)糾正功能模塊的錯(cuò)誤，確保功能的正確性。但是，空間儀器中FPGA的資源使用和速度是一個(gè)重要的方面，過多的資源開銷和過大的速度下降將限制儀器的功能和性能。TMR、TTMR或DMR使得目標(biāo)設(shè)計(jì)的資源增加1~2倍，速度性能（即最大工作頻率）下降15%左右[1]。

論文基于此，分析了FPGA器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA空間分布特性的檢測電路，并仿真驗(yàn)證了其有效性。

1 FPGA單粒子效應(yīng)故障機(jī)理分析

FPGA的單粒子效應(yīng)故障具有存儲(chǔ)器和處理器故障的雙重特征。SRAM型FPGA的主要組成為配置存儲(chǔ)器（Configurable Memory）、可編程邏輯單元（CLB）可編程輸入輸出口（Programmable IOB）、塊存儲(chǔ)器（Block RAM）、布線資源（Routing Resource）、乘法器（Multiplier）、數(shù)字時(shí)鐘管理模塊（DCM，Digital Clock Manager）、配置狀態(tài)機(jī)（Configuration state Machine）、上電復(fù)位狀態(tài)機(jī)（POR， Power-on Reset）等。

FPGA的單粒子效應(yīng)故障模式可以由配置存儲(chǔ)器、用戶存儲(chǔ)器/觸發(fā)器發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)引起的故障，以及由上電復(fù)位狀態(tài)機(jī)、配置狀態(tài)機(jī)、硬件乘法器等發(fā)生單粒子功能中斷和單粒子瞬態(tài)脈沖引起的故障兩大類。FPGA組成模塊的單粒子翻轉(zhuǎn)故障、單粒子功能中斷故障和單粒子瞬態(tài)脈沖故障的表現(xiàn)形式及可訪問性如表1所示[1]。

2 FPGA單粒子效應(yīng)的空間分布特性

邏輯功能復(fù)雜的深亞微米FPGA，依靠復(fù)雜的時(shí)序邏輯關(guān)系完成各種各樣的功能，各個(gè)基本電路單元之間除了物理上的連接關(guān)系之外，經(jīng)過后期的邏輯功能設(shè)計(jì)，相互之間還產(chǎn)生了新的邏輯連接和時(shí)序關(guān)系。某個(gè)基本電路單元的單粒子效應(yīng)故障可以通過這些新生的關(guān)系，擴(kuò)大到更大的作用區(qū)域，并且持續(xù)更長的作用時(shí)間。也就是說，短暫的、小面積的單個(gè)晶體管的單粒子效應(yīng)能夠通過時(shí)序電路的邏輯功能傳播到相鄰的區(qū)域，并導(dǎo)致該區(qū)域邏輯功能的伴隨故障，這類現(xiàn)象為單粒子效應(yīng)的伴隨現(xiàn)象。伴隨現(xiàn)象在FPGA功能模塊中表現(xiàn)出的故障藕合與傳遞特性被稱為伴隨特性[1]。

表1 FPGA的單粒子故障表現(xiàn)形式和可訪問性Tab.1 SEE failure forms and accessibility with FPGA

伴隨特性產(chǎn)生的原因是，由于單個(gè)高能粒子由于質(zhì)量、能量、入射角以及所帶電荷的不同，在不同結(jié)構(gòu)和材料的PN結(jié)中造成能量沉積的分布特性也不相同，形成的等離子體體積也不相同[5-6]，但是一般都認(rèn)為，高能粒子入射到硅材料后絕大部分能量沉積在一個(gè)以入射點(diǎn)為靶心圓形狀區(qū)域內(nèi)[7-8]。這樣的空間分布特性，在應(yīng)用層次上向功能模塊層面擴(kuò)充，表現(xiàn)出“伴隨特性”的單粒子效應(yīng)故障的可測形式。

由此，根據(jù)單粒子效應(yīng)的空間分布特性，單粒子效應(yīng)故障的傳遞過程可描述為：電路單元的單粒子效應(yīng)造成其自身所在的功能模塊的故障，以及其一定物理相鄰區(qū)域內(nèi)功能電路的故障。即高能粒子的影響通過單粒子效應(yīng)的空間分布特性產(chǎn)生了傳遞，并被記錄在其他功能模塊中。

因此，單粒子效應(yīng)故障的檢測可以考慮在待檢測電路附近，合理放置狀態(tài)已知的檢測電路。通過其狀態(tài)的變化，推斷待檢測電路是否發(fā)生單粒子故障。這樣的方法，除了可以準(zhǔn)確檢測、定位故障電路，還能以降低故障檢測帶來的資源或者性能損失。

3 FPGA單粒子軟錯(cuò)誤檢測電路設(shè)計(jì)

FPGA單粒子軟錯(cuò)誤的檢測和診斷的關(guān)鍵是尋找已知狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行比較。因此，F(xiàn)PGA檢測點(diǎn)的選擇需篩選出本身狀態(tài)已知的點(diǎn)，或設(shè)計(jì)已知狀態(tài)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的對(duì)比分析。即若篩選出的待檢測點(diǎn)狀態(tài)已知，則該點(diǎn)選擇為檢測點(diǎn)；若篩選出的待檢測點(diǎn)狀態(tài)未知，則選擇與該檢測點(diǎn)耦合關(guān)系最緊密的狀態(tài)已知點(diǎn)為檢測點(diǎn)。

