CN102901924B - 一种测试部分三模冗余fpga的单粒子翻转特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种部分三模冗余SRAM型FPGA的单粒子翻转特性的测试方法，包括：在设定的注量率下辐照被测器，当器件输出特性不正确且停止粒子束辐照T1时间内器件功能未恢复正常，则记录1次单粒子错误，多次重复后计算单粒子错误截面；使粒子注量率不断降低，直到单粒子错误截面趋于稳定；提供另一不进行三模冗余加固的对比器件，在对比注量率下，辐照对比器件并计算单粒子错误截面算对比器件的单粒子错误截面与被测器件的单粒子错误截面的比值。
Description
技术领域
本发明属于粒子辐照测试领域，尤其涉及一种部分三模冗余加固后的SRAM型FPGA的单粒子翻转特性的测试方法。
背景技术
SRAM型FPGA由配置存储器、块存储器、触发器、全局控制寄存器和半闭锁结构等组成，以其集成度高、灵活性强、开发周期短的特点，在航天领域得到了越来越广泛的应用。然而，其工作的空间环境存在着大量γ光子、辐射带电子、高能质子等高能粒子，而SRAM型FPGA是一种单粒子翻转敏感器件，由配置存储器、块存储器、触发器、全局控制寄存器和半闭锁结构等组成，每一部分均可能在高能粒子的轰击下产生单粒子翻转，这对SRAM型FPGA的影响尤为明显。
现代FPGA工艺向着低电压、高集成度方向发展，这使得发生空间辐射响应的阈值越来越低，发生故障的概率越来越大。空间辐射效应的发生，轻则会使设备工作异常，重则会导致设备烧毁、永久失效。因此，FPGA必须进行高可靠性设计，来最大限度地预防和解决空间辐射效应的影响。
三模冗余加固(Triple Modular Redundancy，TMR)，常用的抗单粒子翻转的措施之一.三个模块同时执行相同的操作，以多数相同的输出作为表决系统的正确输出，通常称为三取二。三个模块中只要不同时出现两个相同的错误，就能掩蔽掉故障模块的错误，保证系统正确的输出。由于三个模块是互相独立的，两个模块同时出现错误是极小概率事件，故可以大大提高系统的可靠性。但三模冗余会增加器件内部资源使用量，在一些应用中，由于使用资源大，而器件内部资源总量是一定的，无法做到对所有的电路进行三模冗余设计，设计师根据影响程度，对影响大的部分关键电路进行三模冗余，其余部分不采取三模冗余。因为仅是部分冗余，而不是所有的电路都进行冗余，因此无法预计部分冗余后是否能够真正提高器件的抗单粒子翻转的性能，这种部分三模冗余后的器件单粒子翻转特性测试
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种部分三模冗余SRAM型FPGA的单粒子翻转特性的测试方法，能够准确地能够测试出部分三模冗余对器件的加固效果。
本发明提供一种部分三模冗余SRAM型FPGA的单粒子翻转特性的测试方法，该方法的流程如图1所示，包括：
1）用LET值大于翻转阈值的高能粒子，在设定的注量率下辐照被测器件，当器件输出特性不正确且在停止粒子束辐照的时间T1内器件功能未恢复正常时，则记录1次单粒子错误，重新配置FPGA器件功能，并多次重复辐照被测器件以得到累计的单粒子错误，并计算单粒子错误截面；
2）使粒子的LET值不变而注量率降低，并重复上述步骤1），得到另一单粒子错误截面，若该单粒子错误截面与前一次单粒子错误截面的差异小于一预定值，则取该次单粒子错误截面为被测器件的最终单粒子错误截面值，若该单粒子错误截面与前一次单粒子错误截面之差大于一预定值，则继续重复该步骤2）；
3）提供另一与被测器件相同的不进行三模冗余加固的对比器件，用与步骤1）中的LET值相同的高能粒子，在对比注量率下，辐照对比器件，当器件输出特性不正确且在停止粒子束辐照的时间T1内器件功能未恢复正常，则记录1次单粒子错误，并多次重复辐照对比器件以得到多次单粒子错误，并计算单粒子错误截面；
