一种三模冗余防护结构fpga单粒子翻转失效概率的评估方法
【专利摘要】本发明公开了一种三模冗余防护结构FPGA单粒子翻转失效概率的评估方法，根据FPGA器件中划分的功能模块，将待评估的FPGA器件划分成多组，每个组包括三个具有相同比特位数的单元，由此模拟三模冗余防护结构，分别计算器件的单粒子本征翻转率和无防护时的失效率，最后得到带有三模冗余防护结构的失效概率，为抗单粒子效应的评估提供一套实用的理论方法，同时得到的失效概率能够真实反映三模冗余防护结果抗单粒子翻转性能。
【专利说明】一种三模冗余防护结构FPGA单粒子翻转失效概率的评估 方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间辐射【技术领域】，尤其涉及一种三模冗余防护结构FPGA单粒子翻 转失效概率的评估方法。
【背景技术】
[0002] 空间电子系统广泛采用以SRAM-FPGA为代表的超深亚微米器件，但这些器件对单 粒子翻转效应（SEU)非常敏感，因此在空间采用这些高性能器件时，必须采取相应的防护 技术，例如在SRAM-FPGA的抗单粒子翻转的防护加固设计中，广泛采用三模冗余（TMR)和定 时刷新等技术，然而TMR防护效果有一定的局限性，当出现单粒子多位翻转时，三模冗余防 护方法就失效了，因此采用了防护措施不代表排除所有的风险。特别是随着器件尺寸的减 小和集成度的增加，在轨监测和地面试验数据显示单粒子多位翻转更加明显。因此需要研 究评估未采取、以及采取了防护措施的故障的概率，评估防护效果和指导验证试验的模型 和方法。
[0003] 电子系统的单粒子翻转效应防护设计方面，开展了深入的理论与应用研究工作， 基于电子系统容错理论、可靠性设计基础理论，广泛采用三模冗余、看门狗等硬件防护措 施，以及很多种软件措施，并且对这些措施的防护效果，进行了定量的理论评估。在目前的 工程实践中，三模冗余技术防护的SRAM-FPGA的单粒子翻转失效的概率是通过重离子加速 器试验获得，首先在无 TMR的情况下，采用常规的单粒子翻转试验方法，得到器件本征翻转 截面-能量传输（σ - LET)曲线，然后在有TMR防护条件下，选择一个适当的LET值，在不 同的粒子注量下得到电路单元单粒子失效概率与注量的关系。基于以上试验数据，就可以 得到失效概率与本征单粒子翻转率的关系。基于地面模拟试验开展的单粒子效应受到国内 重离子源的限制，束流时间无法保证，且地面试验费用相对昂贵。因此需要理论分析方法对 FPGA，特别是TMR防护后的FPGA进行抗单粒子效应的评估工作。
[0004] 在FPGA单粒子翻转效应在轨建模分析方法，目前主要针对的是未采用防护的 FPGA的单粒子翻转率分析。而实际的在轨应用中，SRAM-FPGA往往采用了 TMR防护措施。 因此，对SRAM-FPGA的单粒子翻转效应实际在轨失效率需要进一步的研究，分析FPGA电路 在轨工作的抗辐射能力，为抗辐射加固提供理论参考依据。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种三模冗余防护结构FPGA单粒子翻转失效概率的评 估方法，能够对三模冗余防护结构的FPGA抗单粒子翻转失效的性能进行评估。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
[0007] -种三模冗余防护结构FPGA单粒子翻转失效概率的评估方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤1、选定FPGA器件的类型以及该FPGA器件所要工作的空间环境，包括轨道参 数和空间环境参数；
[0009] 步骤2、根据轨道参数和空间环境参数，计算在程序烧录之前所述FPGA器件的轨 道本征粒子翻转率μ ;
[0010] 步骤3、根据步骤2得到的轨道本征粒子翻转率，得到每一个刷新周期ts内，FPGA 器件中有i位单粒子翻转发生概率P (Ai);其中，i = 1，2，...，n，n表示所述FPGA器件在一 个刷新周期能发生单粒子翻转的最大位数；
[0011] 步骤4、计算未采用三模冗余防护的FPGA器件的在轨失效概率P(E): P(￡')=之厂〈￡|4〉·八4)，其中P〈E I表示经过程序烧录后的所述FPGA器件发生i位单 /-1 粒子翻转的概率；
