ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ПЛИС

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ
РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ПЛИС
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФАКТОРОВ
КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Бобровский Д. В.
Содержание
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Введение
Классификация ПЛИС
Обзор радиационных эффектов в ПЛИС
Дозовые эффекты в ПЛИС
Методика функционального контроля при испытаниях ПЛИС на
стойкость к дозовым воздействиям
Аппаратно-программный комплекс для проведения испытаний ПЛИС
Результаты экспериментальных исследований ПЛИС
Одиночные эффекты в ПЛИС
Расчетно-экспериментальная методика оценки сечения одиночного
эффекта функционального отказа ПЛИС при воздействии отдельных
ядерных частиц.
Заключение
Введение
В системах управления современной бортовой
аппаратуры
космических
аппаратов
широко
применяются функционально сложные сверх большие
интегральные схемы (СБИС), к числу которых
относятся программируемые логические интегральные
схемы (ПЛИС)




Преимущества:
Быстродействие
Перепрограммируемость
Большое количество линий
ввода-вывода
Большое количество
ресурсов
Цели диссертационной работы
1. Анализ доминирующих механизмов радиационных
отказов ПЛИС при воздействии факторов космического
пространства.
2. Анализ методов и средств определения показателей
радиационной стойкости ПЛИС
3. Разработка методики функционального контроля ПЛИС
при проведении испытаний на стойкость к дозовым
воздействиям
4. Разработка методики расчетно-экспериментальной
оценки сечения одиночных событий функционального
сбоя ПЛИС
5. Разработка аппаратно-программного комплекса
функционального и параметрического контроля при
радиационных испытаний
Классификация ПЛИС
ПЛИС типа FPGA
CОЗУ -> перепрограммируемость
-> Энергозависимость
ПЛИС типа Antifuse
“Антиперемычки” -> однократное программирование
-> Энергонезависимость
ПЛИС типа CPLD
EEPROM, Flash -> перепрограммируемая
-> Энергонезависимость
ПЛИС типа FPGA
ПЛИС типа Antifuse
ПЛИС типа CPLD
Сравнение различных классов ПЛИС
Тип ПЛИС
FPGA
CPLD(Flash,
EEPROM)
Antifuse
СОЗУ
EEPROM
Flash
Металлическое
соединение
Быстро
Медленно
Невозможно
Скорость
Напряжение
Количество циклов
Vcc
Повышенное
напряжение
∞
Ограниченное
(~1000 раз)
Чувствительность
ячейки памяти к
накопленной дозе
Чувствительны
Чувствительны
Нечувствительны
Чувствительность
ячейки памяти к
одиночным эффектам
Повышенная
чувствительность
Слабая
чувствительность
Нечувствительны
Ячейка
конфигурационной
памяти
Реконфигурируемость:
Факторы космического пространства
Дозовые эффекты в ПЛИС
Функциональные отказы.
Потеря информации в конфигурационной и
пользовательской памяти ;
“Залипание” информации в ячейках памяти,
невозможность перезаписи;
Отказы внутренних блоков.
Параметрические отказы.
Деградация Iсс [А];
Деградация Uoh [В], Uol [В];
Деградация временных характеристик.
Параметрический контроль ПЛИС
Контроль электрических параметров ПЛИС не отличается
от стандартной процедуры для других ИС.
В процессе производится измерение
 статического тока потребления
 напряжения высокого и низкого логических уровней
Наличие большого количества однотипных блоков
позволяет использовать интегральный подход при оценке
динамических параметров ПЛИС.
Методики функционального
контроля ПЛИС
1. Использование в качестве прошивки схем,
заполняющих по возможности 100% объема ПЛИС
2. Тестирование 100% ПЛИС на промышленных тестерах
3. Тестирование в составе системы с реальной прошивкой
4. Использование оригинальной тестовой прошивки.
