一种SRAM型FPGA复杂IP核精准辐照评估方法

技术领域

本申请涉及FPGA辐照评估的技术领域，特别是一种SRAM型FPGA复杂IP核精准辐照评估方法。

背景技术

静态随机存取存储器(static random-access memory，SRAM)型现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)存在成本低、资源多、动态可重构能力强等优点，广泛应用于国内外各类航天型号中。但航天器在外太空遭受宇宙射线、地球辐射带粒子及质子、中子等高能粒子的辐射，FPGA在遭受辐射后，容易发生单粒子效应。随着半导体器件工艺尺寸的逐渐减小，如今FPGA对单粒子辐射效应变得越来越敏感，因此在为保障航天型号的可靠性，在FPGA进行实际空间任务之前，对其进行地面辐照效应评估尤为重要。IP核作为目前FPGA内最为复杂，功能最为先进的模块，航天型号对其的需求日益迫切，与FPGA一般资源不同，由于电路结构复杂、面积占比小、数据传输速度快，对知识产权(intellectual property core，IP)核辐照评估成为了目前地面辐照效应评估的重大挑战。

进行地面评估的主要手段是利用重离子加速器进行单粒子模拟试验，由于IP核面积过小，以高速接口IP为例，目前最小的单粒子束斑面积仍为其面积的几十倍，因此注入IP核内的粒子注量与预期相比过小，多次评估结果差异较大，准确度过低，无法作为IP核辐照效应评估依据，进而影响FPGA空间应用可靠性。

激光模拟单粒子实验成本低，激光频率精确可调，能够实现单个脉冲辐照实验，可利用精密三维移动载体准确移动激光源，可以针对特定区域进行精准辐照。但激光斑径过小，对FPGA进行全面积试验需要近61万次扫描。同时由于激光和重离子存在电离机制上的差异，激光测试结果无法等效为重离子测试结果，大面积测试的可靠性仍无法保障。

综上所述，FPGA作为航天型号核心主控芯片，是辐照效应敏感器件，而现有的IP核的辐照评估并不可靠，将会对航天型号的运行产生重大影响，因此研究一种复杂IP核精准辐照评估方法非常重要。

发明内容

本申请提供一种SRAM型FPGA复杂IP核精准辐照评估方法，该方法通过软件仿真、激光细化、等效修正，对FPGA内复杂IP核进行精准辐照测试，实现对FPGA内嵌复杂IP核辐照效应精准评估。

第一方面，提供了一种应用于SRAM型FPGA的IP核评估方法，包括：

(1-1)、对重离子与FPGA器件进行仿真，确定IP核辐照敏感区域初步预测结果；

(1-2)、利用激光对(1-1)确定的敏感区域初步预测结果进行扫描式测试，确定敏感区域精确预测结果；

(1-3)、对(1-2)所得敏感区域精确预测结果进行单粒子效应修正，确定IP核评估结果。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，步骤(1-1)中仿真的具体步骤包括：

(2-1)、对待测重离子进行Geant4软件的仿真，提取物理特征参数；

(2-2)、结合(2-1)所得重离子物理特性，对待测SRAM型FPGA进行对应工艺的器件级别TCAD仿真，得出器件级别辐照效应仿真结果；

(2-3)、对(2-2)所得TCAD仿真结果进行spice网表转换，利用Hspice进行包含辐照效应的电路仿真，确定IP核辐照敏感区域初步预测结果。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，步骤(2-1)具体包括：

设计器件几何结构及辐照环境模型，并确定覆盖材料结构及材料敏感组件的响应，建立Geant4几何模型；

设定离子穿过待测材料电磁区域的粒子轨迹及角度，可通过在Geant4软件中编码设定；

选取重离子仿真相关的离子输运模型，仿真离子反应的物理过程，分析并提取物理特征参数。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，步骤(2-2)具体包括：

将(2-1)步骤中的Geant4几何模型转换为TCAD模型；

利用pisces在工艺仿真所得器件结构基础上计算电学行为，并利用Slivaco的SPICE模型参数提取工具Utmost IV提取符合bsim标准的器件参数，并生成spice网表。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，步骤(1-2)中扫描式测试的具体步骤包括：

