基于抗輻照xxMHz芯片仿真驗證技術(shù)研究

何彩霞　夏開華　王巍　韓學(xué)濤　梁富

摘要：本文設(shè)計了基于抗輻照xxMHz芯片全套仿真驗證流程，包括FPGA代碼驗證、芯片板級驗證和抗輻照試驗驗證。首先重點介紹了FPGA代碼驗證，從驗證在現(xiàn)代IC流程中的重要地位開始，到驗證的基本方法，仿真驗證平臺的搭建，F(xiàn)PGA后端驗證，提煉了高效通用的仿真驗證平臺的搭建。其次簡單介紹了芯片板級驗證。最后簡單介紹了抗輻照試驗驗證。

關(guān)鍵詞：抗輻照芯片；FPGA代碼驗證；芯片板級驗證；抗輻照試驗驗證；高效通用的仿真驗證平臺

中圖分類號：TP332 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0101-03

1 引言

驗證技術(shù)在集成電路設(shè)計中非常關(guān)鍵，并貫穿于整個設(shè)計過程。隨著集成電路復(fù)雜度的提高，驗證工作的復(fù)雜度和工作量呈指數(shù)上升，能否及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的錯誤對保證設(shè)計正確性和縮短芯片上市時間至關(guān)重要[1]。

xxMHz芯片是我所第一顆數(shù)字信號處理，算法復(fù)雜，宇航級的芯片。由于國外對宇航級芯片的禁運，SRAM型FPGA器件在空間環(huán)境應(yīng)用中極易受到高能粒子的影響，產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU），從而影響星載設(shè)備的正常工作，長期的研究證明，SRAM型FPGA受單粒子翻轉(zhuǎn)影響的區(qū)域最主要為加載存儲區(qū)，大概占FPGA內(nèi)部存儲單元的98%以上。數(shù)字ASIC芯片無加載存儲區(qū)，受SEU的影響較小，因此數(shù)字ASIC芯片的需求越來越迫切。芯片算法是已有的，在多個課題中都應(yīng)用過，其算法復(fù)雜，接口眾多，若做成芯片，出錯的概率大大增加，有些錯誤可能引起災(zāi)難性的后果，如奔騰芯片中一個算術(shù)設(shè)計錯誤使得Intel公司損失5億美元。硬件設(shè)計不像軟件設(shè)計容易挽回Bug的損失。因此，快速、系統(tǒng)、完備的驗證體系是保證芯片設(shè)計投片成功的關(guān)鍵。研究新的、高效的驗證方法，建立完善通用的驗證平臺對xxMHz芯片的驗證至關(guān)重要。

2 FPGA代碼驗證

一個芯片制作的成功與否，F(xiàn)PGA代碼驗證起到了核心的作用，故詳細介紹。

2.1 驗證在現(xiàn)代IC/FPGA流程中的位置

現(xiàn)代IC（Integrated circuit，集成電路）前端的設(shè)計流程如圖1所示。IC設(shè)計是從一份需求說明或者任務(wù)書開始的，這份需求來自于分機負責人。從任務(wù)書開始，IC工程師（或FPGA工程師）會把他們細化為特性列表。設(shè)計工程師根據(jù)特性列表，將其轉(zhuǎn)化為設(shè)計規(guī)格說明書，詳細闡述自己的設(shè)計方案，詳細描述清楚功能，性能，接口屬性及時序，可靠性安全性要求等。驗證工程師根據(jù)特性列表，寫出驗證說明。驗證說明書包含仿真驗證計劃、仿真驗證說明和仿真驗證報告，在驗證說明書中，會明確如何搭建驗證平臺，如何保證驗證完備性，如何測試每一條特性，如何測試異常情況等。

當設(shè)計說明書完成后，設(shè)計人員開始使用Verilog/VHDL將特征列表轉(zhuǎn)為RTL代碼，而驗證人員則開始使用驗證語言（System Verilog，目前最先進的FPGA仿真驗證語言）搭建驗證平臺。驗證人員開始驗證這些代碼，通常被稱為DUT（Design Under Test）的正確性，驗證主要保證從特征列表到RTL轉(zhuǎn)化的正確性，包含但不限于以下幾點[2]：

（1）DUT的行為表現(xiàn)是否與特征列表中要求的一致。

（2）DUT是否實現(xiàn)了所有特征列表中列出的特性。

（3）DUT對于異常狀況的反應(yīng)是否與特征列表和設(shè)計規(guī)格說明書中的一致。

（4）DUT是否足夠穩(wěn)健，能夠從異常狀態(tài)中恢復(fù)到正常的工作模式。

2.2 驗證基本方法

FPGA仿真驗證主要有三種方法[3]：

（1）黑盒（Black-Box）驗證。黑盒驗證法不需要了解目標設(shè)計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法，僅通過目標設(shè)計的外部接口和整體特征，對目標設(shè)計進行仿真驗證。黑盒驗證法的優(yōu)點是仿真驗證代碼不依賴于目標設(shè)計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以直觀的反應(yīng)設(shè)計要求。缺點是無法做覆蓋率分析，會導(dǎo)致代碼的某些BUG不會被發(fā)現(xiàn)。

（2）白盒（White-Box）驗證。白盒驗證法需要詳細了解目標設(shè)計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法，其仿真代碼與目標代碼緊密聯(lián)系，具有完全可控性和可觀察性。優(yōu)點是百盒驗證法有利于定位和分析仿真驗證過程中出現(xiàn)的錯誤，做覆蓋率分析，測試具體全面。缺點是對驗證人員要求高，工期長。

