一種星載信號處理機中FPGA防單粒子翻轉(zhuǎn)加固方法

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1、62航天電子對抗第31卷第3期一種星載信號處理機中FPGA防單粒子翻轉(zhuǎn)加固方法陳賀賢，尹慶軍，陳培群，尤明懿(中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江嘉興314033)摘要：單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)是目前影響航天電子設備可靠運行的重大威脅之一。特別是在過去的十年里，隨著以FPGA為代表的大規(guī)?？删幊碳呻娐吩诤教祀娮釉O備中的廣泛應用，如何對星載信號處理機進行抗SEU加固已經(jīng)成為迫切需要解決的問題。因此，介紹一種星載信號處理機中FPGA防SEU的加固方法。關(guān)鍵詞：單粒子翻轉(zhuǎn)；反熔絲FPGA；三模冗余；實時刷新中圖分類號：TN97文獻標識碼：AAnantifuseFPGAb

2、asedmethodfOrsingleeventupsetofspacebrOnesignalprocessOrmissilesChenHexian，YinQin函un，ChenPeiqun，YouMingyi(No．36ResearchInstituteofCETC，Jiaxing314033，Zhejiang，China)Abstract：SEUisanimportantthreatforspaceelectronicsystems．Inthepast10years，F(xiàn)PGAhasbeenwidelyappliedinspacebroneelectronicsy

3、stems．TheproblemofSEUwhicheffectsmitigationinspacebronesignalprocessorsbecomesac“ticalconcern．AmethodforSEUeffectmitigationofFPGAinspacebronesignalprocessorisproposed．Keywords：SEU；antifuseFPGA；TMR；scrubbing0引言由于具有資源密度高、時鐘資源豐富、可重構(gòu)等特有優(yōu)勢，Xilinx公司的SRAM型FPGA在星載信號處理機中取得了不可替代的地位，長期以來都是實現(xiàn)功能算法的

4、首選器件。然而，SRAM型FPGA在空間輻射環(huán)境下有個嚴重的缺陷：易受SEU效應的影響。國外對于SRAM型FPGA抗SEU防護的研究已經(jīng)比較成熟。目前國外對FPGA進行SEU的防護主要有下面幾種措施：冗余設計(硬件TMR備份、軟件TMR)、編解碼容錯設計(主要有EDAC糾錯校驗)、運行程序刷新設計(復位重啟、scrubbing)[1]。由于相關(guān)技術(shù)上的封鎖，國內(nèi)在這方面的研究還處于探索研究階段。目前國內(nèi)在處理FPGASEU問題上大多采用復位或重新配置等方法。這些方法的思路是在FPGA發(fā)生SEU后采取復位重啟的機制來進行補救。采取這種方法必然會使系統(tǒng)的任務功能中斷且數(shù)

5、據(jù)也收稿日期：2015一02—15；2015—03—13修回。作者簡介：陳賀賢(1982一)，男，工程師，碩士，主要研究方向為衛(wèi)星有效載荷FPGA設計研究。往往出錯。因此，提出一種既能提高單機可靠性又對任務功能不產(chǎn)生影響的措施非常必要。本文在借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀研究成果的基礎上，介紹一種基于反熔絲型FPGA的防SEU加固方法。這種方法以一片反熔絲型FPGA為核心芯片，并同時運用了TMR技術(shù)和scrubbing技術(shù)。lSRAM型FPGA的SEu失效模式當具有一定能量的重粒子與存儲器或者電路PN結(jié)發(fā)生碰撞時，在重粒子運動軌跡周圍形成的電荷被靈敏電極收集并形成瞬態(tài)電流，如果電流

6、超過一定值就會觸發(fā)邏輯電路，形成邏輯狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。圖1為FPGA的SEU示意圖[1]，圖2為SRAM型FPGA內(nèi)部SEU敏感區(qū)域示意圖瞳]。宇宙高能粒子翟1上n上廠[娑U≮。n—Substrate二√?三、p—Wen，圖1FI’GA的SEU示意圖2015(3)陳賀賢，等：一種星載信號處理機中FPGA防單粒子翻轉(zhuǎn)加固方法63圖2SEU敏感區(qū)域示意圖在SRAM型FPGA中，SEU敏感區(qū)域主要集中在配置存儲器區(qū)、BlockRAM、查找表、觸發(fā)電路等。特別是配置存儲器單元，是FPGA最核心的部分同時也是SEU最敏感的區(qū)域[3]。SRAM型FPGA可以看作配置存儲區(qū)和受其控制的

7、可配置邏輯資源的疊加。配置存儲區(qū)是FPGA內(nèi)部的一個大容量存儲區(qū)，控制著所有可配置邏輯資源，如布線資源、可編程邏輯資源、數(shù)字時鐘管理模塊及輸入輸出單元等，并且配置存儲區(qū)的bit位數(shù)一般要比觸發(fā)器資源高兩至三個量級。以星載信號處理機中最常用的300萬門VirtexⅡ系列FPGA為例，配置信息可達10，494，368bit之多[3]。2Antifuse型FPGA介紹Actel公司以生產(chǎn)反熔絲工藝FPGA著稱，一直致力于航天航空、醫(yī)療儀器等特殊領(lǐng)域的芯片研發(fā)。本方案選用Actel公司AX系列反熔絲工藝FPGA作為信號處理機抗SEU加固的核心芯片。該芯片具有以下特點：1