SRAM型FPGA单粒子故障传播特性与测试方法研究

论文摘要

随着航天事业的蓬勃发展,SRAM型FPGA以其高性能、可重构等优势在卫星等航天器上得以应用,而空间单粒子效应一直是制约该类器件应用的瓶颈。近年来,随着SRAM型FPGA器件特征尺寸减小和工作频率的上升,单粒子效应的表现形式更为复杂:单个的、区域的单粒子效应通过电路的逻辑功能传播,引起相邻区域逻辑功能的故障,甚至导致电路输出的失效。本文称这种特性为单粒子故障在超大规模集成电路SRAM型FPGA中的传播特性。本文围绕SRAM型FPGA单粒子故障传播特性与测试方法问题,从器件应用层面出发,研究FPGA工作负载中局部的单粒子软错误对相关电路单元以及电路输出影响的量化描述和分析测试方法。主要研究内容如下:(1)根据单粒子效应特点,在分析SRAM型FPGA的结构模型及其单粒子敏感单元基础上,对单粒子故障在其中的传播进行归纳;阐明单粒子故障传播特性的研究内容,包括电路功能模块的耦合参数、故障传播模型和电路输出软错误失效率。(2)针对SRAM型FPGA单粒子故障传播现象,研究单粒子故障传播的建模方法。根据其动态传播过程特性,建立了基于元胞自动机的单粒子故障传播模型,研究该模型的算法设计与实现,并对该模型进行仿真,分析探讨影响故障传播的因素。(3)针对SRAM型FPGA的单粒子故障传播特性研究内容,给出了电路功能模块耦合因子的分析方法和软错误失效率的测试方法;研究基于SEU故障注入的原理与关键技术,在分析SEU故障注入系统结构的基础上,设计并实现了本文采用的SEU故障注入系统。最后,针对部分国际标准测试电路ISCASA’85和ISCASA’89,计算了其电路功能模块的耦合参数,采用SEU故障注入测试系统对电路输出软错误失效率进行了测试。本文研究的意义在于,加深理解SRAM型FPGA应用层的单粒子效应传播特性,为此类器件空间环境防护加固设计提供支撑。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 单粒子效应对航天器的影响
• 1.1.2 SRAM 型FPGA 的空间应用
• 1.1.3 SRAM 型FPGA 工艺发展带来的挑战
• 1.1.4 论文的研究意义
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 SRAM 型FPGA 单粒子故障传播特性研究现状
• 1.2.2 SRAM 型FPGA 单粒子故障测试方法研究现状
• 1.3 论文主要研究工作及章节安排
• 第二章 SRAM 型FPGA 单粒子故障传播特性
• 2.1 单粒子故障产生机理
• 2.2 单粒子故障在SRAM 型FPGA 中的传播
• 2.2.1 SRAM 型FPGA 的结构模型
• 2.2.2 SRAM 型FPGA 单粒子敏感单元
• 2.2.3 单粒子故障在SRAM 型FPGA 中的表现形式
• 2.3 单粒子故障传播特性
• 2.3.1 单粒子故障传播特性研究内容
• 2.3.2 单粒子故障传播特性的分析方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 SRAM 型FPGA 单粒子故障传播模型
• 3.1 单粒子故障传播建模因素分析
• 3.2 基于元胞自动机的单粒子故障传播模型
• 3.2.1 元胞自动机理论及模型适用性分析
• 3.2.2 单粒子故障传播模型
• 3.2.3 单粒子故障传播过程
• 3.3 仿真实验及结果分析
• 3.3.1 算法设计与实现
• 3.3.2 仿真实验结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 SRAM 型FPGA 单粒子故障测试方法与系统设计
• 4.1 单粒子故障传播特性的测试方法
• 4.1.1 电路功能模块耦合因子分析
• 4.1.2 软错误失效率的测试方法
• 4.2 单粒子故障注入测试原理与关键技术
• 4.2.1 SEU 离散随机事件模型
• 4.2.2 SEU 故障注入技术
• 4.3 单粒子故障注入测试系统的设计与实现
• 4.3.1 SEU 故障注入测试系统的结构分析
• 4.3.2 单粒子故障测试系统的设计与实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 SRAM 型FPGA 单粒子故障实验测试
• 5.1 实验条件
• 5.2 实验设计与实施
• 5.2.1 实验目的与内容
• 5.2.2 实验方案设计
• 5.2.3 实验过程
• 5.3 实验结果分析
• 5.3.1 实验设计的测试验证
• 5.3.2 电路功能模块耦合因子
• 5.3.3 软错误失效率
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果