(3-1)、根据IP核辐照敏感区域初步预测结果，在该区域背部进行切割，露出FPGA衬底；

(3-2)、将待测FPGA安装于FPGA测试板，所述FPGA测试板提供待测FPGA芯片的供电信号，时钟信号以及数据通讯功能；

(3-3)、将FPGA芯片上电，将激光对准开孔敏感区域，进行扫描试验；

(3-4)、监测工作电流、电压、数据传输误码率，当任一电参数出现跳变，数值过高或过低时，则认为FPGA待测区域出现故障。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述开口精度控制在0.8mm

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述FPGA测试板用于评估FPGA待测芯片，所述FPGA测试板包括：FPGA主控芯片、配置模块、DDR模块、reset模块、时钟模块、电源系统、通信模块；其中，

电源系统用于实现供电；

DDR模块用于存储FPGA测试向量，上电后将通过配置FLASH模块将测试向量烧录入待测FPGA中，FPGA待测芯片上电后读取DDR模块中的测试向量并运行；

配置模块，上电后配置DDR中储存的功能测试程序；

FPGA主控芯片配合对FPGA待测芯片的功能测试，并将测试程序运行后得到的功能测试结果发送至监测控制设备；

reset模块，与通信模块及待测FPGA相连，通过监测控制设备操作控制待测FPGA进行复位；

时钟电路，通过电路板线路连接主控与待测FPGA芯片，为主控与待测FPGA芯片实现测试功能时提供时钟信号；

通信模块，通过USB端口实现待测FPGA各项测试数据向监测控制设备的数据传输，同时实现监测控制设备对FPGA供电与复位的控制。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，步骤(1-3)中进行测试数据修正的具体步骤如下：

(4-1)、分析使用激光光源与待模拟重离子的电离原理差异，得出能级差异公式。

(4-2)、根据辐照环境确定各项参数，推导能级等效补偿公式。

(4-3)、将测试结果进行等效补偿修正。

(4-4)、将修正结果进行最小二乘法拟合，生成贝塞尔曲线。

第二方面，提供了一种FPGA测试板，所述FPGA测试板用于评估FPGA待测芯片，所述FPGA测试板包括FPGA主控芯片，用于在辐照试验过程中监测FPGA待测芯片的工作电流、电压、数据传输误码率，配合对FPGA待测芯片的功能测试，并将测试程序运行后得到的功能测试结果发送至监测控制设备；

所述FPGA测试板还包括：配置模块、DDR模块、reset模块、时钟模块、电源系统、通信模块；其中，

电源系统用于实现供电；

DDR模块用于存储FPGA测试向量，上电后将通过配置FLASH模块将测试向量烧录入待测FPGA中，FPGA待测芯片上电后读取DDR模块中的测试向量并运行；

配置模块，上电后配置DDR中储存的功能测试程序；

reset模块，与通信模块及待测FPGA相连，通过监测控制设备操作控制待测FPGA进行复位；

时钟电路，通过电路板线路连接主控与待测FPGA芯片，为主控与待测FPGA芯片实现测试功能时提供时钟信号；

通信模块，通过USB端口实现待测FPGA各项测试数据向监测控制设备的数据传输，同时实现监测控制设备对FPGA供电与复位的控制。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述FPGA待测芯片露出FPGA衬底的区域为待测敏感区域，所述待测敏感区域通过对重离子与FPGA器件进行仿真确定，所述辐照试验过程包括将激光对准待测敏感区域进行扫描，同时监测工作电流、电压、数据传输误码率。

本发明与现有技术相比的优点是：

(1)、本发明开创性的将重离子仿真、器件仿真和电路仿真级联于一体，得出具有单粒子效应的电路仿真结果，仅利用软件便精确定位辐照敏感区域。

(2)、本发明对待测FPGA进行精准开孔，开孔面积小于0.8mm

(3)、本发明功能测试情况下，可以根据不同IP核的特点进行分类测试，灵活高效，同时根据软件预测区域进行精准测试，减小测试误差。

(4)、本发明测试板卡使用LDO与程控电源双供电的方式，满足不同实验环境的供电需求，可克服程控电源电源纹波大的问题，也可解决LDO供电精度较低的问题。

(5)、本发明状态监测控制上位机采取一键化窗口式操作、调试方便，可自动识别待测IP核类型选择DDR内不同地址的码流，可存储高速数据传输对比情况、记录误码率、记录电流、电压瞬态及跳变波形，为后续研究提供便利。