[0012] 步骤5、对所述FPGA器件进行三模冗余防护模式划分：
[0013] 根据FPGA器件中划分的功能模块个数M，将FPGA器件中的资源分成M组，各组中 资源包含的比特位数与对应的功能模块占用的比特位数一致；将每个组分为3个包含相同 比特位数的单元；
[0014] 步骤6、得到采用三模冗余防护的FPGA器件的失效概率：
[0015] 将步骤4得到的未采用三模冗余防护的FPGA器件的在轨失效概率P (E)作为每个 单元发生错误的失效概率；针对所述步骤5划分的每个组，各组的失效概率等于其中的3个 单元中至少有两个单元同时发生错误的失效概率；则FPGA器件的失效概率为各组失效概 率之和。
[0016] 所述步骤3中计算i位单粒子翻转发生概率P(Ai)的具体方法为：先根据轨道本 征翻转率μ，计算每一个刷新周期t s内的单粒子翻转数V :
[0017] V = μ Xts ；
[0018] 然后采用泊松分布计算出现i次翻转的概率P (Ai):
[0019] P(Ai) = e ? 〇 Il
[0020] 3、如权利要求1所述的一种三模冗余防护结构FPGA单粒子翻转失效概率的评估 方法，其特征在于，所述步骤6中，计算各组的失效概率的方法为：
[0021] 针对第m个组，其失效概率为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，...，；门表示求交集丨出111，1)、？出 111，2)和？出111，3)分别表示第111个 组中第一个单元、第二个单元和第三个单元的失效概率，且三者均等于所述步骤4得到的 未采用三模冗余防护的FPGA器件的在轨失效概率P (E)。
[0024] 所述步骤6中，FPGA器件的失效概率P(E总）为 m=l
[0025] 本发明具有如下有益效果：
[0026] 本发明根据FPGA器件中划分的功能模块，将待评估的FPGA器件划分成多组，每个 组包括三个具有相同比特位数的单元，由此模拟三模冗余防护结构，分别计算器件的单粒 子本征翻转率和无防护时的失效率，最后得到带有三模冗余防护结构的失效概率，为抗单 粒子效应的评估提供一套实用的理论方法，同时得到的失效概率能够真实反映三模冗余防 护结果抗单粒子翻转性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1是本发明建立的SRAM-FPGA单粒子翻转失效概率的评估方法流程图；
[0028] 图2为本发明中一个周期内不同翻转次数单粒子翻转发生的概率P(Ai);
[0029] 图3为本发明中TMR防护的器件结构划分示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0031] 本发明涉及一种FPGA单粒子翻转失效概率的评估方法，该模型能够有效的分析 处于不同辐射环境参数（包括轨道参数和空间环境模型参数）条件下的SRAM-FPGA的单粒 子翻转率、电路在轨的失效概率的估算。
[0032] 本发明的解决方案包括以下步骤：
[0033] 步骤1、选定辐射环境参数和器件的类型：
[0034] 根据轨道参数（轨道高度，轨道倾角等参数），并结合空间环境模型（例如CREME 96)。器件类型的选择适用于SRAM类型的FPGA，例如选定Xilinx Virtex系列器件，根据具 体的FPGA配置情况，获得该FPGA器件使用资源的位数，位数的单位为bit。
[0035] 步骤2、轨道本征单粒子翻转率的计算：
[0036] 首先通过地面重离子加速器试验或者国外文献获得器件静态翻转截面（σ )和线 性能量传输（LET)的关系。器件静态翻转截面是指没有时钟信号时，器件本身所具有的单 粒子翻转截面，与器件加载的电路无关。
[0037] 以配置好的Xilinx Virtex XC2V3000 FPGA为例，将XC2V3000放入到真空靶室中 采用注量率为f(pAcm2 〃 s))的重离子（分别采用三种重离子12C、Si、和Br)进行辐照，经 过一段时间t后，对XC2V3000的配置位回读，并与辐照前的配置位进行比较，就可以得到配 置位的翻转位数n。XC2V3000器件的总配置位数N，由此可以得到XC2V3000器件的静态翻 转截面为： _ η
[0038] σ = -~~V
[0039] 其中
[0040] η :配置位的翻转位数η ;
[0041] f :重离子注量率，单位为pAcm2 " s);
