單粒子翻轉(zhuǎn)引起SRAM型FPGA的故障機理闡述0引言隨著半導體技術(shù)的高速發(fā)展，大規(guī)模集成電路變得更加復(fù)雜，開發(fā)周期變得更長。FPGA由于具備可編程性，其廣泛應(yīng)用可以降低電路的開發(fā)成本。然而，單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）會使FPGA內(nèi)部的大量的存儲器變得不可靠，尤其是StaticRAM（SRAM）型FPGA的配置存儲器受到重離子轟擊時，會導致器件邏輯布線出錯，進而引起模塊故障，甚至導致整個系統(tǒng)的功能中斷。對于SRAM型FPGA，配置存儲器的單粒子翻轉(zhuǎn)占整個器件翻轉(zhuǎn)總數(shù)的90%以上的比例［1］，因此對配置存儲器的單粒子翻轉(zhuǎn)防護十分重要。目前也有一些方法可以對抗SEU。三模冗余（TripleModularRedundancy，TMR）是一種常用的有效加固設(shè)計，可以有效提高可靠性。TMR的每一個冗余支路可以屏蔽一個錯誤，但無法處理多比特翻轉(zhuǎn)，尤其是3倍資源的消耗也會影響整個器件的運行功耗。為了減少資源的消耗，文獻［2］提出了一種基于雙模冗余（DoubleModularRedundancy，DMR）的檢錯電路，它以較小的資源代價來處理多比特翻轉(zhuǎn)；文獻［3］提出了一種星載信號處理平臺結(jié)構(gòu)，利用高可靠性的反熔絲ActelFPGA對XilinxV4系列FPGA進行監(jiān)控和刷新；文獻［4］介紹了FPGA的刷新設(shè)計要處理Half-latch，來避免回讀無法發(fā)現(xiàn)的錯誤；文獻［5］介紹了一種高效的加固測試的方法；文獻［6］提出了基于ZYNQ加固的技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，功能模塊的集成度逐漸提高，Xilinx公司Kintex-7系列FPGA是當下較為普遍的處理器，而對其的單粒子防護變得更為迫切。為了提高可靠性，有效對抗空間輻射引起的故障，本文提出了一種基于高可靠性反熔絲ActelFPGA對XilinxKintex-7FPGA進行回讀、校驗和刷新的處理平臺。1空間輻射空間中的電子器件，會受到空間中大量高能輻射粒子（質(zhì)子、電子、α粒子、重離子、γ射線等）的作用，高能粒子對半導體器件PN結(jié)的碰撞，在重粒子的運動軌跡周圍形成電荷被PN節(jié)靈敏電極收集形成瞬態(tài)電流，當瞬態(tài)電流超過一定值就會觸發(fā)邏輯電路，將造成半導體存儲器或觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)、邏輯功能的瞬時異常或中斷，即單粒子效應(yīng)。根據(jù)單粒子效應(yīng)的產(chǎn)生機理，可以對航天應(yīng)用中的集成電路芯片進行加固，以減少單粒子效應(yīng)對系統(tǒng)功能的影響。對于單粒子效應(yīng)的加固，從加固方法上可將其分為工藝上加固和功能上加固兩大類。工藝上的加固指的是采用抗輻射能力強的工藝和材料，制造出具有較高抗輻射能力的器件，例如宇航級的器件，它本身就進行了輻射加固設(shè)計。功能上的加固是指通過復(fù)位或者重寫操作對器件進行修復(fù)，將單粒子效應(yīng)引起的錯誤邏輯進行糾正，從而達到抗輻射的目的。2研究現(xiàn)狀美國的好奇號探測器、金星快車探測器均使用Xilinx公司的宇航級FPGA，目前該公司的抗輻射FPGA產(chǎn)品如Virtex-4QV（以下簡稱V4）被認為是用于空間應(yīng)用的成熟處理器。但其高昂的價格和較長的采購周期提高了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究成本。Xilinx制造的Kintex-7（以下簡稱K7）FPGA具有低功耗高性價比的優(yōu)點，并且可用資源比抗輻射的V4有較大優(yōu)勢，表1比較了V4（具體型號為XQ4VSX55）和K7（具體型號為XC7K32ST）兩款芯片的主要參數(shù)［7］。XC7K325T的邏輯單元是XQ4VSX55的5.9倍，DSP資源是它的1.6倍，豐富的資源提供了復(fù)雜信號處理的解決能力，同時為系統(tǒng)的小型化設(shè)計提供了可靠的解決方案。