一種基于輻照試驗(yàn)環(huán)境模擬的sram型fpga測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航空航天領(lǐng)域，具有涉及一種基于輻照試驗(yàn)環(huán)境模擬的SRAM型FPGA測(cè) 試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] SRAM(Static Random Access Memory)型FPGA(Field Programmable Gate Arrays)因具備可重復(fù)編程、開(kāi)發(fā)周期短、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到了越來(lái)越 多的關(guān)注和應(yīng)用。然而，在空間環(huán)境下，高能粒子轟擊導(dǎo)致的單粒子效應(yīng)（Single Event Effect，SEE)尤其是單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset，SEU)嚴(yán)重影響了航空航天器件的可 靠性。因此，在應(yīng)用前，必須對(duì)用戶(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠性評(píng)估。
[0003] 針對(duì)SRAM型FPGA設(shè)計(jì)，目前常用的可靠性評(píng)估方法有地面輻照試驗(yàn)和故障注入兩 種。前者使用加速器產(chǎn)生不同LET值和注量率的重離子、質(zhì)子和中子，模擬空間環(huán)境對(duì)目標(biāo) 器件進(jìn)行輻照測(cè)試，不僅能夠得到器件的靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面〇 statl。曲線(xiàn)，還可獲取不同電路的動(dòng) 態(tài)翻轉(zhuǎn)截面〇dynami。曲線(xiàn)，為預(yù)估空間在軌翻轉(zhuǎn)率和失效率提供依據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠。但 國(guó)內(nèi)重離子輻照試驗(yàn)資源有限，機(jī)時(shí)難以申請(qǐng)，一次試驗(yàn)成本較高，操作復(fù)雜且容易造成輻 射污染，具有較高危險(xiǎn)性。后者則是通過(guò)修改FPGA中配置存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，將翻轉(zhuǎn)故障引入目標(biāo) 電路中來(lái)模擬單粒子翻轉(zhuǎn)對(duì)系統(tǒng)的作用效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用SRAM型FPGA的系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng) 估。
[0004] 故障注入利用的是SRAM型FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)特性，主要有逐位注入和累積注入兩 種方式。
[0005] 逐位注入采用遍歷式的故障注入方法，找出電路中所有的敏感位和電路的敏感因 子ε，結(jié)合輻照試驗(yàn)得到的器件靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面σ static，便可計(jì)算出該電路的動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)截面 〇dynami。曲線(xiàn)。該方法精度較高，但其評(píng)估試驗(yàn)的耗時(shí)與FPGA的配置存儲(chǔ)器容量成正比，隨著 芯片規(guī)模的不斷增大，試驗(yàn)耗時(shí)也會(huì)增大到不可接受的程度。通過(guò)反向解碼配置文件和仿 真分析網(wǎng)表文件，可以得到電路的敏感位列表，減少逐位注入的評(píng)估時(shí)間。但該方法僅在 Xilinx早期的Virtex FPGA中實(shí)現(xiàn)，且用于反向解碼的JBits工具也不再開(kāi)放使用。此外，逐 位注入方法沒(méi)有考慮故障累積效應(yīng)，無(wú)法全面評(píng)估系統(tǒng)可靠性。
[0006] 累積注入則通過(guò)連續(xù)注入隨機(jī)故障，雖然相對(duì)逐位注入其精度有所下降，但可減 少評(píng)估試驗(yàn)的時(shí)間。然而，目前的累積注入方法的注入速度選擇沒(méi)有明確的依據(jù)，且未考慮 入射粒子LET值和注量率對(duì)評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果的影響，不能如輻照試驗(yàn)一樣獲取系統(tǒng)電路功能 中斷截面隨LET值變化的關(guān)系曲線(xiàn)，從而影響對(duì)系統(tǒng)電路的全面評(píng)估。
[0007] 專(zhuān)利CN102540062A提出一種針對(duì)SRAM型FPGA的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)故障注入方法，利用動(dòng)態(tài) 重構(gòu)技術(shù)，一方面通過(guò)翻轉(zhuǎn)比特位注入多位隨機(jī)故障，替代輻照試驗(yàn)，另一方面通過(guò)單位隨 機(jī)故障注入，累積翻轉(zhuǎn)直到出現(xiàn)功能性錯(cuò)誤，從而得到配置存儲(chǔ)單元的刷新周期。前者根據(jù) 模擬的輻照劑量和輻照時(shí)間，計(jì)算出翻轉(zhuǎn)比特位M，并確定翻轉(zhuǎn)位的隨機(jī)位置，將翻轉(zhuǎn)位所 在數(shù)據(jù)幀重新配至被測(cè)芯片中，完成故障注入。接著比較被測(cè)芯片的輸出結(jié)果和與之的正 確結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行評(píng)測(cè)。后者則通過(guò)逐個(gè)注入故障，累積翻轉(zhuǎn)直至出現(xiàn)功能性錯(cuò)誤，得到翻 轉(zhuǎn)數(shù)N，結(jié)合芯片單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)率計(jì)算出電路設(shè)計(jì)的刷新周期Ρ = Ν/λ。圖1中分別示出了 針對(duì)多位隨機(jī)翻轉(zhuǎn)方式方法和針對(duì)單位隨機(jī)翻轉(zhuǎn)方式方法的流程圖。
[0008] 然而，現(xiàn)有技術(shù)存在如下技術(shù)問(wèn)題：
