一種三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)fpga單粒子翻轉(zhuǎn)失效概率的評(píng)估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)失效概率的評(píng)估方法，根據(jù)FPGA器件中劃分的功能模塊，將待評(píng)估的FPGA器件劃分成多組，每個(gè)組包括三個(gè)具有相同比特位數(shù)的單元，由此模擬三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)，分別計(jì)算器件的單粒子本征翻轉(zhuǎn)率和無(wú)防護(hù)時(shí)的失效率，最后得到帶有三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)的失效概率，為抗單粒子效應(yīng)的評(píng)估提供一套實(shí)用的理論方法，同時(shí)得到的失效概率能夠真實(shí)反映三模冗余防護(hù)結(jié)果抗單粒子翻轉(zhuǎn)性能。
【專利說(shuō)明】一種三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)失效概率的評(píng)估 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間輻射【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)FPGA單粒子翻 轉(zhuǎn)失效概率的評(píng)估方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 空間電子系統(tǒng)廣泛采用以SRAM-FPGA為代表的超深亞微米器件，但這些器件對(duì)單 粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)（SEU)非常敏感，因此在空間采用這些高性能器件時(shí)，必須采取相應(yīng)的防護(hù) 技術(shù)，例如在SRAM-FPGA的抗單粒子翻轉(zhuǎn)的防護(hù)加固設(shè)計(jì)中，廣泛采用三模冗余（TMR)和定 時(shí)刷新等技術(shù)，然而TMR防護(hù)效果有一定的局限性，當(dāng)出現(xiàn)單粒子多位翻轉(zhuǎn)時(shí)，三模冗余防 護(hù)方法就失效了，因此采用了防護(hù)措施不代表排除所有的風(fēng)險(xiǎn)。特別是隨著器件尺寸的減 小和集成度的增加，在軌監(jiān)測(cè)和地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示單粒子多位翻轉(zhuǎn)更加明顯。因此需要研 究評(píng)估未采取、以及采取了防護(hù)措施的故障的概率，評(píng)估防護(hù)效果和指導(dǎo)驗(yàn)證試驗(yàn)的模型 和方法。
[0003] 電子系統(tǒng)的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)方面，開(kāi)展了深入的理論與應(yīng)用研究工作， 基于電子系統(tǒng)容錯(cuò)理論、可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論，廣泛采用三模冗余、看門狗等硬件防護(hù)措 施，以及很多種軟件措施，并且對(duì)這些措施的防護(hù)效果，進(jìn)行了定量的理論評(píng)估。在目前的 工程實(shí)踐中，三模冗余技術(shù)防護(hù)的SRAM-FPGA的單粒子翻轉(zhuǎn)失效的概率是通過(guò)重離子加速 器試驗(yàn)獲得，首先在無(wú) TMR的情況下，采用常規(guī)的單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法，得到器件本征翻轉(zhuǎn) 截面-能量傳輸（σ - LET)曲線，然后在有TMR防護(hù)條件下，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)腖ET值，在不 同的粒子注量下得到電路單元單粒子失效概率與注量的關(guān)系?；谝陨显囼?yàn)數(shù)據(jù)，就可以 得到失效概率與本征單粒子翻轉(zhuǎn)率的關(guān)系?；诘孛婺M試驗(yàn)開(kāi)展的單粒子效應(yīng)受到國(guó)內(nèi) 重離子源的限制，束流時(shí)間無(wú)法保證，且地面試驗(yàn)費(fèi)用相對(duì)昂貴。因此需要理論分析方法對(duì) FPGA，特別是TMR防護(hù)后的FPGA進(jìn)行抗單粒子效應(yīng)的評(píng)估工作。