XC7K325T和XQ4VSX55均采用SRAM型結(jié)構(gòu)，其主要硬件組成為：可配置存儲器（ConfigurableMemory）、可編程邏輯單元（ConfigurableLogicBlock）、可編程輸入輸出口（ProgrammableIO）、塊存儲器（BlockRAM）、乘法器（Multiplier）、數(shù)字時鐘管理模塊（DigitalClockManager）、配置狀態(tài)機（ConfigurationStateMachine）、上電復(fù)位狀態(tài)機（PowerOnResetStateMachine）、布線資源（RoutingResource）。由于采用SRAM型結(jié)構(gòu)，通過相關(guān)實驗表明，F(xiàn)PGA故障多數(shù)是由可配置存儲器發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）引起的［8］。可配置存儲器控制著FPGA設(shè)計中的控制位（ControlBit）、查找表（LookUpTable）、開關(guān)矩陣（Multiplexiers）、可編程互連點（ProgrammableInterconnectPoints）和布線緩存器（RoutingBuffer）。根據(jù)可配置存儲器中各類功能位所占的比例，可以判斷可配置存儲器單粒子翻轉(zhuǎn)主要引起布線資源的錯誤。單粒子翻轉(zhuǎn)影響它所在功能模塊的功能，但并不一定引起整個器件信號處理功能的失效，并且此類故障可以通過刷新來修復(fù)。3加固平臺設(shè)計3.1總體設(shè)計本單粒子加固平臺主要由高可靠性單元（HighReliabilityUnit，HRU）、XC7K325T和PROM組成。其中，信號處理部分由一片F(xiàn)PGA完成，高可靠單元完成對FPGA的配置、監(jiān)控、回讀校驗和刷新功能。基于XC7K325T的抗SEU平臺設(shè)計框圖如圖1所示。圖中K7FPGA和反熔絲HRU直接交互，同時HRU直接與存儲芯片連接，程序采用幀校驗的方法來比對K7FPGA中的配置位，存儲芯片17V16的大小為16Mb，經(jīng)過計算共需要6片17V16。3.2K7的上電配置該平臺工作流程是，系統(tǒng)加電后，HRU首先配置K7，根據(jù)K7的配置時序圖（如圖2所示），首先置低PROGRAM_B引腳，初始化K7的配置寄存器，當INIT_B引腳變高后，這時再將PROM中的程序下載到K7中，當配置完成后，K7的DONE引腳會變高，意味著配置成功，此時K7開始工作；這時HRU首先檢測配置是否成功，如果未成功，則重新配置；如果配置K7成功后，它的看門狗電路開始工作，這時HRU進入監(jiān)測狀態(tài)，實時地檢測K7的工作狀態(tài)。其中K7的各個配置引腳的定義如表2所示。3.3K7的回讀校驗與刷新當K7配置完成后，等待回讀校驗命令對器件進行回讀測試。K7的回讀校驗采用按幀編碼校驗的方式。在回讀過程中，對出錯的幀進行記錄和數(shù)傳。當K7的回讀校驗都完成以后，進行錯誤判決。如果檢測出錯誤，則對相應(yīng)的器件進行動態(tài)重構(gòu)處理，使其恢復(fù)到原始設(shè)計狀態(tài)。完整的K7抗SEU加固軟件執(zhí)行流程如圖3所示。其中檢測K7的狀態(tài)是通過回讀操作完成的，回讀是通過SelectMAP接口將K7內(nèi)部配置存儲器中的數(shù)據(jù)讀出的過程。回讀過程可以讀出K7存儲器的當前狀態(tài)以及布線資源的配置情況等，然后通過檢測回讀數(shù)據(jù)來判斷當前配置數(shù)據(jù)的正確性。回讀校驗是K7單粒子效應(yīng)故障檢測的重要方法。回讀過程分為寫操作命令、讀取數(shù)據(jù)和恢復(fù)現(xiàn)場三部分。FPGA每一幀回讀數(shù)據(jù)的內(nèi)容都決定著與其相對應(yīng)的功能模塊的邏輯功能。通過對配置存儲器的回讀和校驗，HRU可以決定是否需要對該功能模塊進行局部重配置。4應(yīng)用驗證本設(shè)計采用的動態(tài)回讀是在不中斷正在運行的電路邏輯功能的情況下對配置存儲器的回讀。當回讀發(fā)現(xiàn)K7的配置數(shù)據(jù)異常時，則進行刷新操作。