SRAM型FPGA的靜態(tài)與動態(tài)單粒子效應(yīng)試驗

王忠明，姚志斌，郭紅霞，呂 敏

（1.清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084；2.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024）

靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）型現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）具有很好的設(shè)計靈活性，是很多航天電子設(shè)備的備選方案，但大量文獻(xiàn)和實際應(yīng)用表明這類器件對空間中的單粒子效應(yīng)非常敏感。Xilinx公司對典型的SRAM型FPGA器件進(jìn)行了單粒子效應(yīng)試驗，給出了器件的單粒子特性［1－3］，且對由單粒子引起的系統(tǒng)失效機(jī)理進(jìn)行了分析［4］，提出了針對這種效應(yīng)的系統(tǒng)級加固方法［5－6］。

FPGA的單粒子效應(yīng)主要是指發(fā)生在配置存儲器和塊存儲器中的單粒子翻轉(zhuǎn)。另外，觸發(fā)器、全局控制寄存器和半閉鎖結(jié)構(gòu)中也有可能發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，但發(fā)生的概率較前兩者低幾個數(shù)量級［7］。配置存儲器中的數(shù)據(jù)控制著電路中各可配置邏輯模塊的功能和連接關(guān)系，一旦發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)就有可能破壞電路結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致功能持續(xù)出錯，直到器件被重新配置才能恢復(fù)。因此，這種翻轉(zhuǎn)被認(rèn)為是FPGA中最突出的單粒子效應(yīng)。

對于FPGA，存儲器的翻轉(zhuǎn)截面只能用于描述器件本身對單粒子效應(yīng)的敏感程度，若用來預(yù)估系統(tǒng)在空間軌道上的失效率則會導(dǎo)致結(jié)果過于保守。文獻(xiàn)［8］將傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)截面稱為靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面，且提出用于描述系統(tǒng)功能失效頻率的動態(tài)翻轉(zhuǎn)截面的概念。文獻(xiàn)［9］指出，靜態(tài)截面與動態(tài)截面間只相差1個常數(shù)。FPGA的單粒子效應(yīng)測試應(yīng)根據(jù)試驗?zāi)康牟煌瑳Q定采用靜態(tài)測試還是動態(tài)測試。本文提出的FPGA輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)同時具備這兩種測試能力［10－11］。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計

靜態(tài)測試主要是指對FPGA內(nèi)部存儲器翻轉(zhuǎn)情況的監(jiān)測，而動態(tài)測試是指對系統(tǒng)功能輸出的監(jiān)測。測試系統(tǒng)主體框架由上位計算機(jī)、測試板及2塊輻照板組成。上位計算機(jī)與測試板間用50m的RS422協(xié)議進(jìn)行通信，而測試板與2塊輻照板則用60芯扁平電纜進(jìn)行連接。

1.1 靜態(tài)測試方案

靜態(tài)測試是對FPGA的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行回讀驗證的過程［12］。輻照前，上位計算機(jī)將FPGA集成開發(fā)環(huán)境生成的配置文件、回讀文件和掩碼文件通過串口發(fā)送給下位DSP，再轉(zhuǎn)存到Flash中。配置器件時，下位DSP將Flash中的配置文件通過SelectMAP接口寫入FPGA中，實現(xiàn)程序的下載。在輻照狀態(tài)時，下位DSP從回讀文件中找到回讀命令，按一定時序從SelectMAP接口中回讀FPGA內(nèi)部存儲器的內(nèi)容，在掩碼文件的幫助下，比較原始配置數(shù)據(jù)與回讀數(shù)據(jù)的異同，從而實現(xiàn)對單粒子翻轉(zhuǎn)的監(jiān)測。

1.2 動態(tài)測試方案

動態(tài)測試是指對系統(tǒng)功能的監(jiān)測。本文采用1片與待測器件完全相同的參照器件，令其與待測器件同步運行，將二者的輸出進(jìn)行比較，一旦待測器件受到單粒子效應(yīng)的干擾導(dǎo)致二者輸出不同，則記為1次功能出錯。這種錯誤一般會一直持續(xù)下去，因此，必須在出錯后對器件進(jìn)行自動重新配置，以保證下一次測試的有效性。

輻照時，下位DSP控制頻率發(fā)生器，生成測試向量的輸出時鐘、2片F(xiàn)PGA的同步時鐘及輸出向量的比較時鐘。當(dāng)2片F(xiàn)PGA輸出向量不同時，比較器會輸出高電平，使下位DSP產(chǎn)生中斷，并記錄及回傳此刻輸入輸出向量的值。