[0004] 在FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)在軌建模分析方法，目前主要針對(duì)的是未采用防護(hù)的 FPGA的單粒子翻轉(zhuǎn)率分析。而實(shí)際的在軌應(yīng)用中，SRAM-FPGA往往采用了 TMR防護(hù)措施。 因此，對(duì)SRAM-FPGA的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)實(shí)際在軌失效率需要進(jìn)一步的研究，分析FPGA電路 在軌工作的抗輻射能力，為抗輻射加固提供理論參考依據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)失效概率的評(píng) 估方法，能夠?qū)θＨ哂喾雷o(hù)結(jié)構(gòu)的FPGA抗單粒子翻轉(zhuǎn)失效的性能進(jìn)行評(píng)估。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)失效概率的評(píng)估方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1、選定FPGA器件的類型以及該FPGA器件所要工作的空間環(huán)境，包括軌道參 數(shù)和空間環(huán)境參數(shù)；
[0009] 步驟2、根據(jù)軌道參數(shù)和空間環(huán)境參數(shù)，計(jì)算在程序燒錄之前所述FPGA器件的軌 道本征粒子翻轉(zhuǎn)率μ ;
[0010] 步驟3、根據(jù)步驟2得到的軌道本征粒子翻轉(zhuǎn)率，得到每一個(gè)刷新周期ts內(nèi)，F(xiàn)PGA 器件中有i位單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生概率P (Ai);其中，i = 1，2，...，n，n表示所述FPGA器件在一 個(gè)刷新周期能發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的最大位數(shù)；
[0011] 步驟4、計(jì)算未采用三模冗余防護(hù)的FPGA器件的在軌失效概率P(E): P(￡')=之廠〈￡|4〉·八4)，其中P〈E I表示經(jīng)過(guò)程序燒錄后的所述FPGA器件發(fā)生i位單 /-1 粒子翻轉(zhuǎn)的概率；
[0012] 步驟5、對(duì)所述FPGA器件進(jìn)行三模冗余防護(hù)模式劃分：
[0013] 根據(jù)FPGA器件中劃分的功能模塊個(gè)數(shù)M，將FPGA器件中的資源分成M組，各組中 資源包含的比特位數(shù)與對(duì)應(yīng)的功能模塊占用的比特位數(shù)一致；將每個(gè)組分為3個(gè)包含相同 比特位數(shù)的單元；
[0014] 步驟6、得到采用三模冗余防護(hù)的FPGA器件的失效概率：
[0015] 將步驟4得到的未采用三模冗余防護(hù)的FPGA器件的在軌失效概率P (E)作為每個(gè) 單元發(fā)生錯(cuò)誤的失效概率；針對(duì)所述步驟5劃分的每個(gè)組，各組的失效概率等于其中的3個(gè) 單元中至少有兩個(gè)單元同時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤的失效概率；則FPGA器件的失效概率為各組失效概 率之和。
[0016] 所述步驟3中計(jì)算i位單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生概率P(Ai)的具體方法為：先根據(jù)軌道本 征翻轉(zhuǎn)率μ，計(jì)算每一個(gè)刷新周期t s內(nèi)的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)V :
[0017] V = μ Xts ；
[0018] 然后采用泊松分布計(jì)算出現(xiàn)i次翻轉(zhuǎn)的概率P (Ai):
[0019] P(Ai) = e ? 〇 Il
[0020] 3、如權(quán)利要求1所述的一種三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)失效概率的評(píng)估 方法，其特征在于，所述步驟6中，計(jì)算各組的失效概率的方法為：
[0021] 針對(duì)第m個(gè)組，其失效概率為P (Em):
[0022] P(Em) = P(Em，i n Em，2)+P(Em，i n Em，3)+P(Em，2 n Em，3)-2P(Em，i n Em，2 n Em，3)
[0023] 其中，111=1，2，...，；門表示求交集丨出111，1)、？出 111，2)和？出111，3)分別表示第111個(gè) 組中第一個(gè)單元、第二個(gè)單元和第三個(gè)單元的失效概率，且三者均等于所述步驟4得到的 未采用三模冗余防護(hù)的FPGA器件的在軌失效概率P (E)。
[0024] 所述步驟6中，F(xiàn)PGA器件的失效概率P(E總）為 m=l
