讲解一下SRAM型FPGA在轨会遇到的问题及其影响.docx

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1、讲解一下SRAM型FPGA在轨会遇到的问题及其影响SRAM_型FPGA属于核心元器件,因此对SRAM型FPGA进行抗辐照加固设计非常必要。今天贫道主要给大家布道一下SRAM型FPGA在轨会遇到的问题及其影响。*SEE分类SRAM型FPGA空间应用下面临的主要问题是单粒子效应和总剂量效应。如图1所示，单粒子效应包括单粒子闩锁SE1,单粒子翻转SEU,单粒子瞬变SET和单粒子功能中断SEFI。SE1属于硬错误，可能会导致FPGA器件损伤。而SEU,SET和SEF1则属于软错误，一般不会对器件造成损伤，但会影响FPGA功能。图1元器件单粒子效应的分类TID经常听说某国产元器件TID指标大于IoOKr

2、ador150Krad,为啥要定义这个指标呢？不同轨道的航天器遭受的年剂量是不一样的，比如1EO轨道遭受的只有几Kradsi,GEo轨道年剂量可能达到IOOKradsi,而MEo轨道年剂量最高可达数百Kradsi。这里提到的指标是典型的3mm铝屏蔽下的年剂量，乘以卫星的使用寿命，并考虑23倍的抗辐射设计余量（RDM）,就是型号任务通常的抗总剂量要求。为了满足总剂量的要求，可以通过设备机箱进行屏蔽，也可以通过整星设计，设备机箱结合其他结构件组合屏蔽。一般到元器件层面总剂量指标大于IoOKrad能满足型号任务的需求。3止止止*QqI个个个个个个个个个个个个个个Im,目前主流的SRAM型FPGA是C

3、MoS工艺，由于天然的寄生效应，一个NMOS和一个PMoS串联起来产生PNPN结构。受单粒子效应的影响，PNPN会处于导通状态且不断电会一直处于导通状态，影响管子使用寿命。随着导通的管子数量增多，外在表现就是电流会阶梯型上升。某国产宇航级的FPGA会在位:内部进行SE1特殊加固设计，指标达到84Mf2/mg板级设计不需要考虑额外的抗SE1设计。工业级的FPGA则必须要在板级设计中考虑电遮的监测和管理。由于电路的阶梯型上升特点，只对一级电源进行监测缺点是灵敏度不够，发现不了潜在的闩锁。最好对每路电源进行监测，提高灵敏度，一旦发生异常，采取断电重启。图2CMOS电路中的寄生效应图3发生SE1后电流

4、阶梯型上升4SEFISEF1分为应用级SEF1和器件级SEFI。如表1所示，器件级SEF1包括PORSEFI,Se1ectMAPSEFI,FARSEF1和全局信号的SEF1一般需要通过外部的刷新电路对器件级SEF1进行监测，并采取相应的应对措施。某国产宇航级的FPGA会在芯片内部进行SEF1特殊加固设计，指标达到37Mev.c2mg,极大增强了FPGA在轨稳定运行的能力。SEFI类型Fai1SEH检畲DnnrO望4刷新芯片监测FPGASEF1流程检测方法PORSEFI检冽doneIi“山/三号解决措施重新加载SeIectMAPSEFI读写卜AR寄存器busy信号G1oba1Signa1SEFI

5、I回读状态寄存器UserSEFIDCM1c)CK信号堇新加载或者等待重新加裁外部刷新+三模+自定义设计国厂FPS之郎表1SEF1类型与解决措施应用级SEFI需要把由SEU导致的用户层面逻辑功能异常刨除掉，专注一些基础性的一般性的东西，否则应用级SEF1就是一个模糊不清的概念。本文中应用级SEF1指的是时钟SET、复位毛刺和MMCM/P11/匹M的功能异常，下面对应用级SEFI分类进行说明。1)时钟SET如图5所示，尽管对电路做了TMR加固，但时钟信号的SET会导致该时钟域下的所有寄存器发生SEU,最终VotCr判定结果错误，TMR加固失效。图5时钟毛刺对时钟网络鲜采用GTMR策略，时钟IO不做

6、TMR,对BUFG做TMR0加固前单点失效路径是整个时钟routing,加固后单点失效路径是IO到BUFGs的交汇处，通常单点失效路径截面大为减少。图6GTMR有效降低时钟网络SET概率2）复位毛刺FPGA加载时用GSR来控制寄存器和状态机初值，因此并不需要额外产生复位信号来做初值控制。比如，不需要复位的寄存器（如数据流相关的寄存器）不设计外部复位，用GSR做初值控制。对复位毛刺很敏感的寄存器和状态机，可以改用同步复位，同步复位比异步复位消耗资源多一些，但比异步复位对毛刺敏感性低。图7异步复位同步释放电路如果外部异步复位扇出较多的寄存器，可以用GTMR加固策略。复位信号经过3个BUFG走全局时

7、钟专用网络，单路复位毛刺翻转影响不了另外两路复位信号对应的寄存器。3)MMCM/P11/DCMMMCM/P11/DCM的1OCK信号为高并不代表功能一定正常，因此建议开发一种缓解方案，例如通过计数器来检f1MMCM/P11/DCM输出故障。一旦MMCM/P11/DCM发生故障，进行复位操作。5*SEU*单粒子翻转SEU可以发生在FPGA任意的资源上，比如配置SRAM、配置逻辑电路、用户逻辑DFF和块存储器等。配置SRAM的SEU直接影响的是查找表1UT的值和互连资源的连接关系。查找表值的错误会导致用户逻辑功能出错，逻辑错误向下传播还可能导致时序单元出错。此外如果1UT用作了分布式RAM或者移位

8、寄存器SR1,那么还会导致存储数据出错。互连出错可能导致用户逻辑连接出错，连接错误向下传播可能导致时序单元出错。互连出错还可能导致互连产生短路，引起静态功耗增加。触发器DFF的SEU会导致用户逻辑状态出错和FSM状态机出错。流水寄存器状态出错的影响仅限于单个时钟周期，因此影响比较小。FSM状态机出错可能会造成严重的影响。如图8所示，状态机如果发生翻转至为定义的状态，那会导致状态机锁死，用户功能无法恢复。5StateFiniteState-MachineBinaryEncodingStateMappedorIUnmaPPed000Yes001Yes010Yes011Yes100Yes图8状态机发生SEU导致锁死QkResetBRAM块存储器发生SEU可能会造成功能出错。当BRAM资源用作幽!，ROM存储重要的参数，重要参数发生错误会导致用户功能受到严重影响。比如FPGA内部跑软核，程序存储在FPGA内部的BRAM资源中，BRAM程序区的SEU会导致指针乱跳，程序跑飞。图9软核存储器发生SEU导致程序跑飞战术总结对于SRAM型的FPGA而言，单粒子效应SEE可产生严重的影响。审核刘清