分析芯片内部不同硬件资源对于SEU效应敏感性的问题

摘 要： 目前星载信号处理平台中大量使用商用芯片，但商用芯片抗辐射能力较弱，在空间环境下常出现单粒子翻转(Single Event Upset，SEU)，从而造成系统功能紊乱，甚至中断。提出以星载信号处理平台中大量使用的SRAM型FPGA为研究对象，采用故障注入的方式研究FPGA中不同硬件资源对于SEU效应的敏感性问题。根据不同资源对SEU效应表现出不同敏感性的结论，可在SRAM型FPGA的抗SEU防护上进行有针对性的设计。

0 引言

随着星载信号处理平台对于信号处理能力需求的不断提升，宇航级芯片已越来越难以满足需求，而商用芯片相对宇航级芯片拥有更强的处理能力和更多的处理资源。所以基于商用芯片构建星载处理平台的商用现成技术(Commercial Off-The-Shelf，COTS)成为当前卫星通信平台设计领域的研究热点。

由于商用芯片向着高密集度、低操作电压的方向迅速发展，使得它们在空间辐射环境下的可靠性大大降低。其中软故障是主要故障，它是由带电粒子和PN结相互作用引起的一种暂态故障，可造成芯片严重的运行错误[1]。所以如何弥补商用芯片本身抗辐照能力的不足是需要解决的重要问题。

国内外研究机构对于星载信号处理平台抗SEU方法目前主要分为两类：一类是针对SEU的屏蔽，包括各种抗SEU加固结构设计、高性能抗SEU的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺等[2]；另一类是针对SEU的修复，如动态可重构技术、编码纠正[3]等方法。另外，由于星载平台中包含大量的诸如FIR(Finite Impulse Response)滤波和FFT(Fast Fourier Transform)的处理过程，故近年来针对各种滤波器和信号处理算法本身抗SEU的方法研究特别广泛，如文献[4]、文献[5]分别实现FIR滤波器和FFT算法的容错技术。

相对于上述研究思路，本文则重点关注芯片内部各种不同硬件资源对于SEU事件的敏感性。以星载平台上应用广泛的SRAM型FPGA为研究对象，通过模拟星载平台和故障注入的实验，根据各种资源在故障源注入后诱发系统出现功能紊乱的概率总结出各种资源对于SEU敏感性高低的结论。

1 SEU敏感性研究模型

为验证SRAM型FPGA不同资源对于SEU存在不同的敏感性，需要模拟星载信号处理平台SRAM型FPGA在外部空间遭遇SEU效应的整个过程。即在地面上模拟采用SRAM型FPGA的星载信号处理平台，模拟FPGA出现的SEU错误，以及将模拟的SEU错误注入到FPGA内部不同资源中。据此提出SEU敏感性研究的模型，如图1所示。

 

根据研究模型，首先可以采用基于商用芯片的星地联合处理平台来模拟星载平台，其硬件环境如图2所示。其中CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect)总线用来模拟星地链路，星载处理板模拟星载信号处理平台，处理板采用了多片SRAM型FPGA芯片作为实验的测试芯片。

 

为调用FPGA内部资源，采用两种功能相同但实现方式不同的功能模块，因此可以针对两种模块设计颗粒度不同的实验A和实验B来分别进行实验。基于功能模块通过故障注入的方式生成模拟的SEU错误，在系统正常运行的情况下，将错误注入到平台FPGA的功能模块中，观察注入前后的输出状态，对比两次实验结果，得出SEU敏感性研究的结论。

2 SEU敏感性实验设计

2.1 基于IP核的FFT敏感性实验设计

通常星载平台中拥有大量的FFT运算，而这些运算大都通过在FPGA中调用IP核来实现。因此以基于IP核的FFT来进行SEU敏感性实验是合理的。SRAM型FPGA芯片由6个部分组成，其中Slice资源是可编程逻辑单元的基本逻辑单元，RAM资源是FPGA常用的硬核模块，两种资源都是FPGA内部广泛分布且应用较多的资源。所以基于IP核的FFT敏感性实验所针对的资源就是Slice和RAM。

Slice资源内部主要的配置关系是逻辑关系，即“+”、“~”、“*”关系；RAM资源内部主要的配置关系是数值关系，即0、1数值关系。所以针对这两种资源的故障注入将分别围绕这两种配置关系进行修改。利用FPGA_Editor查看网表文件，并对其进行修改，生成差异比特文件，即模拟故障源。在FFT模块正常运行后通过测试电脑经模拟星地链路，反复将故障源注入到FFT模块中，通过chipscope抓取结果，根据结果得出结论。

2.2 基于软件实现的FFT敏感性实验设计