2 輻照試驗

輻照試驗在北京串列加速器（HI－13）及蘭州重離子試驗裝置（HIREF）上進(jìn)行。試驗中的待測器件為Xilinx的 Virtex－XCV300，該器件采用0.22μm商用體硅工藝，規(guī)模約30萬門，配置存儲器約含1.7M位。靜態(tài)測試中采用的離子LET范圍為1.73～76MeV·cm2·mg－1（表1）。

在動態(tài)試驗中設(shè)計了3個不同的測試電路。測試電路1是一簡單的16位鎖存器，用于系統(tǒng)調(diào)試和驗證；測試電路2是1 024×16位的移位寄存器鏈，用于測試觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)；測試電路3的資源利用較均衡，包含2個線性反饋移位寄存器、2個乘法累加器和2個FIFO，將相同模塊的輸出進(jìn)行比較，結(jié)果進(jìn)入一16位計數(shù)器。3個測試電路的資源占用情況列于表2。由于設(shè)計的資源占用率不高，系統(tǒng)功能出錯的頻率相對配置位翻轉(zhuǎn)較低。受束流時間限制，動態(tài)試驗僅在少數(shù)離子下進(jìn)行。為避免系統(tǒng)功能出錯過快，采用較低的注量率（100～1 000cm－2·s－1）進(jìn)行試驗，每次功能出錯后自動對系統(tǒng)進(jìn)行重新配置，試驗流程如圖1所示。

表1 歷次FPGA單粒子效應(yīng)試驗情況Table 1 FPGA single－event effect experiment conditions

表2 3個測試設(shè)計電路的資源占用情況Table 2 Resource utilization of three benchmark circuit designs

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)處理方法

單粒子試驗的結(jié)果常用翻轉(zhuǎn)截面來表示，它等于單粒子事件數(shù)與單位面積上入射的粒子注量之比，即：

其中：σ為翻轉(zhuǎn)截面；N為單粒子事件數(shù)；F為單位面積上入射的粒子注量。

圖1 FPGA單粒子動態(tài)測試的流程圖Fig.1 Dynamic test flow of FPGA single－event experiment

在靜態(tài)試驗時，事件數(shù)等于內(nèi)部存儲器發(fā)生翻轉(zhuǎn)的次數(shù)，而動態(tài)試驗時，事件數(shù)為系統(tǒng)功能出錯的次數(shù)。由此可得到靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面和動態(tài)翻轉(zhuǎn)截面2個參數(shù)。在處理試驗數(shù)據(jù)誤差時，僅考慮核事件的隨機(jī)漲落帶來的不確定性，由正態(tài)分布假設(shè)可知N個計數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為N1／2，截面數(shù)據(jù)為2個計數(shù)之商，利用誤差合成公式可得到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差［13］：

在處理重離子單粒子試驗數(shù)據(jù)時，往往對多個LET的翻轉(zhuǎn)截面進(jìn)行Weibull曲線擬合，以得到發(fā)生翻轉(zhuǎn)的LET閾值、飽和截面等重要參數(shù)，擬合結(jié)果也可作為空間軌道翻轉(zhuǎn)率預(yù)估程序的輸入?yún)?shù)。Weibull曲線的函數(shù)形式為：

其中：σ（LET）為翻轉(zhuǎn)截面；σsat為飽和截面；L0為LET閾值；W為尺度參數(shù)；s為形狀參數(shù)。

在利用最小二乘法擬合的過程中，用前面求得的翻轉(zhuǎn)截面的誤差作為權(quán)重來平衡每個LET點對擬合結(jié)果的貢獻(xiàn)。根據(jù)文獻(xiàn)［14］中推薦的基本原則，令尺度參數(shù)W不超過100，將形狀參數(shù)的初值設(shè)為1，飽和截面的初值設(shè)為最大LET處測得的截面，LET閾值設(shè)為試驗中的最小LET。

3.2 靜態(tài)試驗結(jié)果

擬合出的靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面曲線如圖2所示，飽和截面為9.60×10－8cm2，LET 閾值為1.72MeV·cm2·mg－1。上述結(jié)果與文獻(xiàn)［13］中報道的Virtex的抗輻射加固版本XQVR300的試驗結(jié)果差別不大。這說明采用Xilinx的抗輻射系列芯片不能徹底解決單粒子翻轉(zhuǎn)的問題，對FPGA的加固還應(yīng)在系統(tǒng)層面進(jìn)行。