4）计算未三模冗余加固的对比器件的单粒子错误截面与步骤2）得到的被测器件的最终单粒子错误截面的比值。
根据本发明提供的方法，根据步骤4）得到的比值判断加固效果，比值越大，则说明三模冗余加固效果大，比值越小，说明三模冗余加固效果越小。
根据本发明提供的方法，其中上述步骤1）和步骤3）中，停止辐照的时间T1为20至50秒。
根据本发明提供的方法，其中上述步骤1）中，多次重复辐照被测器件，直到累积出现预定次数的单粒子错误时停止辐照。
根据本发明提供的方法，其中上述步骤1）中，多次重复辐照被测器件，直到辐照累积注量达到预定量时停止辐照·。
根据本发明提供的方法，其中上述步骤3），多次重复辐照对比器件，直到累积出现预定次数的单粒子错误时停止辐照。
根据本发明提供的方法，其中上述步骤3）中，多次重复辐照对比器件，直到辐照累积注量达到预定量时停止辐照。
根据本发明提供的方法，其中上述步骤3中），所述对比注量率比步骤1）中所述的最终单粒子错误截面值所对应的注量率大两个数量级。
根据本发明提供的方法，其中步骤2）中所述的预定值在0-10%之间。
本发明提供的方法能够准确地能够测试出部分三模冗余对器件的加固效果。
附图说明
图1为根据本发明的方法的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种部分三模冗余SRAM型FPGA的单粒子翻转特性的测试方法，包括：
1）将被测FPGA器件进行部分三模冗余加固；
2）用LET（传能线密度）值大于FPGA器件的翻转阈值的高能粒子，在设定的注量率（102个粒子/cm2·s）下辐照被测器件，并在辐照期间测试器件的输出特性；
3）当器件输出特性不正确时，停止粒子束辐照，同时继续监测器件输出特性；
4）若在停止辐照T1=30秒的时间内，器件功能恢复正常，则继续辐照，若停止辐照T1=30秒的时间内，器件功能未恢复正常，则记录1次单粒子错误，通过设置停止辐照的时间T1，来消除器件的自身修复对测试结果造成的影响；
5）重新配置FPGA器件功能，重复步骤2)-4)，直到累积出现100 次单粒子错误时停止辐照；
6）计算单粒子错误截面，其中单粒子错误截面等于总的单粒子错误数除以总的入射粒子注量；
7）使粒子注量率降低1个数量级，在降低后的注量率（10个粒子/cm2·s）下辐照被测器件，并在辐照期间测试器件的输出特性，然后重复上述步骤3）-6），得到降低后的注量率下的单粒子错误截面；
8）比较最后一次设定的注量率与上一次设定的注量率下的单粒子错误截面的差异，若两者基本相同（差值小于一预定值，例如相差10%以内），则停止辐照，继续执行步骤9）；若两者差异大（差值大于一预定值，例如相差10%以上），则重复步骤7），即不断地降低粒子注量率，直到单粒子错误截面基本趋于平稳，从而去除注量率对测试结果造成的影响，取注量率最低时（即最后一次设定的注量率下）所对应的单粒子错误截面值作为被测器件的最终单粒子错误截面值；
9）提供另一与被测器件相同的对比器件，该对比器件不进行三模冗余加固；
10）用LET值与步骤1）中的LET值相同的高能粒子，在对比注量率（102个粒子/cm2·s）下，辐照对比器件，辐照期间测试器件的输出特性，所述对比注量率比步骤8）中所述的最后一次设定的注量率大两个数量级；
11）当器件输出特性不正确时，停止粒子束辐照，继续监测器件输出特性，若在停止辐照T1=30秒的时间内，器件功能恢复正常，则继续辐照，若停止辐照T1=30秒的时间内，器件功能未恢复正常，则记录1次单粒子错误；
12）重复步骤10）-11），直到累积出现100次单粒子错误时停止辐照；
13）计算单粒子错误截面，单粒子错误截面等于单粒子错误数除以入射粒子总的注量；