（3）灰盒（Grey-Box）驗證?；液序炞C法是黑盒驗證法和白盒驗證法的折中。優(yōu)缺點介于二者之間。

介于三種驗證方法的優(yōu)缺點，抗輻照xxMHz芯片代碼采用白盒驗證。

2.3 測試平臺的搭建

傳統(tǒng)驗證方式，設(shè)計人員送入激勵，觀察波形，來判斷設(shè)計的正確性。下面介紹一種新的、高效的、通用的仿真驗證平臺。仿真驗證平臺會把整個待測設(shè)計包圍起來，如圖2所示。

驗證平臺模塊里有很多的總線功能模型（BFM），即驗證平臺構(gòu)件。如果實際應(yīng)用中設(shè)備被連接到AMBA、USB、PCI和SPI總線上，那么就必須在驗證平臺中建立能夠產(chǎn)生激勵并校驗響應(yīng)的等效模型，如圖3所示。這些構(gòu)件并不是帶有細節(jié)的可綜合模型，而是遵循協(xié)議并且執(zhí)行速度更快的高層事務(wù)處理[4]。

根據(jù)項目的實際情況搭建完整的驗證平臺，完整的驗證平臺如圖4所示，包括激勵發(fā)生器、參考模型和檢查器：

（1）激勵發(fā)生器負責待測設(shè)計的輸入；

（2）參考模型用于計算輸入激勵的預(yù)期結(jié)果；

（3）檢查器用于收集待測設(shè)計和參考模型的輸出，并進行比較。

驗證平臺設(shè)計說明中，應(yīng)說明驗證平臺中各構(gòu)件的功能，以及各構(gòu)件對應(yīng)的被測信號，仿真輸入激勵和驗證比較項，如表1所示。

xxMHz芯片的外圍接口有工作時間，AD接口等，具體外部接口見圖5。和圖4完整平臺的關(guān)系是：仿系統(tǒng)時鐘、仿AD模塊、仿節(jié)拍模塊、仿配置系統(tǒng)對應(yīng)的是激勵發(fā)生器；仿SRAM對應(yīng)的是參考模型；仿PDW接收、仿采集數(shù)據(jù)傳輸、仿測向模塊對應(yīng)檢查器。每一個激勵做成單獨的模塊，利于以后同種類型的測試調(diào)用和復(fù)用。

2.4 FPGA后端驗證

流程如下：FPGA庫->fundary庫->綜合網(wǎng)表->仿真（無時序）->布局布線（人工）->后仿（布線圖有延時）->芯片制作廠去流片->晶圓->封裝。封裝先進行塑封，后進行陶封。若芯片在塑封測試合格的話，即芯片的功能和性能滿足需求，不需要更改后，讓芯片進行下一步的陶封。若芯片測試不合格的話，這時候就停止芯片的后續(xù)制作，開始對問題的追溯和改正，進行下一輪的芯片制作，在芯片塑封開始測試，達到節(jié)約錢的目的，也是流片中很重要的一環(huán)。

3 芯片板級驗證

測試板如圖6所示，紅色框框內(nèi)的是塑封的xxMHz芯片，測試板完全是根據(jù)芯片功能制作的，同時參照了航天以往的板子，外圍設(shè)備完全一致，保證芯片的可移植性。xxMHz芯片在塑封時發(fā)現(xiàn)了一個功能錯誤，每2048個點的原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)一次0點，錯誤。故在塑封結(jié)束第一次制作，經(jīng)過整改代碼后，第二次制作才成功的。

4 抗輻照試驗驗證

在蘭州中科院近代物理研究所進行的單粒子輻照試驗。輻照試驗全景圖如圖7所示。

芯片分三個階段進行單粒子實驗，總共注入超過730萬個Xe粒子。在低劑量（2000倍注量率）條件下，芯片無故障，功能運行正常。在高劑量（8000-12000倍注量率）條件下，芯片出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的功能性錯誤，但芯片可繼續(xù)運行并正確輸出結(jié)果。在極高劑量（15000倍注量率）情況下，芯片出現(xiàn)功能中斷，程序結(jié)果出錯，并且無法繼續(xù)運行。相對于航天產(chǎn)品部FPGA芯片在20倍（無配置刷新等抗SEU加固措施）和500倍（有配置刷新等抗SEU加固措施）注量率條件下出現(xiàn)功能性錯誤的結(jié)果，xxMHz芯片的抗單粒子輻照效果明顯提升。

5 結(jié)語

本文針對抗輻照xxMHz芯片仿真驗證技術(shù)進行了研究，從FPGA代碼驗證到芯片板級驗證最后到抗輻照試驗驗證，全面闡述了抗輻照xxMHz芯片驗證的過程。由于FPGA代碼驗證的重要性，在整個流片中起到?jīng)Q定性的作用，故重點介紹了FPGA代碼驗證，此驗證平臺后續(xù)在上百個FPGA仿真驗證中經(jīng)過了驗證，達到了通用高效效果，效果顯著好用。

參考文獻

[1]胡建國.高性能微處理器的驗證技術(shù)研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院，2004.

[2]張強.UVM實戰(zhàn)[M].機械工業(yè)出版社，2016.

[3]任曉東，等.CPLD/FPGA高級應(yīng)用開發(fā)指南[M].電子工業(yè)出版社，2003.

[4][美]克里斯斯皮爾著.SystemVerilog驗證[M].科學(xué)出版社，2012.