(6)、本发明设置电流、电压上下限阈值，同时设置数据传输误码率阈值，超过设定阈值自动记录及警告，并设置超过芯片可承受电流自动断电功能，防止FPGA因闩锁效应被损坏。

(7)、本发明对激光辐照试验测试结果进行能级等效转换以及统计学处理，与现有的不准确辐照评估结果相比，大幅提高了评估准确性，对后续FPGAIP部分抗辐照加固及空间应用时辐照效应防护方案提供可靠参考。

附图说明

图1为本发明实施一种SRAM型FPGA复杂IP核精准辐照评估方法流程图。

图2为本发明FPGA芯片辐照效应检测及定位测试系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述。

如图1所示，针对现有技术中FPGA复杂IP核辐照效应评估的局限性，本发明提出了一种SRAM型FPGA复杂IP核精准辐照评估方法，包括软件仿真、激光精准辐照、重离子等效校准，每个阶段的具体步骤如下。

1、软件仿真的步骤：

(1-1)、对待测重离子进行物理特性仿真，提取物理参数。

在本申请提供的一些实施例中，选用Geant4软件对重离子进行仿真，Geant4软件可以较完善的提供空间中存在的粒子和相应的辐射环境，且在计算效率和三维结构模拟等方面均占有优势。其粒子最终态可根据能量范围、粒子类型和材料模型提供决定，这里选用高能粒子Bi离子作为仿真粒子。

重离子仿真包括以下几个部分：设计器件几何结构及辐照环境模型，并确定覆盖材料结构及材料敏感组件的响应，建立Geant4几何模型；设定离子穿过待测材料电磁区域的粒子轨迹及角度，可通过在Geant4软件中编码设定；选取重离子仿真相关的离子输运模型，仿真离子反应的物理过程；最后设计软件仿真的其他参数并处理数据端口交互环节，在不同细节层面和细化上分析与捕获仿真数据。

(1-2)、结合重离子物理参数对FPGA进行器件单元仿真。

选用TCAD(technology computer aided design)半导体工艺模拟及器件模拟工具对FPGA进行器件级仿真，需要将(1-1)步骤中的Geant4几何模型转换为TCAD模型。本发明使用几何描述标记语言GDML，可将Geant4几何模型转换为TCAD模型。首先将Geant4几何模型文件的定义、材料、实体和结构等信息保存到数据结构中，创建边界表示法描述的基本体，并对经过布尔运算处理的基本体进行旋转、平移以得到与Geant4几何模型相对应的TCAD模型。

这里以28nm工艺为例，首先编写工艺仿真文件与器件结构描述文件，以确定标准工艺下的材料特性，此部分操作包括离子注入部分，将(1-1)所得离子仿真数据进行注入，完成工艺仿真。随后利用pisces在工艺仿真所得器件结构基础上计算电学行为，并利用Slivaco的SPICE模型参数提取工具Utmost IV提取符合bsim标准的器件参数，该工具采用了完整的SPICE仿真引擎来拟合曲线，并可使用自动生成的覆盖图进行可视化检查，进而计算出曲线拟合误差用于模型校准，保证后续SPICE仿真阶段，仿真中得到的器件特性与提取模型完全匹配。在提取器件参数后，生成spice网表，此参数同时包含了离子注入参数。

(1-3)、对spice网表进行电路仿真，定位电参数异常区域。

将(1-2)所得spice网表，利用Hspice进行电路级仿真。选用28nm工艺库，将IP核基本功能单元映射于其上，验证功能工作时电参数瞬态情况，从而确定电参数跳变与不正常区域，初步预测为辐照敏感区域。

2、激光精准试验的步骤

(2-1)对FPGA芯片软件仿真所得敏感区域进行开孔处理，露出FPGA芯片衬底。

根据步骤1初步预测结果，敏感区域被定位至大约0.8mm

(2-2)、将处理后的FPGA芯片安置在FPGA辐照试验板上，试验板提供待测FPGA芯片工作必需的供电模块，提供上位机通讯用数据传输模块，使FPGA上电后能够按测试内容正常运行。