[0025] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0026] 本發(fā)明根據(jù)FPGA器件中劃分的功能模塊，將待評(píng)估的FPGA器件劃分成多組，每個(gè) 組包括三個(gè)具有相同比特位數(shù)的單元，由此模擬三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)，分別計(jì)算器件的單粒 子本征翻轉(zhuǎn)率和無(wú)防護(hù)時(shí)的失效率，最后得到帶有三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)的失效概率，為抗單 粒子效應(yīng)的評(píng)估提供一套實(shí)用的理論方法，同時(shí)得到的失效概率能夠真實(shí)反映三模冗余防 護(hù)結(jié)果抗單粒子翻轉(zhuǎn)性能。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是本發(fā)明建立的SRAM-FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)失效概率的評(píng)估方法流程圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明中一個(gè)周期內(nèi)不同翻轉(zhuǎn)次數(shù)單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生的概率P(Ai);
[0029] 圖3為本發(fā)明中TMR防護(hù)的器件結(jié)構(gòu)劃分示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0031] 本發(fā)明涉及一種FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)失效概率的評(píng)估方法，該模型能夠有效的分析 處于不同輻射環(huán)境參數(shù)（包括軌道參數(shù)和空間環(huán)境模型參數(shù)）條件下的SRAM-FPGA的單粒 子翻轉(zhuǎn)率、電路在軌的失效概率的估算。
[0032] 本發(fā)明的解決方案包括以下步驟：
[0033] 步驟1、選定輻射環(huán)境參數(shù)和器件的類型：
[0034] 根據(jù)軌道參數(shù)（軌道高度，軌道傾角等參數(shù)），并結(jié)合空間環(huán)境模型（例如CREME 96)。器件類型的選擇適用于SRAM類型的FPGA，例如選定Xilinx Virtex系列器件，根據(jù)具 體的FPGA配置情況，獲得該FPGA器件使用資源的位數(shù)，位數(shù)的單位為bit。
[0035] 步驟2、軌道本征單粒子翻轉(zhuǎn)率的計(jì)算：
[0036] 首先通過(guò)地面重離子加速器試驗(yàn)或者國(guó)外文獻(xiàn)獲得器件靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面（σ )和線 性能量傳輸（LET)的關(guān)系。器件靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面是指沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，器件本身所具有的單 粒子翻轉(zhuǎn)截面，與器件加載的電路無(wú)關(guān)。
[0037] 以配置好的Xilinx Virtex XC2V3000 FPGA為例，將XC2V3000放入到真空靶室中 采用注量率為f(pAcm2 〃 s))的重離子（分別采用三種重離子12C、Si、和Br)進(jìn)行輻照，經(jīng) 過(guò)一段時(shí)間t后，對(duì)XC2V3000的配置位回讀，并與輻照前的配置位進(jìn)行比較，就可以得到配 置位的翻轉(zhuǎn)位數(shù)n。XC2V3000器件的總配置位數(shù)N，由此可以得到XC2V3000器件的靜態(tài)翻 轉(zhuǎn)截面為： _ η
[0038] σ = -~~V
[0039] 其中
[0040] η :配置位的翻轉(zhuǎn)位數(shù)η ;
[0041] f :重離子注量率，單位為pAcm2 " s);
[0042] t:測(cè)試時(shí)間，單位為s ;
[0043] N :XC2V3000 總配置位數(shù) N。
[0044] 上述采用的三種重離子通過(guò)TR頂軟件計(jì)算在硅襯底中的LET值，然后把靜態(tài)翻轉(zhuǎn) 截面和LET值一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，獲得器件靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面和線性能量傳輸（〇 -LET)曲線。
[0045] 利用器件靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面和線性能量傳輸（σ-LET)曲線數(shù)據(jù)，采用Weibull分布方 法進(jìn)行擬合，獲得擬合參數(shù)。
[0046] 。（LET) = 〇 sat (l-exp {-[ (LET-Lth) /W]s})
[0047] 其中，〇 sat為飽和截面；Lth為L(zhǎng)ET閾值參數(shù)；W為寬度參數(shù)；S為無(wú)量綱指數(shù)。在 獲得FPGA受單粒子翻轉(zhuǎn)響應(yīng)的Weibull擬合參數(shù)（4個(gè)參數(shù)：o sat、Lth、W和S)的基礎(chǔ) 上，根據(jù)步驟（1)選定的軌道參數(shù)（例如同步軌道GEO、中軌軌道MEO)，結(jié)合空間環(huán)境模型 (CREME 96模型最惡劣7天、CREME 96模型最惡劣1天、1989年太陽(yáng)事件最惡劣5分鐘）計(jì) 算SRAM-FPGA器件的軌道本征翻轉(zhuǎn)率。以Xilinx Virtex XC2V3000 FPGA為例，計(jì)算在不 同輻射環(huán)境條件下的軌道本征翻轉(zhuǎn)率如表1所示。