14）计算未三模冗余加固的对比器件的单粒子错误截面与步骤8）得到的被测器件的单粒子错误截面的比值，该比值越大，则说明三模冗余加固效果越大，比值越小，说明三模冗余加固效果小，则说明设计人员应调整部分冗余的设计方案。
根据本发明的其他实施例，其中上述步骤8）中，单粒子错误截面是否基本相同的预定值并不局限于10%，也可以为3%、5%、8%等，优选为0-10%，本领域技术人员可以根据实际应用中对测试精度的需要而采用不 同的预定值。
根据本发明的其他实施例，其中上述步骤4）和步骤11）中，所述停止辐照的时间T1优选在20-50秒内。
本实施例中的步骤5）和步骤12）中，采用多次重复的方式得到多个样本，并将重复达到一定的次数作为重复结束的依据，从而得出统计学意义上的单粒子错误截面，重复的次数越多，得到的样本越多，所得到的统计学意义上的单粒子错误截面越接近准确值，其中累积出现的次数优选为100次左右。根据本发明的其他实施例，还可以采取达到一定的总的累积注量作为重复结束的依据，累积注量优选达到107个粒子/cm2左右。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种部分三模冗余SRAM型FPGA的单粒子翻转特性的测试方法，包括：
1)用LET值大于翻转阈值的高能粒子，在设定的注量率下辐照被测FPGA器件，当所述被测FPGA器件输出特性不正确且在停止粒子束辐照的时间T1内所述被测FPGA器件功能未恢复正常时，则记录1次单粒子错误，重新配置所述被测FPGA器件功能，并多次重复辐照所述被测FPGA器件以得到累计的单粒子错误，并计算单粒子错误截面；
2)使粒子的LET值不变而注量率降低，并重复上述步骤1)，得到另一单粒子错误截面，若该单粒子错误截面与前一次单粒子错误截面的差异小于一预定值，则取该次单粒子错误截面为所述被测FPGA器件的最终单粒子错误截面值，若该单粒子错误截面与前一次单粒子错误截面之差大于一预定值，则继续重复该步骤2)；
3)提供另一与所述被测FPGA器件相同的不进行三模冗余加固的对比FPGA器件，用与步骤1)中的LET值相同的高能粒子，在对比注量率下，辐照所述对比FPGA器件，当所述对比FPGA器件输出特性不正确且在停止粒子束辐照的时间T1内所述对比FPGA器件功能未恢复正常，则记录1次单粒子错误，并多次重复辐照所述对比FPGA器件以得到多次单粒子错误，并计算单粒子错误截面；
4)计算未三模冗余加固的所述对比FPGA器件的单粒子错误截面与步骤2)得到的所述被测FPGA器件的最终单粒子错误截面的比值。
2.根据权利要求1所述的方法，根据步骤4)得到的比值判断加固效果，比值越大，则说明三模冗余加固效果大，比值越小，说明三模冗余加固效果越小。
3.根据权利要求1所述的方法，其中上述步骤1)和步骤3)中，停止辐照的时间T1为20至50秒。
4.根据权利要求1所述的方法，其中上述步骤1)中，多次重复辐照所述被测FPGA器件，直到累积出现预定次数的单粒子错误时停止辐照。
5.根据权利要求1所述的方法，其中上述步骤1)中，多次重复辐照所述被测FPGA器件，直到辐照累积注量达到预定量时停止辐照。
6.根据权利要求1所述的方法，其中上述步骤3)，多次重复辐照所述对比FPGA器件，直到累积出现预定次数的单粒子错误时停止辐照。
7.根据权利要求1所述的方法，其中上述步骤3)中，多次重复辐照所述对比FPGA器件，直到辐照累积注量达到预定量时停止辐照。
8.根据权利要求1所述的方法，其中上述步骤3中)，所述对比注量率比步骤1)中所述的最终单粒子错误截面值所对应的注量率大两个数量级。
9.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2)中所述的预定值在0-10％之间。
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