МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 4, с. 248-252
ВОЗДЕЙСТВИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382
ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПЛИС К ЭФФЕКТАМ ВОЗДЕЙСТВИЯ
ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ © 2012 г. Д. В. Бобровский, О. А. Калашников, П. В. Некрасов
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" E-mail: oakal@spels.ru;pvnek@spels.ru Поступила в редакцию 16.12.2011 г.
Представлен метод оценки чувствительности по эффектам одиночных функциональных сбоев ПЛИС при воздействии отдельных ядерных частиц, заключающийся в экспериментальной оценке сечения одиночных сбоев ячейки конфигурационной памяти и расчетной оценки сечения функционального сбоя устройства. Метод позволяет сократить объем экспериментальных исследований при оптимизации функциональной реализации устройства. Показано, что чувствительность ПЛИС к эффектам одиночных функциональных сбоев в значительной степени зависит от реализованного в ней устройства.
Космические аппараты в процессе эксплуатации подвергаются воздействию различных внешних факторов, в том числе — радиационных. С увеличением срока активного существования космических аппаратов на орбите возрастает роль радиационных отказов интегральных схем (ИС), входящих в его состав.
На современном этапе развития бортовой электронной аппаратуры космических аппаратов приоритет отдается функционально сложным цифровым ИС, которые позволяют обеспечить необходимые задачи в условиях жестких ограничений на массогабаритные характеристики всего космического аппарата. Технические и эксплуатационные характеристики перспективных систем управления и контроля во многом обусловлены техническим уровнем входящих в их состав ПЛИС — схем, в базисе которых реализуется значительное количество блоков, участвующих в передаче и обработке информации на борту КА. Кроме того, повышение логической емкости ПЛИС в настоящее время позволяет реализовать на одном кристалле десятки процессорных ядер или микроконтроллеров. При этом возможна оптимизация процессора или микроконтроллера по выполняемым командам, что позволяет сократить потребляемую мощность и повысить тактовую частоту по сравнению с типовыми микроконтроллерами.
Как и все цифровые сверхбольшие ИС (СБИС), ПЛИС подвержены воздействию отдельных ядерных частиц, приводящему к одиночным сбоям в элементах памяти, переходным процессам в комбинационной логике и активации паразитных тиристорных структур. Одиночные сбои в ПЛИС имеют свою специфику. Кроме сбо-
ев в пользовательских областях памяти, большое значение имеют сбои в конфигурационной памяти, которые могут привести к полному нарушению функционирования устройства. При построении устройства, как правило, доступно несколько вариантов реализации функций, в том числе и с применением схем резервирования, кодирования и других способов защиты от сбоев. Использование таких методов позволяет оптимизировать схему по параметру сечение одиночного эффекта функционального сбоя устройства (8БР1), т.е. уменьшить количество задействованных ячеек конфигурационной памяти, сбои в которых приведут к функциональному сбою устройства.
Рассмотрим пример оптимизации устройства по сечению 8БР1 тестового устройства — триггера, подключенного к контактным площадкам ПЛИС (рис. 1). В результате размещения проектов на кристалле получены следующие структуры конфигураций (рис. 2, 3). Применение тройного резервирования счетного элемента приводит к уменьшению на 13% количества ячеек конфигурационной памяти, сбои в которых приводят к функциональному сбою устройства.
Специфика ПЛИС с точки зрения оценки ее радиационной стойкости заключается в том, что уровень стойкости по эффекту функционального сбоя устройства, реализованного в ПЛИС, зависит не только от характеристик самой ПЛИС, но и от конкретной реализации устройства.
В зависимости от того, какие блоки ПЛИС затрагивает сбой в конфигурационной памяти, их можно разделить на следующие категории по источникам возникновения сбоев: программируемые соединения, буферные усилители, коммути-
(а) (б)
Рис. 1. Принципиальные схемы (а) триггер (б) триггер с резервированием.
Рис. 3. Размещение проекта триггера с тройным резервированием счетного элемента. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 41 № 4 2012
250
БОБРОВСКИЙ и др.
А Б В Г
А
V
А Б В Г
В
ТЗЧ
Конфигурационный бит
(а)
(б)
Рис. 4. Пример одиночного сбоя в мультиплексоре: (а) — коммутация до сбоя, (б) — коммутация линий после сбоя.
рующие мультиплексоры, таблицы перекодировки и управляющая логика [1, 4, 5].
Сбои в мультиплексорах, программируемых соединениях и буферных усилителях относятся к классу ошибок связей. Значительная часть коммутации сигналов в ПЛИС выполняется при помощи мультиплексоров, которые, в свою очередь, подвержены влиянию одиночных сбоев. Сбои в ячейках памяти, управляющих мультиплексорами, приводят к изменению соединений и нарушению работы исходного проекта (рис. 4).
