模拟SRAM型FPGA单粒子翻转辐照试验的故障注入系统研究

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SRAM(Static Random Access Memory)型FPGA(Field Programmable GateArrays)因具备可重复编程、开发周期短、集成度高等优点,在航天领域得到了越来越多的关注和应用。然而,在太空环境下,高能粒子轰击导致的单粒子效应(Single Event Effects,SEE)严重影响了航天器件的可靠性。相比ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、反熔丝FPGA等器件,SRAM型FPGA更容易发生单粒子翻转(Single Event Upset,SEU)。因此,在航天应用前,必须采用一定的抗单粒子翻转技术对基于SRAM型FPGA的用户设计进行加固,并对其加固效果进行有效评估。  本文在研究SRAM型FPGA中SEU效应机理、分析辐照试验数据统计结果的基础上,使用Virtex-4 FPGA部分重构技术,设计了一套模拟SRAM型FPGA单粒子翻转辐照试验的故障注入系统。该系统采用一种新的SRAM型FPGA单粒子翻转模拟方法,该方法通过建模解决了入射粒子LET值和注量率(Flux)与故障注入之间的关系,从而可以定量评估入射粒子LET值和注量率对系统电路加固效果的影响,如辐照试验一样,得到系统电路功能中断截面随LET值变化的关系曲线。此外,该系统还支持辐照试验和遍历式的逐位故障注入两种单粒子翻转评估模式。  针对Virtex-4 FPGA的单粒子翻转辐照试验模拟试验结果表明:一方面本系统较好地模拟了辐照试验中入射粒子LET值和系统电路失效率之间的关系,在辐照试验前可为系统设计人员提供单粒子翻转定量分析,同时验证了TMR加固设计的有效性;另一方面该系统的单粒子翻转模拟试验时间短,参数设置灵活,能够快速、全面地评估基于SRAM型FPGA用户设计的单粒子翻转特性。
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