[0009] (1)地面輻照試驗(yàn)后被測(cè)器件因受到損傷無(wú)法繼續(xù)使用，成本高昂，試驗(yàn)難度大， 且試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整麻煩，有可能造成輻射污染，具有較高的危險(xiǎn)性。且國(guó)內(nèi)輻照試驗(yàn)機(jī)時(shí)申請(qǐng) 困難，試驗(yàn)時(shí)間有限；
[0010] (2)專(zhuān)利CN102540062A模擬輻照劑量和輻照時(shí)間，卻不能像輻照試驗(yàn)一樣得到電 路設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)截面與入射粒子LET值、注量率Flux等參數(shù)之間的關(guān)系曲線(xiàn)，測(cè)試結(jié)果參 考價(jià)值有限。且該發(fā)明在計(jì)算出比特位翻轉(zhuǎn)數(shù)目Μ后，僅通過(guò)一次部分重構(gòu)便將所有的故障 注入電路設(shè)計(jì)中，與真實(shí)的輻照試驗(yàn)環(huán)境不符；
[0011] (3)專(zhuān)利CN102540062A需要額外采用一種單位隨機(jī)翻轉(zhuǎn)的方式方法才能計(jì)算出 電路設(shè)計(jì)的刷新周期，操作較復(fù)雜；
[0012] (4)專(zhuān)利CN102540062A僅考慮單比特位翻轉(zhuǎn)(SBU)故障類(lèi)型，但隨著器件特征尺寸 的減小，單個(gè)粒子入射有可能在多個(gè)相鄰ΡΝ結(jié)發(fā)生電荷收集，引發(fā)多比特位翻轉(zhuǎn)(MBU);
[0013] (5)專(zhuān)利CN102540062A需要額外使用一種方法，專(zhuān)門(mén)用于求取刷新周期，操作相對(duì) 復(fù)雜，效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] (一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0015] 本發(fā)明的目的在于，提供一種基于輻照試驗(yàn)環(huán)境模擬的SRAM型FPGA測(cè)試方法，能 在輻照試驗(yàn)前對(duì)FPGA的單粒子翻轉(zhuǎn)特性進(jìn)行定量分析，進(jìn)而驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性，提高FPGA的 設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本和試驗(yàn)成本。
[0016] (二)技術(shù)方案
[0017] 本發(fā)明提供一種基于輻照試驗(yàn)環(huán)境模擬的SRAM型FPGA測(cè)試方法，包括：
[0018] S1，輸入模擬輻照試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)；
[0019] S2,根據(jù)所述試驗(yàn)參數(shù)，計(jì)算出故障注入?yún)?shù)速度V及相鄰兩次注入故障之間的時(shí) 間間隔t，并確定不同故障類(lèi)型的比例；
[0020] S3，隨機(jī)選取故障地址及該地址的故障類(lèi)型；
[0021] S4,根據(jù)故障注入速度V及時(shí)間間隔t持續(xù)向FPGA注入所述故障地址及其故障類(lèi) 型，以對(duì)所述FPGA進(jìn)行測(cè)試，在FPGA輸出功能錯(cuò)誤時(shí)，記錄功能錯(cuò)誤次數(shù)N及等效注量f。 [00 22](三)有益效果
[0023]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 1、利用故障注入模擬地面輻照試驗(yàn)，對(duì)器件無(wú)損傷，且操作簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)節(jié)靈活， 過(guò)程安全無(wú)污染，可在輻照試驗(yàn)前對(duì)電路的單粒子翻轉(zhuǎn)特性進(jìn)行定量分析，進(jìn)而驗(yàn)證系統(tǒng) 可靠性，提高系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本和試驗(yàn)成本；
[0025] 2、根據(jù)模擬入射粒子的LET值、注量率Flux及注量Fluence，確定故障注入速度及 相鄰兩次注入故障之間的時(shí)間間隔，依據(jù)該速度及時(shí)間間隔連續(xù)地注入各個(gè)故障，更真實(shí) 地模擬輻照試驗(yàn)環(huán)境；
[0026] 3、建立入射粒子LET值、Flux與故障注入之間的關(guān)系，可以定量評(píng)估入射粒子LET 值和注量率對(duì)系統(tǒng)電路加固效果的影響，得到如輻照試驗(yàn)一樣的系統(tǒng)電路功能中斷截面隨 LET值變化的關(guān)系曲線(xiàn)，并可根據(jù)該曲線(xiàn)計(jì)算出電路在特定軌道的失效率及其刷新周期；
[0027] 4、根據(jù)模擬入射粒子的LET值，確定不同故障類(lèi)型的比例，并按照該比例隨機(jī)地選 擇單次注入的故障類(lèi)型，可全面準(zhǔn)確地評(píng)估電路系統(tǒng)的可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中隨機(jī)翻轉(zhuǎn)故障注入方法的流程圖。
[0029] 圖2是本發(fā)明提供的基于輻照試驗(yàn)環(huán)境模擬的SRAM型FPGA測(cè)試方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 本發(fā)明提供一種基于輻照試驗(yàn)環(huán)境模擬的SRAM型FPGA測(cè)試方法，對(duì)采用SRAM型 FPGA實(shí)現(xiàn)的電路進(jìn)行故障注入，通過(guò)持續(xù)向電路中注入隨機(jī)地址和隨機(jī)類(lèi)型的單粒子翻轉(zhuǎn) 故障，模擬地面輻照試驗(yàn)中入射粒子LET值、注量率Flux和注量Fluence等參數(shù)對(duì)電路的影 響，對(duì)電路加固設(shè)計(jì)的有效性進(jìn)行定量評(píng)估。本發(fā)明可獲取電路動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)截面隨LET值變化 的特性曲線(xiàn)，預(yù)估其在軌失效率。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，基于輻照試驗(yàn)環(huán)境模