Изменение значения каждой ячейки конфигурационной памяти, управляющей программируемым соединением, приводит к подключению или отключению соответствующих линий, что может привести к изменениям функций, заложенных разработчиком.
В чувствительных к задержкам приложениях подключение дополнительных линий может изменять задержку распространения сигнала и, тем самым, влиять на работу устройства (рис. 5). Первоначально в ячейке конфигурационной памяти был записан 0 и линии были разомкнуты. В результате сбоя линии замыкаются, что может вызвать нарушение работы устройства.
Кроме программируемых соединений, ячейки конфигурационной памяти управляют работой буферных усилителей, включая или отключая их, активируя дополнительные функции, например — включение подтягивающего резистора, изменение скорости нарастания выходного сигнала, инверти-
рование сигнала. Сбои в этих ячейках влияют на работу периферийных блоков ввода-вывода.
Таблица перекодировки конфигурируется как многовходовая функция, или как блок памяти, или как сдвиговый регистр. Сбой в одной из ячеек таблицы, сконфигурированной как многовходо-вая функция, изменит ее, что может привести к неверной работе на каком-то определенном наборе входных значений. Сбой в таблице, сконфигурированной как блок памяти, также влияет на функционирование. В каком режиме будет работать таблица перекодировки (функциональный генератор, двухпортовая память или сдвиговый регистр), определяют ячейки конфигурационной памяти управляющей логики. Другие ячейки памяти управляющей логики определяют электрические стандарты портов ввода-вывода, режимы работы конфигурационных логических блоков. К управляющей логике также можно отнести регистры порта периферийного сканирования JTAG, через который осуществляется конфигурирование. Поэтому сбои в ячейках конфигурационной памяти управляющей логики на различных этапах оказывают существенное влияние на работу устройства.
Оценка сечения 8БР1 может проводиться двумя методами — экспериментальным и расчетно-экспериментальным.
Экспериментальный метод основан на проведении радиационных исследований. Оценка сечения одиночного эффекта прерывания функционирования при этом производится на основании полного и непрерывного контроля функционирования схемы в зависимости от входных воздействий. Недостатками такого метода является необходимость проведения эксперимента для каждой реализации устройства, что значительно повышает стоимость и время испытаний, а также сложность оперативного контроля функционирования в условиях радиационного эксперимента, так как проекты, реализованные в ПЛИС, могут быть достаточно сложными. Наличие указанных недостатков объясняет актуальность расчетно-экспериментального подхода.
Расчетно-экспериментальный метод реализуется в два этапа. На первом этапе на модулирующих установках (ускорители протонов, ионов) производится экспериментальная оценка сече-
№
(а)
(б)
Рис. 5. Пример одиночного сбоя в программируемом межсоединении: (а) — коммутация до сбоя, (б) — коммутация после сбоя, (в) — подключение дополнительной линии.
ния одиночных сбоев ячейки конфигурационной памяти по следующей методике:
облучение ПЛИС потоком отдельных ядерных частиц;
функциональный контроль конфигурационной памяти путем считывания прошивки через JTAG порт или другими средствами и подсчет количества сбившихся ячеек при набранном флю-енсе частиц;
оценка сечения одиночного сбоя ячейки конфигурационной памяти.
Полученное значение сечения не зависит от прошивки и является характеристикой самой ПЛИС.
На расчетном этапе определяется количество ячеек конфигурационной памяти, сбои в которых приводят к нарушению функционирования устройства. Для их подсчета предлагается две методики.
Первая методика основана на использовании специализированного программного обеспечения. Входными данными для программного обеспечения являются файл размещения проекта на кристалле (bit-файл, xdl-файл или аналогичные, получаемые в результате работы САПР производителя), модель конфигурационного логического блока, включающая базу данных по количеству ячеек конфигурационной памяти, связанных с конкретным ресурсом, и базу данных взаимовлияющих межсоединений. На основе этих данных производится оценка количества ячеек конфигурационной памяти, сбои в которых приведут к нарушению функционирования устройства. Зная количество критичных ячеек и сечение одиночных сбоев ячейки конфигурационной памяти, рассчитывается сечение SEFI устройства, реализованного в ПЛИС.
Вторая методика заключается в последовательном внесении "сбоя" в каждую ячейку конфигурационной памяти и контроле последствий, вызванных таким "сбоем". На рис. 6 показан алгоритм внесения "сбоя" в конфигурационную память ПЛИС. В качестве исходных данных используется файл с конфигурационной информацией, записываемой в ПЛИС в стандартном формате САПР производителя (.bit файл для ПЛИС Xilinx, .sof или .hex для ПЛИС Altera).
Алгоритм формирования измененного конфигурационного файла реализуется в виде специализированного программного обеспечения и стандартной схемы загрузки конфигурационной информации в ПЛИС при помощи загрузочного кабеля и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.