Полный функциональный
контроль ПЛИС
Полный ФК ПЛИС на промышленных тестерах
+ Наиболее полное тестирование
- Большое время тестирования
- Большое время на подготовку теста
- Габаритные размеры не позволяющие использовать
вблизи источников воздействия и ограничивающие
мобильность
- Высокая стоимость
В большинстве случаев
невозможно использовать
при радиационных испытаниях
Функциональный контроль ПЛИС
в составе устройства
Функциональный контроль в составе устройства
+ малые трудозатраты на подготовку эксперимента
- Относительная применимость полученных результатов
для другого использования данной ПЛИС
- Необходимость защиты активных компонентов платы
от воздействия излучения
Редкое использование
из-за ограниченности
полученных результатов
Специализированный
функциональный контроль ПЛИС
Тестирование ПЛИС с
прошивкой типа “Счетчик”,
“Сдвиговый регистр”
+ Максимальное заполнение
ПЛИС
- Не все типы ресурсов
ПЛИС задействуются
- В случае отказа
невозможно определить
отказавший блок
Тестирование всех
примитивов ПЛИС
в отдельности.
+ Максимальное заполнение
ПЛИС
+ В случае отказа
определяется отказавший
блок
- Повышение трудоемкости
при тестировании
Какая прошивка оптимальная для проведения ФК?
Эксперимент
Объекты:
ПЛИС ф. Altera EPF10K50,относится к типу FPGA, включает
 360 конфигурируемых логических блоков
 20480 бит встроенной блочной памяти
ПЛИС ф. Actel AX250, относится к типу Antifuse, включает:
 250000 логических вентилей
 55296 бит встроенной блочной памяти
 8 блоков PLL
Тестовая прошивка типа
“Счетчик”, “Сдвиговый регистр”
Сдвиговый
регистр
Многоразрядный
счетчик
Контроль функционирования
запоминающих элементов логических ячеек.
N∙tзадержки
Контроль функционирования
мультиплексоров логических ячеек
A0..A31
OUT
Контроль функционирования
блочной памяти ПЛИС
Запись
0xAA
Чтение
Сравнение
Запись
0x55
Чтение
Сравнение
Контроль функционирования блока PLL
fpll_вх
fpll_вых = 2∙fpll_вх
fpll_вых = fpll_вх/2
Результаты тестирования ПЛИС EPF10K50
Блочная память
График зависимости доли отказавших
ячеек блочной памяти от
накопленной дозы
Триггер логической ячейки
График зависимости времени
переключения триггера логической
ячейки от накопленной дозы
Результаты тестирования ПЛИС AX250
Блок PLL
График зависимости выходной частоты PLL
от накопленной дозы
Зависимость уровня стойкости
ПЛИС от прошивки
+
28
+
+
+
32
+
+
36
+
40
+
50
200
+
+
+
+
+
+
─
220
+
+
─
+
+
─
240
+
+
─
+
+
+
─
+
─
260
+
+
─
+
+
─
+
─
300
+
+
─
+
Icc = 1A
Блочная
память
Триггер
+
PLL
Мультиплексор
+
Блочная
память
Триггер
+
Счетчик
Сдвиговый
регистр
24
Доза, к. ед.
Счетчик
AX250
Доза, к. ед.
EPF10K50
320
Icc = 1A
Выводы по дозовым эффектам в ПЛИС
1. Уровень стойкости зависит от прошивки ПЛИС.
Таким образом, необходимо подобрать оптимальную
прошивку ПЛИС, способную выявить дозовые деградации
характерных параметров примитивов ПЛИС.
2. Использование прошивок типа “Счетчик”
может привести к значительному завышению уровня
стойкости ПЛИС.
3. Требуется разработка специализированной прошивки
Методика функционального контроля
Требования и реализация.
Требования
 Универсальность - возможность быстрого переноса на ПЛИС
различных производителей и типов
 Полнота тестирования - достоверное определение момента
функционального отказа и отказавшего блока с учетом вида
радиационного воздействия и характерных эффектов
 Скорость - время функционального контроля не должно
превышать 1с.
Реализация
 Выделение элементарных функциональных блоков ПЛИС
 Создание на языке VHDL библиотеки тестовых блоков
функционального контроля “элементарных“ функциональных блоков
ПЛИС независимо друг от друга
Применение методики, основанная на оценке интегрального вклада
деградации параметра от нескольких однотипных примитивов
Одиночные эффекты в ПЛИС
Функциональные отказы
Сбои в конфигурационной памяти
Сбои в пользовательской памяти
1. Программируемые межсоединения
1. Блочная память
2. Буферные усилители
2. Распределенная память
3. Мультиплексоры
4. Таблицы перекодировки
5. Управляющая логика
Тиристорный эффект(ТЭ)
Катастрофический отказ(КО).