[0042] t:测试时间，单位为s ;
[0043] N :XC2V3000 总配置位数 N。
[0044] 上述采用的三种重离子通过TR頂软件计算在硅衬底中的LET值，然后把静态翻转 截面和LET值一一对应起来，获得器件静态翻转截面和线性能量传输（〇 -LET)曲线。
[0045] 利用器件静态翻转截面和线性能量传输（σ-LET)曲线数据，采用Weibull分布方 法进行拟合，获得拟合参数。
[0046] 。（LET) = 〇 sat (l-exp {-[ (LET-Lth) /W]s})
[0047] 其中，〇 sat为饱和截面；Lth为LET阈值参数；W为宽度参数；S为无量纲指数。在 获得FPGA受单粒子翻转响应的Weibull拟合参数（4个参数：o sat、Lth、W和S)的基础 上，根据步骤（1)选定的轨道参数（例如同步轨道GEO、中轨轨道MEO)，结合空间环境模型 (CREME 96模型最恶劣7天、CREME 96模型最恶劣1天、1989年太阳事件最恶劣5分钟）计 算SRAM-FPGA器件的轨道本征翻转率。以Xilinx Virtex XC2V3000 FPGA为例，计算在不 同辐射环境条件下的轨道本征翻转率如表1所示。
[0048] 表1不同轨道、不同空间环境条件下的轨道本征翻转率
[0049]
【权利要求】
1. 一种三模冗余防护结构FPGA单粒子翻转失效概率的评估方法，其特征在于，包括如 下步骤： 步骤1、选定FPGA器件的类型以及该FPGA器件所要工作的空间环境，包括轨道参数和 空间环境参数； 步骤2、根据轨道参数和空间环境参数，计算在程序烧录之前所述FPGA器件的轨道本 征粒子翻转率μ; 步骤3、根据步骤2得到的轨道本征粒子翻转率，得到每一个刷新周期ts内，FPGA器件 中有i位单粒子翻转发生概率P(Ai);其中，i= 1，2, ...，η,η表示所述FPGA器件在一个刷 新周期能发生单粒子翻转的最大位数； 步骤4、计算未采用三模冗余防护的FPGA器件的在轨失效概率P(E): 八幻=?>〈￡?4〉_)，其中P〈EIΑ，表示经过程序烧录后的所述FPGA器件发生i位单 i=l 粒子翻转的概率； 步骤5、对所述FPGA器件进行三模冗余防护模式划分： 根据FPGA器件中划分的功能模块个数M，将FPGA器件中的资源分成M组，各组中资源 包含的比特位数与对应的功能模块占用的比特位数一致；将每个组分为3个包含相同比特 位数的单元； 步骤6、得到采用三模冗余防护的FPGA器件的失效概率： 将步骤4得到的未采用三模冗余防护的FPGA器件的在轨失效概率P(E)作为每个单元 发生错误的失效概率；针对所述步骤5划分的每个组，各组的失效概率等于其中的3个单元 中至少有两个单元同时发生错误的失效概率；则FPGA器件的失效概率为各组失效概率之 和。
2. 如权利要求1所述的一种三模冗余防护结构FPGA单粒子翻转失效概率的评估方法， 其特征在于，所述步骤3中计算i位单粒子翻转发生概率P(Ai)的具体方法为：先根据轨道 本征翻转率μ，计算每一个刷新周期ts内的单粒子翻转数V: V=μXts ； 然后采用泊松分布计算出现i次翻转的概率P(Ai):
3. 如权利要求1所述的一种三模冗余防护结构FPGA单粒子翻转失效概率的评估方法， 其特征在于，所述步骤6中，计算各组的失效概率的方法为： 针对第m个组，其失效概率为P(Em): P(Em) =p(Em；1nEm；2)+p(Em；1nEm3)+P(Em2ηEm3)-2P(Em；1ηEm2ηEm3) 其中，111=1，2，...，；门表示求交集屮出"1， 1)、？出"1，2)和？出"1，3)分别表示第111个组中第一个单元、第二个单元和第三个单元的失效概率，且三者均等于所述步骤4得到的未采 用三模冗余防护的FPGA器件的在轨失效概率P(E)。
4. 如权利要求3所述的一种三模冗余防护结构FPGA单粒子翻转失效概率的评估方法， 其特征在于，所述步骤6中，FPGA器件的失效概率P(E总）为：=丨-fl[i-ο ?=1
【文档编号】G06F17/50GK104462658SQ201410638260
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】王颖, 秦珊珊, 张庆祥, 蔡震波, 赵小宇 申请人:北京空间飞行器总体设计部