Методика обеспечения сбоеустойчивости ПЛИС для ракетно-космического применения



«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики

Костарев Иван Николаевич

Методика обеспечения сбоеустойчивости ПЛИС для ракетно-космического применения

по направлению подготовки11.04.04Электроника и наноэлектроника

шифрнаименование направления подготовки

«____Инжиниринг в электронике___»

наименование образовательной программы

Студент

___________________

И.Н.Костарев

Рецензент

к.т.н, доцент

___________________

С.Н.Полесский

Руководитель

к.т.н, доцент

____________________

В.В.Жаднов

Москва 2016

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

на выполнение магистерской диссертации

студенту группыМИЭЛ-141 Костарев Иван Николаевич

  1. Тема работы

Методика повышения сбоеустойчивости ПЛИС для ракетно-космического применения___________________________________________________________________

  1. Цель работы

Повышение сбоеустойчивости ПЛИС при воздействии тяжелых заряженных частиц________________________________________________________________________

  1. Формулировка задания

Разработать схему ПЛИС, обеспечивающую ее работоспособность при воздействии ТЗЧ.

Разработать программного обеспечения. Разработать методику обеспечения сбоеустойчивости ПЛИС___________________________________________________

Проект ВКР должен быть предоставлен студентом в срок до «___» ____________ 201__ г.

Руководитель ВКР «___» _____________ 201__ г. _____________В.В. Жаднов

Первый вариант ВКР предоставлен студентом в срок до «___» _____________ 201__ г.

Руководитель ВКР «___» _____________ 201__ г. _____________В.В.Жаднов

Итоговый вариант ВКР предоставлен студентом в срок до «___» _____________ 201__ г.

Руководитель ВКР «___» _____________ 201__ г. _____________В.В.Жаднов

Задание выдано студенту «___» _____________ 201__ г. _____________И.Н.Костарев

Задание принято к исполнению студентом

Содержание

Аннотация

В данной работе объектом исследования являются программируемая интегральная схема и ее сбое устойчивость к ионизирующему излучению космического пространства. Цель работы – разработка методики обеспечения сбое устойчивости при проектировании логики для ПЛИС. В процессе работы была изучена методы повышения сбое устойчивости СБИС на основе применения кодов хемминга и модулярной арифметики. Разработано программное обеспечение на языке Си++ на основе библиотекиQt5 для интеграции метода вLiberoIDE. Проведен расчет надежности схемы метода сбое устойчивости и выявлено повышение надежности схемы на ПЛИС. Сделаны рекомендации к применению на основе микросхемы 5577ХС1Т.

Failure Tolerance Methodics of FPGA for Rocket-Space Applications

by

____________________ (Student’s Name)

Abstract

In this paper, the research object is a programmable integrated circuit and its failure resistance to ionizing space radiation. Purpose - to develop a methodology to ensure the stability of failure in the design logic to the FPGA. In the process, it has been studied methods to improve fault VLSI sustainability through the use of modular arithmetic and Hamming codes. The software is developed in C ++ based Qt5 library for integration method in Libero IDE. Made the calculation of fault resilience circuit reliability and showed an increase reliability circuit on the FPGA. Made recommendations for use on the basis of 5577HS1T chip.

Supervisor: Prof. ______________

Введение

На сегодняшний день существует проблема в отсутствии определенного исполнения специализированных отечественных программируемых микросхем для ракетно-космической электроники. Такими микросхемами являются программируемые логические интегральные схемы с энергонезависимой памятью конфигурации с технологией типаAntifuse(прожигаемой перемычки) или радстойкиеRadiation-hardenedFPGA высокой степени интеграции.

Существует множество зарубежных производителей программируемых логических интегральных микросхем(ПЛИС), применяемых в электронике ракетно-космической техники, с разной технологией, стоимостью, логической емкостью, быстродействием, степенью защищенностью от воздействия условий космического пространства(КП). Однако среди отечественных производителей и производителей бывших стран СНГ, такая микросхема всего одна, и является копия старой зарубежной ПЛИС малой степени интеграции, рассчитанная для проектирование схемы в зарубежном САПРе.

Применение микросхем малой степени интеграции удовлетворяя современные вычислительные требования возможно на системном уровне применения. В этом случае задействуется большее количество микросхем, что в итоге уменьшает надежность прибора в целом. Увеличить надежность в таком случае можно увеличив надежность отдельного элемента, т.е уменьшив интенсивность отказов или сбоев путем введения дополнительной отказоустойчивости.

В данной работе предлагается метод сбоеустойчивости разработанный в процессе работы на ОАО РКК Энергия совместно с ИППМ РАН. Метод основан на внесении на уровне проектирования логики для ПЛИС троирования и мажорирования дискретного библиотечного логического элемента без потери логических связей и оптимизации посредством соответствующего изменения файлаEDIF на всем маршруте проектирования.