Параметрические отказы
Импульсная реакция Uoh [В], Uol [В], I [А];
Классификация методов оценки
одиночных событий функционального отказа
Методы оценки сечения
одиночных сбоев
Экспериментальный
Расчетноэкспериментальный
Экспериментальный метод
Проводится для каждого варианта реализации проекта
–
–
–
Высокая стоимость проведения
эксперимента.
Необходимость наличия опытных
образцов.
Сложность ФК в ходе радиационного
эксперимента.
Расчетно-экспериментальный
метод
Этап 1: Экспериментальная оценка сечения одиночных сбоев
ячейки конфигурационной памяти ПЛИС.
 = N/Ф,
где N – количество сбоев в ячейках конфигурационной памяти, Ф – флюенс частиц.
Этап 2: Расчетная оценка количества ячеек конфигурационной
памяти, сбои в которых влияют на
функционирование реализованного устройства.
Nused – количество чувствительных ячеек, Ntotal – полное количество ячеек
конфигурационной памяти
Этап 3: Оценка сечения одиночных событий функционального
сбоя ПЛИС
σSEFI = σ ∙ Nused/Ntotal
+ Нет необходимости проведения дорогостоящих
экспериментальных исследований для каждой реализации
устройства.
Результаты экспериментальной
оценки сечения одиночных сбоев
XCV300
1 751 808 бит конфигурационной
памяти
1536 конфигурационных
логических блоков
65536 бит пользовательской
памяти
Сечение одиночных сбоев
конфигурационной
памяти
σ = 2,1.10-8 см2
График зависимости тока потребления от
количества сбоев в ячейках
конфигурационной памяти
Расчетная оценка сечения одиночных
событий функционального сбоя
7
LUT 1
16
PAD 2
16
2
2
2
5
PAD 2
54 критичных ячейки
конфигурационной памяти.
Nused = 54 бит
Ntotal = 1 751 808 бит
σ = 2,1.10-8 см2
σSEFI = 54.1,2.10-14 / 1751808 = 6,4.10-13 см2
Выводы по одиночным эффектам в ПЛИС
Использование предложенной методики позволяет
оценивать
сечение
одиночных
событий
функционального отказа ПЛИС без необходимости
проведения
дорогостоящих
радиационных
экспериментов.
Аппаратное обеспечение
эксперимента
Шасси PXI-1033 с встроенным
контроллером ExpressCard.
Плата цифро-аналогового
ввода/вывода PXI-7841R
(96 цифровых линий 40МГц,
8 аналоговых входов/выходов).
Управляемый источник
питания PXI-4110 (3 управляемых
канала 0…6В, 0…20В, -20…0В).
Высокоскоростная плата
цифрового ввода вывода PXI-6542
(32 цифровых линии, 100 МГц)
Программное обеспечение
эксперимента
Заключение
Научные результаты
1. Произведен анализ доминирующих эффектов в ПЛИС и существующих
методов функционального контроля ПЛИС при проведении испытаний
на стойкость к дозовым эффектам, проанализированы достоинства,
недостатки и область применения каждого.
2. Показано, что уровень стойкости зависит от тестовой прошивки ПЛИС.
3. Предложен метод независимого функционального контроля базовых
блоков ПЛИС.
4. Предложен расчетно-экспериментальный метод оценки сечения
одиночных событий функционального отказа ПЛИС при воздействии
отдельных ядерных частиц.
Заключение
Практические результаты
1. Разработана методика проведения функционального контроля ПЛИС
при проведении радиационного эксперимента.
2. Разработан
универсальный
аппаратно-программный
комплекс,
позволяющий производить полноценный ФК современных ПЛИС
при
проведении радиационных испытаний на основе системы
National
Instruments с использованием программного обеспечения
LabView.
3. Разработана библиотека тестовых блоков различных базовых
элементов ПЛИС, применяемая для формирования тестовой прошивки
в зависимости от доступных ресурсов ПЛИС.
4. С использованием методики получены результаты экспериментальных
исследований 42 ПЛИС отечественного и иностранного производства
(Xilinx, Altera, Actel,КТЦ “Электроника”)
Заключение
Публикации. Участие в конференциях.
Результаты работы были опубликованы в 12 статьях и доложены в виде
устных докладов на 4 конференциях “Электроника, микро- и
наноэлектроника” -2008, -2009, Научная сессия МИФИ -2009, -2010, а
также стендовых докладов на конференциях "Стойкость”, Курчатовская
молодежная научная школа 2009, Научная сессия МИФИ.