刷新操作是在對目標器件K7的錯誤配置數(shù)據(jù)進行重構(gòu)修復(fù)，通過以上流程HRU可以完成對XC7K325T的SEU加固。為通過模擬XC7K325T空間環(huán)境應(yīng)用時發(fā)生SEU，對加固軟件的回讀校驗和刷新功能進行測試。測試系統(tǒng)組成如圖4所示。測試系統(tǒng)主要由故障生成計算機、XC7K325T和HRU組成。為了調(diào)試方便，用Flash存儲K7的配置文件，計算機通過JTAG口將錯誤的配置信息燒錄到FPGA中，HRU通過與Flash存儲的配置文件比對，檢測出SEU后實施刷新操作。通過工作指示可以監(jiān)測當注入錯誤的配置信息后K7的工作狀態(tài)，隨后當回讀校驗刷新時，F(xiàn)PGA的原有的配置程序功能恢復(fù)。測試主要分為以下幾個步驟：（1）以存儲在Flash中的配置文件為基礎(chǔ)，修改其中的一位或幾位，并生成校驗正確的配置文件；（2）將兩種配置文件的工作指示加以區(qū)別以便監(jiān)測刷新操作；（3）模擬SEU注入修改過的配置文件，并觀察工作指示；（4）等待程序中設(shè)定的校驗時間后，通過工作指示判斷HRU是否檢測到了翻轉(zhuǎn)并實施刷新操作；（5）改變翻轉(zhuǎn)的數(shù)目和故障注入的位置，重復(fù)試驗。測試表明，HRU加固軟件能夠正常完成對單片XC7K325T的上電配置，檢測XC7K325T配置存儲區(qū)的SEU和修復(fù)功能。5后續(xù)工作FPGA單粒子效應(yīng)故障加固設(shè)計，針對程序代碼本身還需要增加以下幾項工作，來增加整體平臺對抗SEU的能力：（1）對于FPGA中的關(guān)鍵邏輯模塊，要采取三模冗余［9］設(shè)計TMR（TripleModularRedundancy）；（2）如果FPGA對信號的運算速度要求寬裕，可以利用檢錯算法來判斷FPGA的邏輯運行是否正確［10］；（3）可以在程序中增加邏輯探針，用區(qū)域約束布線的方法固定在FPGA重要模塊的附近，實時對該區(qū)域的單粒子效應(yīng)進行檢測。6結(jié)束語本文通過分析空間輻射的特點，結(jié)合SRAM型FPGA的硬件結(jié)構(gòu)，闡述了單粒子翻轉(zhuǎn)引起SRAM型FPGA的故障機理，結(jié)合工程實踐提出了一種利用高可靠單元對XC7K325T進行配置、監(jiān)控、回讀校驗和刷新功能的抗單粒子翻轉(zhuǎn)的加固平臺設(shè)計。模擬了故障注入對加固設(shè)計進行了測試，測試表明該加固平臺設(shè)計可以完成對FPGA監(jiān)控和修復(fù)，為Kintex-7系列大容量的FPGA在空間環(huán)境中應(yīng)用提供了設(shè)計參考。試驗表明該平臺可以有效修復(fù)單粒子效應(yīng)引起的位翻轉(zhuǎn)和功能故障。參考文獻［1］王躍科，邢克飛，楊俊，等。空間電子儀器單粒子效應(yīng)防護技術(shù)［M］。北京：國防工業(yè)出版社，2010.［2］AMAGASAKIM，NAKAMURAY，TERAOKAT，etal.AnareacompactsofterrorresidentcircuitforFPGA［C］.ICDesignandTechnology2016InternationalConference（ICICDT），2016.［3］邢克飛，楊俊，王躍科，等.XilinxSRAM型FPGA抗輻射設(shè)計技術(shù)研究［J］。宇航學報，2007，28（1）：123-129.［4］邢克飛，楊俊，周永彬，等。星用SRAM型FPGA加固設(shè)計方法研究［J］。電子器件，2007，30（1）：202-205.［5］王鵬，張道陽，蘆浩，等。基于分區(qū)測試的翻轉(zhuǎn)故障注入方法研究［J］。電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43（8）：88-91.［6］張小林，丁磊，顧黎明。基于三層級低開銷的FPGA多比特翻轉(zhuǎn)緩解技術(shù)［J］。電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44（4）：61-64.［7］Virtex-7FPGA