В процессе работы была разработана программное обеспечение для интеграции метода в процесс проектирования прошивки ПЛИС и методика  использования метода сбоеустойчивости ПЛИС. Также согласована программа и методика испытаний совместно с НИИЯФ и на их научно-исследовательской базе, а также согласованы требования ВВФ для бортовой аппаратуры МКС.

ГлаваI. Разработка схемы ПЛИС, обеспечивающую ее работоспособность при воздействии ТЗЧ.

1.1Описание существующей проблемы сбоев работы ПЛИС

Проблема отсутствия специализированных микросхем под определенное воздействие КП с оптимальной отказоустойчивостью в ракетно-космической электронике может парироваться путем использования специализированного инструментария для создания отказоустойчивой структуры логики ПЛИС или путем использования микросхем с отказоустойчивой технологией. Поскольку условия внешнего воздействия комического пространства имеют определенную статистическую модель, то по маршруту и орбите изделия, т.е по степени воздействия условий КП, можно найти самый оптимальный вариант степени отказоустойчивости, т.е степени избыточности отказоустойчивой логики или степени актуальности использования микросхем с отказоустойчивой технологией.

На данный момент отечественной радиационно-стойкой ПЛИС нет, но есть радиационно-стойкая() ПЛИС производства республики Беларусь, которая используется в рамках этой работы и есть сбоеустойчивые-радстойкие процессоры 1907ВМ028 с технологией изготовления 0.25 КНИ, 150 МГц, а также 1907ВМ038 с технологией 0,25 КНИ, 125МГц, а также троированный микропроцессор 1990ВМ2Т с повышенными характеристиками по сбое устойчивости и радиационной стойкости с технологией КМОП КНИ 0,35, 66Мгц производства НИИСИ РАН. Кроме того есть отечественные рад стойкие ИМС(микроконтроллеры), - 8-разрядный микроконтроллер с повышенной стойкостью к СВ ВВФ1830ВЕ32У,1830ВЕ32АУ , 16-разрядный микроконтроллер с повышенной стойкостью к СВВФ1874ВЕ05Т c характеристиками стойкости изделия к специальным видам внешних воздействующих факторов производства ОАО “НИЭТ”.

На сегодняшний день существуют дорогие отказоустойчивые и есть менее дорогие ПЛИС, которые для применения в бортовой аппаратуре КА требуют внесения сбоеустойчивости на логическом уровне, которая является частичной по причине оптимизации избыточности, вносимой дополнительными схемами мажорирования и резервирования.

1.2Источники проблемы сбоев, - ионизирующие излучения

Ионизирующее излучение у поверхности Земли складывается из космического излучения, излучения от радионуклидов, содержащихся в земной коре, почве и других объектах внешней среды. Космическое излучение подразделяют на первичное и вторичное. Первичное космическое излучение – поток атомных ядер высокой энергии галактического и солнечного (~90%) происхождения, в основном протонов, α - частиц и ядер более тяжелых элементов, падающих на Землю из мирового пространства. Состав ядер первичного космического излучения приведен в следующей таблице для широты 51° с.ш. (для широты 41° с.ш. поток протонов около 610 м-2 с-1).

Средняя энергия первичных космических лучей около 104 Мэв, а отдельные частицы могут иметь энергию 1013 Мэв и более. Поток первичных частиц на границе атмосферы в высоких широтах при минимуме солнечной активности 0,7 – 1,0 см-2 с-1, а на уровне моря в среднем 1,7∙10-2 см-2 с-1и слабо зависит от солнечной активности. Большинство первичных космических частиц испытывают неупругие столкновения с ядрами атомов воздуха в верхних слоях земной атмосферы, образуя вторичное излучение.

Вспышки на Солнце являются ближайшим к Земле источником первичного космического излучения. Практически все, даже самые слабые вспышки, генерируют частицы высоких энергий и космическое излучение с энергией от нескольких десятков Кэв до 104 Мэв. Причем поток частиц с энергиейE зависит от нее какE-n, гдеn = 2 ÷ 6 (меняется от вспышки к вспышке). Состав космического излучения солнечного происхождения совпадает практически с составом солнечной хромосферы, где и рождаются вспышки.

На границе атмосферы число частиц с энергией более 10 Мэв составляет ~ 104 см-2 с-1, а за время вспышки полный поток составляет порядка 109 см-2. Около 80% всех вспышек на Солнце в космическом излучении сопровождаются вспышками радиоизлучения. Такая радиационная обстановка вызывает сбои или эффекты одиночных событий(далее ЭОС) и отказы микросхемы и других активных компонентов бортовой аппаратуры.