3.3 動態(tài)試驗結(jié)果

對3個測試電路的動態(tài)翻轉(zhuǎn)截面進(jìn)行了處理，其中，對資源占用較均衡的B03測試電路在多個LET下進(jìn)行了動態(tài)試驗（圖3）。受束流時間限制，其他2個測試電路只在1個LET下進(jìn)行了試驗。從圖3可看出，動態(tài)截面與靜態(tài)截面之比基本是一常數(shù)（即表3中的比例因子），此常數(shù)的物理意義是指配置存儲器中隨機(jī)發(fā)生1次翻轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致系統(tǒng)功能失效的概率。由表3可知，對不同的配置電路，比例因子差別較大，一般情況下，資源占用率越高的電路動態(tài)截面越大。但從表2和3的對比可看出，比例因子不僅較資源占用率小得多，且二者也不是簡單的線性關(guān)系。對系統(tǒng)設(shè)計而言，動態(tài)測試結(jié)果可直接用于系統(tǒng)功能失效率的預(yù)估，而靜態(tài)測試結(jié)果主要反映器件本身的抗單粒子能力。

表3 用175MeV的Cl離子測得的3個配置電路的動態(tài)截面及其與靜態(tài)截面之比Table 3 Dynamic and static cross sections of three benchmark designs using 175MeV Cl ion

4 結(jié)論

應(yīng)用重離子加速器對Xilinx的Virtex系列FPGA進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)單粒子效應(yīng)試驗。靜態(tài)試驗結(jié)果表明，該器件發(fā)生翻轉(zhuǎn)的LET閾值很低，極易受到單粒子效應(yīng)的干擾。對3個配置電路的動態(tài)功能測試結(jié)果表明，系統(tǒng)功能失效的頻率與設(shè)計資源占用率直接相關(guān)，但二者不是簡單的線性關(guān)系，不能直接用資源占用情況推算系統(tǒng)的空間失效率。

［1］FULLER E，CAFFREY M，BLAIN P，et al.Radiation test results of the Virtex FPGA and ZBT SRAM for space based reconfigurable computing［C］∥ Proceedings of Military and Aerospace Applications of Programmable Logic Devices（MAPLD）.Laurel MD：NASA NEPP，1999.

［2］WIRTHLIN M，JOHNSON E，ROLLINS N，et al.The reliability of FPGA circuit designs in the presence of radiation induced configuration upsets［C］∥Proceedings of the 11th Annual IEEE Symposium on Field－Programmable Custom Computing Machines.［S.l.］：［s.n.］，2003.

［3］CAFFREY M，GRAHAM P，JOHNSON E，et al.Single－event upsets in SRAM FPGAs［C］∥Proceedings of Military and Aerospace Applications of Programmable Logic Devices（MAPLD）.Laurel MD：NASA NEPP，2002.

［4］GRAHAM P，CAFFREY M，ZIMMERMAN J，et al.Consequences and categories of SRAM FPGA configuration SEUs［C］∥Proceedings of Military and Aerospace Programmable Logic Devices International Conference（MAPLD）.Washington D.C.：NASA NEPP，2003.

［5］CARMICHAEL C.Triple module redundancy design techniques for virtex FPGAs［R］.San Jose，CA：Xilinx，2000.

［6］CARMICHAEL C.Correcting single－event upsets through virtex partial configuration［R］.San Jose，CA：Xilinx，2000.

［7］FULLER E，CAFFREY M，SALAZAR A，et al.Radiation testing update，SEU mitigation，and availability analysis of the virtex FPGA for space reconfigurable computing［R］.San Jose，CA：Xilinx，2000.

［8］MORGAN K，CAFFREY M，GRAHAM H，et al.SEU－induced persistent error propagation in FPGAs［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2005，52（6）：2 438－2 445.

［9］VIOLANTE M，STERPONE L，CESCHIA M，et al.Simulation－based analysis of SEU effects in SRAM－based FPGAs［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2004，51（6）：3 354－3 359.

［10］姚志斌，張鳳祁，何寶平，等.靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲器型現(xiàn)場可編程門陣列輻照效應(yīng)測試系統(tǒng)研制［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2009，21（5）：749－754.YAO Zhibin，ZHANG Fengqi，HE Baoping，et al.Development of the measurement system for radiation effect on SRAM－based FPGA［J］.High Power Laser and Particle Beams，2009，21（5）：749－754（in Chinese）.

［11］姚志斌，范如玉，郭紅霞，等.FPGA靜態(tài)單粒子截面的獲取與分類［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2011，23（3）：812－816.YAO Zhibin，F(xiàn)AN Ruyu，GUO Hongxia，et al.Identification and classification of static singleevent upsets cross section of SRAM－based FPGAs［J］.High Power Laser and Particle Beams，2011，23（3）：812－816（in Chinese）.

［12］Xilinx.Virtex FPGA series configuration and readback［R］.San Jose，CA：Xilinx，2005.

［13］ALDERIGHI M，CANDELORI A，CASINI F，et al.SEU sensitivity of virtex configuration logic［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2005，52（6）：2 462－2 467.

［14］PERTERSEN E L.Single－event data analysis［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2004，55（6）：2 819－2 841.