(2-3)、配置FPGA芯片码流烧写，确定FPGA时钟与数据传输功能正常，使FPGA芯片上电后正常运行。

(2-4)、将激光光源安装至三维扫描工作平台，对准FPGA芯片处理区域，进行精准扫描照射。

(2-5)、监测工作电流、电压、数据传输误码率三项电参数，若出现参数跳变、数值过高或过低的情况，则认为FPGA该待测区域出现辐照效应，记录测试结果。

电流与电压异常判断方法如下：当FPGA芯片处于正常工作时，电流与电压的大小稳定在波动很小的范围内。设定的波动阈值为非辐照条件下，最大电流或电压值的1.5倍，一旦超出，则判断为电参数异常。

对于数据传输误码率的判断，IP核在非辐照情况下误码率不高于1e-12，考虑到高低温、真空与高低气压影响的极限条件，误码率最高为1e-9，在辐照试验过程中，若误码率高于1e-9，判断误码率出现异常。

上述方法有效解决了激光对全芯片照射试验时效率过低的情况，同时解决了激光大面积辐照试验精度过低问题，通过对软件预测区域进行精准激光测试，便于进一步细化辐照敏感区域，同时得到准确的激光辐照评估结果。

3、激光等效修正的步骤

(3-1)、分析使用激光光源与待模拟重离子的电离原理差异，得出能级差异公式。

(3-2)、根据辐照环境确定各项参数，推导能级等效补偿公式。

(3-3)、将测试结果进行等效补偿修正。

(3-4)、将修正结果进行最小二乘法拟合，生成贝塞尔曲线。

为了满足辐照评估的顺利进行，本发明还提出了FPGA芯片辐照效应检测及定位测试系统。

如图2所示，FPGA芯片辐照效应检测及定位测试系统包括状态监测控制设备、FPGA辐照测试板。

状态监测控制上位机可通过C#软件界面实现对FPGA辐照测试板的远程控制，可一键式实现对FPGA测试芯片进行上电、配置、电参数监控功能，并在软件界面上绘制电流、电压曲线；同时可对FPGA主控芯片进行数据交互，实时监控工作时数据传输情况，并自动计算误码率。同时可按时间为依据后台保存任意数据。

FPGA辐照测试板可以保障待测FPGA完成测试功能，并将FPGA各项测试状态发送至状态监测控制上位机。FPGA辐照测试板可以包括FPGA待测芯片、FPGA主控芯片、配置模块、DDR模块、reset模块、时钟模块、电源系统、通信模块。

电源系统通过LDO或程控电源两种方式对FPGA的内核、AUX、IO、IP进行电。DDR模块用于存储FPGA测试向量，上电后将通过配置FLASH模块将测试向量烧录入待测FPGA中。配置模块，上电后配置DDR中储存的功能测试程序。FPGA待测芯片上电后读取DDR模块中的测试向量并运行。FPGA主控芯片配合对FPGA待测芯片的功能测试，并将测试程序运行后得到的功能测试结果发送至状态监测控制上位机。FPGA主控芯片可以用于监测FPGA待测芯片的工作电流、电压、数据传输误码率。reset模块与通信模块及待测FPGA相连，通过上位机操作控制待测FPGA进行复位。时钟电路，通过电路板线路连接FPGA主控芯片与待测FPGA芯片，为FPGA主控芯片与待测FPGA芯片实现测试功能时提供时钟信号。通信模块，通过USB端口实现待测FPGA各项测试数据向监测上位机间的数据传输，同时实现监测上位机对FPGA供电与复位的控制。

应用上述FPGA芯片辐照效应检测及定位测试系统及软件仿真、激光精准试验的检测方法，通过可靠的实验条件和成熟的试验流程，大幅提高了FPGA复杂IP的辐照评估结论，提高FPGA芯片本在空间应用中IP核部分的可靠性，并可指导FPGA对IP核的加固处理或抗辐照设计的后续改进。

本发明未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。