Программно-аппаратные методы повышения радиационной стойкости микросхем SRAM ПЛИС

Микросхемы ПЛИС в качестве компонентной базы космических аппаратов (КА) используются уже более десятка лет. На основе ПЛИС создаются высокопроизводительные бортовые системы, в том числе для цифровой обработки изображений перед отправкой на землю, радиоинтерфейсы транспондеров телекоммуникационных спутников, блоки обработки данных, поступающих с научного оборудования КА и т.д.

Ещё одна важная сфера применения ПЛИС – это бортовые компьютеры малых космических аппаратов и микроспутников. Для вышеуказанных типов КА важен баланс размеров системы и её производительности.

Целесообразность широкого применения микросхем ПЛИС обусловлена следующими факторами:

• возможностью реконфигурации ПЛИС под новый функционал в случае изменения задач КА;
• возможностью улучшения алгоритмов, реализованных в ПЛИС, во время пребывания аппарата на орбите;
• продлением срока службы КА за счёт добавления новых функций;
• параллелизмом вычислений;
• значительным прогрессом в технологии производства ПЛИС (см. рис. 1), который позволил создать микросхемы с большим числом логических вентилей и быстродействием.

Широкий спектр возможностей и совокупность впечатляющих характеристик привели к тому, что микросхемы ПЛИС стали уверенно занимать нишу заказных микросхем в составе элементной базы космических систем различного назначения (см. рис. 2).

Согласно типам конфигурационных ячеек микросхемы ПЛИС делятся на три группы:

1) на основе SRAM (статического ОЗУ), где конфигурационная ячейка выполнена на 6 МОП-транзисторах;

2) на основе восстанавливаемых перемычек Antifuse, где в качестве средства конфигурации ячейки используется проводящая перемычка между слоем металла/поликремния и кремниевой подложкой, образующаяся в момент подачи напряжения на ПЛИС;

3) на основе флэш-памяти (электрически перепрограммируемого ЗУ) с двумя МОП-транзисторами, формирующими конфигурационную ячейку.

В таблице представлены основные характеристики ПЛИС каждого типа.

С точки зрения проектировщика бортовых систем КА, микросхемы SRAM ПЛИС имеют несколько ключевых преимуществ перед другими типами ПЛИС:

• самая высокая тактовая частота – означает возможность реализации производительных компьютерных систем КА;
• высокая логическая ёмкость, позволяющая реализовать структурно сложные и ресурсоёмкие алгоритмы;
• высокая скорость перепрограммирования (реконфигурации).

К недостаткам SRAM ПЛИС следует отнести меньшую радиационную стойкость в сравнении с микросхемами Antifuse и флэш-ПЛИС. Однако гибкий функционал, предоставляемый разработчику микросхемами SRAM ПЛИС, позволяет на программно-аппаратном уровне повысить радиационную стойкость и предотвратить накопление ошибок в блоках конфигурационной памяти логики микросхемы, вызванных воздействием ионизирующих излучений. Обзору методов, повышающих радиационную стойкость микросхем SRAM ПЛИС, и посвящена настоя­щая статья.

Производителями микросхем SRAM ПЛИС проделана большая работа по улучшению характеристик радиационной стойкости микросхем на аппаратном уровне: для этого используются специальные схемотехнические решения для ячеек памяти SRAM, тройное резервирование особо чувствительных к радиационным воздействиям функциональных блоков микросхем, а также специальные технологические процессы при их производстве.

Под воздействием ионизирующих излучений космического пространства в SRAM ПЛИС (семейство Virtex) одиночные сбои проявляют себя на уровне приложений (функциональные элементы памяти, на которых реализована пользовательская конфигурация ПЛИС), а также на конфигурационном уровне – логических ресурсов и трассировочных матриц. Одиночные сбои на конфигурационном уровне являются постоянными во времени и сохраняются до тех пор, пока не будет осуществлена реконфигурация системы. Примером может служить функциональный сбой конфигурационной логики, который исправляется перезагрузкой ПЛИС.

Для борьбы с проявлениями одиночных сбоев используется метод полной реконфигурации (скраббинга). Суть полной реконфигурации микросхемы состоит в следующем: внешний скраб-контроллер периодически полностью обновляет конфигурационную память SRAM ПЛИС, загружая так называемую эталонную конфигурацию из энергонезависимой памяти (см. рис. 3). 