由第2節(jié)的分析可知，當(dāng)一束高能粒子轟擊到FPGA的某一區(qū)域時(shí)，發(fā)生單粒子軟錯(cuò)誤的區(qū)域是以該被轟擊區(qū)域?yàn)橹行?、直徑遠(yuǎn)大于該轟擊區(qū)域直徑的一圓形區(qū)域。因此，當(dāng)某一待檢測點(diǎn)發(fā)生了單粒子軟錯(cuò)誤，基于空間上的分布特性，其相鄰區(qū)域內(nèi)的電路也將發(fā)生單粒子軟錯(cuò)誤。由此，基于單粒子效應(yīng)的空間分布特性，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的狀態(tài)已知的檢測電路，用于檢測狀態(tài)未知的功能電路的狀態(tài)。同時(shí)，該檢測電路對(duì)狀態(tài)已知功能電路同樣可用。

此時(shí)，無論待檢測點(diǎn)狀態(tài)是否已知，均可在其周圍放置圖1所示的原理電路，完成FPGA單粒子軟錯(cuò)誤的檢測。其中，檢測電路的設(shè)計(jì)可采用觸發(fā)器沿敏感復(fù)位或采用鎖存器電平敏感復(fù)位兩種設(shè)計(jì)，分別如圖2、圖3所示。

圖2、圖3所示檢測電路中，每個(gè)檢測電路存儲(chǔ)一個(gè)已知的初始值（0、1均可）。初始狀態(tài)、復(fù)位之后以及當(dāng)前值與初始值相同時(shí)，Q端向外輸出低電平；當(dāng)檢測點(diǎn)的當(dāng)前值與初始值不同時(shí)（即將當(dāng)前值與初始值進(jìn)行異或操作），認(rèn)為發(fā)生了SEU翻轉(zhuǎn)，Q端向外輸出高電平并保持，直到rst信號(hào)有效，檢測點(diǎn)恢復(fù)到初始狀態(tài)（rst上跳沿或下跳沿復(fù)位可采用圖2所示電路；rst高電平或低電平復(fù)位可采用圖3所示電路。設(shè)計(jì)中選用一種即可）。檢測電路的真值表如表2所示。

圖1 基于單粒子軟錯(cuò)誤空間分布特性的檢測原理示意圖Fig.1 Detection principle diagram based on the spatial distribution characteristics of single particle soft error

圖2 采用觸發(fā)器沿敏感復(fù)位的檢測電路圖Fig.2 Detection circuit diagram （reset using the sensitive transitions of trigger edge）

圖3 采用鎖存器電平敏感復(fù)位的檢測電路圖Fig.3 Detection circuit diagram （reset using the sensitive transitions of latch level）

由此，每個(gè)檢測點(diǎn)可以由多級(jí)、多個(gè)檢測電路組成，每級(jí)可以有多個(gè)檢測電路，如在圖1中，檢測點(diǎn)0由兩級(jí)檢測電路組成，第一級(jí)包含1個(gè)檢測電路，第二級(jí)包含2個(gè)檢測電路。同級(jí)之間的多個(gè)檢測電路之間、多級(jí)之間，產(chǎn)生的輸出信號(hào)通過或門，產(chǎn)生新的輸出，最終，每個(gè)檢測點(diǎn)輸出1跟SEU信號(hào)，送往SEU狀態(tài)寄存器。

表2 檢測電路的真值表Tab.2 Truth table of the detection circuit

SEU狀態(tài)寄存器的個(gè)數(shù)、每個(gè)寄存器的位數(shù)，可以根據(jù)自己的實(shí)際情況確定，只需“寄存器個(gè)數(shù)×寄存器位數(shù) =檢測點(diǎn)數(shù)量”即可。

狀態(tài)讀取模塊根據(jù)用戶實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，可使用用戶芯片中原有的數(shù)據(jù)讀取通路。圖1的示例中，使用并行接口對(duì)SEU狀態(tài)寄存器進(jìn)行讀取，數(shù)據(jù)線、地址線的位數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。

SEU狀態(tài)讀取完畢后，通過該接口，設(shè)置復(fù)位寄存器的值，產(chǎn)生rst信號(hào)，對(duì)所有檢測點(diǎn)中的檢測電路進(jìn)行復(fù)位，將其恢復(fù)到初始狀態(tài)。

當(dāng)完成一次檢測后，由SEU狀態(tài)寄存器記錄當(dāng)次檢測結(jié)果，該結(jié)果可以由狀態(tài)讀取模塊根據(jù)需求讀出。同時(shí)，根據(jù)檢測結(jié)果，驅(qū)動(dòng)FPGA完成局部電路刷新，以恢復(fù)期正常狀態(tài)。

顯然，該檢測電路可以推廣到所有FPGA組成模塊的檢測，只需將其放置在待檢測電路的附近，利用單粒子效應(yīng)的空間特性，均可根據(jù)檢測模塊的狀態(tài)變化，獲得待檢測電路發(fā)生單粒子軟錯(cuò)誤的情況。

4 仿真驗(yàn)證

本文利用圖1所示的檢測電路，并在Modelsim下進(jìn)行了仿真測試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 檢測電路仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the detection circuits

圖4 中，通過tb向第31和第2個(gè)SEU檢測點(diǎn)，即SEU31、SEU2注入了SEU故障?？梢钥吹?，SEU內(nèi)部狀態(tài)寄存器的值已經(jīng)改變，通過狀態(tài)讀取模塊，可以將SEU狀態(tài)讀出（讀出的結(jié)果為seu_status_readout）。仿真結(jié)果證明了本文設(shè)計(jì)的檢測電路的可用性和有效性。

5 結(jié) 論

本文分析了FPGA器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的空間分布特性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種檢測電路。將該電路放置在FPGA待檢測電路的附近，利用單粒子效應(yīng)的空間特性，均可根據(jù)檢測模塊的狀態(tài)變化，獲得待檢測電路發(fā)生單粒子軟錯(cuò)誤的情況。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該電路是可行、有效的檢測電路，具有很小的資源或者性能損失，具有很好地應(yīng)用價(jià)值。

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