[0048] 表1不同軌道、不同空間環(huán)境條件下的軌道本征翻轉(zhuǎn)率
[0049]

【權(quán)利要求】
1. 一種三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)失效概率的評(píng)估方法，其特征在于，包括如 下步驟： 步驟1、選定FPGA器件的類型以及該FPGA器件所要工作的空間環(huán)境，包括軌道參數(shù)和 空間環(huán)境參數(shù)； 步驟2、根據(jù)軌道參數(shù)和空間環(huán)境參數(shù)，計(jì)算在程序燒錄之前所述FPGA器件的軌道本 征粒子翻轉(zhuǎn)率μ; 步驟3、根據(jù)步驟2得到的軌道本征粒子翻轉(zhuǎn)率，得到每一個(gè)刷新周期ts內(nèi)，F(xiàn)PGA器件 中有i位單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生概率P(Ai);其中，i= 1，2, ...，η,η表示所述FPGA器件在一個(gè)刷 新周期能發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的最大位數(shù)； 步驟4、計(jì)算未采用三模冗余防護(hù)的FPGA器件的在軌失效概率P(E): 八幻=?>〈￡?4〉_)，其中P〈EIΑ，表示經(jīng)過(guò)程序燒錄后的所述FPGA器件發(fā)生i位單 i=l 粒子翻轉(zhuǎn)的概率； 步驟5、對(duì)所述FPGA器件進(jìn)行三模冗余防護(hù)模式劃分： 根據(jù)FPGA器件中劃分的功能模塊個(gè)數(shù)M，將FPGA器件中的資源分成M組，各組中資源 包含的比特位數(shù)與對(duì)應(yīng)的功能模塊占用的比特位數(shù)一致；將每個(gè)組分為3個(gè)包含相同比特 位數(shù)的單元； 步驟6、得到采用三模冗余防護(hù)的FPGA器件的失效概率： 將步驟4得到的未采用三模冗余防護(hù)的FPGA器件的在軌失效概率P(E)作為每個(gè)單元 發(fā)生錯(cuò)誤的失效概率；針對(duì)所述步驟5劃分的每個(gè)組，各組的失效概率等于其中的3個(gè)單元 中至少有兩個(gè)單元同時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤的失效概率；則FPGA器件的失效概率為各組失效概率之 和。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)失效概率的評(píng)估方法， 其特征在于，所述步驟3中計(jì)算i位單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生概率P(Ai)的具體方法為：先根據(jù)軌道 本征翻轉(zhuǎn)率μ，計(jì)算每一個(gè)刷新周期ts內(nèi)的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)V: V=μXts ； 然后采用泊松分布計(jì)算出現(xiàn)i次翻轉(zhuǎn)的概率P(Ai):
3. 如權(quán)利要求1所述的一種三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)失效概率的評(píng)估方法， 其特征在于，所述步驟6中，計(jì)算各組的失效概率的方法為： 針對(duì)第m個(gè)組，其失效概率為P(Em): P(Em) =p(Em；1nEm；2)+p(Em；1nEm3)+P(Em2ηEm3)-2P(Em；1ηEm2ηEm3) 其中，111=1，2，...，；門表示求交集屮出"1， 1)、？出"1，2)和？出"1，3)分別表示第111個(gè)組中第一個(gè)單元、第二個(gè)單元和第三個(gè)單元的失效概率，且三者均等于所述步驟4得到的未采 用三模冗余防護(hù)的FPGA器件的在軌失效概率P(E)。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種三模冗余防護(hù)結(jié)構(gòu)FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)失效概率的評(píng)估方法， 其特征在于，所述步驟6中，F(xiàn)PGA器件的失效概率P(E總）為：=丨-fl[i-ο ?=1
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104462658SQ201410638260
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】王穎, 秦珊珊, 張慶祥, 蔡震波, 趙小宇 申請(qǐng)人:北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部