Главным минусом такого подхода является неработоспособность системы во время процесса загрузки «эталонной конфигурации».

Для устранения недостатков полного скраббинга была выдвинута концепция частичного скраббинга.

Частичный скраббинг (т.н. скраббинг открытого типа) представляет собой периодический процесс по-фреймового обновления конфигурационной памяти. Преимуществом такого подхода является простота реализации. Следует подчеркнуть, что внешний контроллер не детектирует момент возникновения единичного (SEU) или функционального сбоя (SEFI).

Существенным недостатком скраббинга открытого типа является то, что не всегда возможно синхронизировать частоту обновления фреймов конфигурационной памяти (путём загрузки из внешнего контроллера) с частотой проявления сбоев, связанных с радиационными воздействиями.

Для улучшения способности детектирования ошибок в конфигурационной памяти используется схема скраббинга закрытого типа, временна¢я диаграмма которого представлена на рисунке 4. 

В момент времени t₀ скраб-контроллер считывает фрейм i, j, затем проверяет его на ошибку (в момент времени t₁), в случае отсутствия ошибки контроллер переходит к фрейму i + 1,j + 1 в момент времени t₂. Детектирование ошибки в текущем фрейме запускает процедуру загрузки эталонного фрейма. Пример применения схемы закрытого скраббинга представлен на рисунке 5.

В среде разработки создаётся конфигурация ПЛИС, а также система детектирования и исправления ошибок, вызванных одиночными сбоями. Для начальной конфигурации генерируются коды EDAC (коды обнаружения и исправления ошибок), затем конфигурация ПЛИС, система детектирования и исправления ошибок. После чего сгенерированные коды EDAC загружаются в ПЛИС. Система детектирования и исправления ошибок использует ICAP-порт. На рисунке 6 представлен процесс исправления ошибок во фреймах конфигурационной памяти.

Сама система детектирования и ис­правления ошибок реализуется на одном из языков описания аппаратной части СБИС (например, Verilog). Последняя, в свою очередь, может быть реализована как «внутри» ПЛИС, так и во внешнем скраб-контроллере.

Заключение

Программные методы повышения радиационной стойкости целого класса микросхем SRAM ПЛИС – сравнительное новое направление в практике обеспечения радиационной стойкости электрорадиоизделий (ЭРИ). Развитие и совершенствование программных методов позволяет в полной мере использовать возможности, заложенные разработчиками SRAM ПЛИС, для создания систем КА. Кроме того, применение программных методов позволяет уменьшить стоимость проекта космического аппарата.

Литература

1. Codinachs D.M. Overview of FPGA activities in the European Space Agency. ESA Report.
2. Gardenyes R.B. Trends and patterns of ASIC and FPGA use in European space missions. TU Delft Thesis. 2013.
3. Xilinx. Space-grade Virtex-5QV FPGA. www.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga/virtex-5qv/index.htm.
4. Atmel. ATF280F Rad-Hard Reprogrammable FPGA Datasheet.
5. Microsemi. RTAX-S/SL FPGAs. www.microsemi.com/fpga-soc/radtolerant-fpgas/rtax-s-sl.
6. Aeroflex. UT6325 RadTol Eclipse FPGA Datasheet.
7. Microsemi. RT ProASIC3 FPGAs. www.micro-semi.com/fpga-soc/radtolerant-fpgas/rt-proasic3.
8. Xilinx. Radiation Effects & Mitigation Overview.
9. I. Herrera Alzu. Self-reference Scrubber for TMR Systems Based on Xilinx Virtex FPGAs. Integrated Circuit and System Design. Power and Timing Modeling, Optimization, and Simulation Lecture Notes in Computer Science. Vol. 6951. 2011.
10. Lanuzza M. An Efficient and Low-Cost Design Methodology to Improve SRAM-Based FPGA Robustness in Space and Avio-nics Applications. ARC ‘09 Proceedings of the 5th International Workshop on Reconfigurable Computing: Architectures, Tools and Applications. 2009.

© СТА-ПРЕСС