Наибольшую  опасность  с  точки  зрения  генерации  ЭОС  представляют  высокие  орбиты  ( ГСО,  ВЭО ). В таблице представлена классификация типовых орбит полета КА для установления требований по стойкости РЭА КА по ЭОС

Тип частиц

Диапазоны высот типовых орбит, км

< 600

600 – 1200

1200 – 6000

6000 – 10000

>10000

ГСО

ВЭО

Высоты, км,   для которых устанавливаются спектры ЗЧ

СКЛ

3000

3000

3000

ГСО

ГСО

ГСО

ГСО

ГКЛ

ГСО

ГСО

ГСО

ГСО

ГСО

ГСО

ГСО

ЕРПЗ

600

1200

3000

6000

-

-

-

Типовые толщины защиты 0.1, 0.5, 1.0, 3.0, 10.0 г.см-2

1.3Результаты воздействия ИИ на интегральные микросхемы

При воздействии отдельных ТЗЧ и протонов КП на РЭА КА в комплектующих ее ИЭТ возникают одиночные радиационные эффекты, которые могут приводить к нарушению штатного функционирования аппаратуры и ее отказу, если в ней не применены необходимые схемотехнические и программно - алгоритмические методы парирования сбоев и защиты ИЭТ от отказов.

Основной причиной сбоев ИЭТ являются следующие радиационные одиночные эффекты:

- одиночный обратимый сбой в БИС с регулярной логикой, проявляющийся в виде потери информации в отдельных ячейках;

- одиночный эффект функционального прерывания;

- переходная ионизационная реакция, вызванная

- одиночный эффект функционального прерывания;

- переходная ионизационная реакция, вызванная

попаданием ЗЧ КП в чувствительную область БИС. Этот эффект может проявляться в виде импульсов тока в выходных цепях в аналоговых ИЭТ и в ИЭТ смешанного типа, а также может привести к искажению информации в высокочастотных оптических линиях передачи информации.

Основной причиной, приводящей к отказам ИЭТ, являются следующие радиационные одиночные эффекты:

– одиночное событие радиационного защелкивания, вызванное включением паразитных тиристорных структур при попадании в чувствительный объем БИС отдельных заряженных частиц;

– одиночный микродозовый эффект, связанноеый с локальным выделением энергии в чувствительном объеме активных элементов БИС при попадании ЗЧ КП с последующим "дозовым" отказом данного элемента. Возможно восстановление работоспособности после длительной выдержки в резерве;

– одиночный эффект выгорания в мощных n-МОП -транзисторах, связанный с открыванием паразитного биполярного транзистора при попадании ЗЧ КП;

– одиночный эффект пробоя подзатворного диэлектрика в МДП-структурах при попадании ЗЧ КП;

– одиночный эффект вторичного пробоя в n-МОП-транзисторах.

Обратимые события или сбои в БИСнепосредственно не ведут к катастрофическим отказам в РЭА.

Для восстановления нормального функционирования аппаратуры не нужно отключать питание. Однако такие сбои

могут быть серьезнойпомехой для нормального функционирования аппаратуры, если в ней отсутствуют специальные меры по сбоеустойчивости. При этом, если в РЭА не предусмотрено восстановление штатного функционирования цифровой БИС (СБИС) с искаженной информацией, то это является отказом РЭА. Причиной отказа может также послужить и ложно воспринятый импульс тока в аналоговых микросхемах.

Необратимые эффекты в изделиях без специальных схемотехнических мер защиты могут привести к их катастрофическим отказам и, соответственно, к отказу РЭА.

Одиночные события главным образом возникают вследствие взаимодействия высокоэнергетичных протонов и ТЗЧ с БИС. Источниками ЗЧ, вызывающих одиночные эффекты в БИС, являются ГКЛ и СКЛ, представляющие собой потоки протонов и ТЗЧ (атомный номерZ2), и протоны ЕРПЗ.

Эффекты  одиночных  событий  как правило классифицируют на:

1) Обратимые  эффекты:

- Одиночные  сбои  или  «мягкие  ошибки» (SEU)

- Множественные  сбои  (MBU)

- Функциональный  отказ  (SEFI)

- Обратимый  переходной  процесс  (SET)

2) Необратимые  отказы:

- «Жесткие  ошибки» (SHE)

- Тиристорный  эффект  (SEL)

- Прокол (SESB)

- Вторичный  пробой  (SEB)

Разрушение  подзатворного окисла  (SEGR

Типы одиночных радиационных эффектов в цифровых СБИС

Таблица 1.3 – Типы ОРЭ в цифровых интегральных микросхемах

ОРЭ

Характеристика ОРЭ

Характер отказа

Одиночные сбои в элементах памяти и регистровых структурахSEU (SingleEventUpset)

Одиночный сбой, проявляющийся в виде инвертирования логического состояния запоминающей ячейки. Данные сбои могут иметь кратный характер при воздействии одиночной частицы.

Сбой

Одиночныйтиристорныйэффект

SEL (Single Event Latch-up

Отказ изделия полупроводниковой электроники, обусловленный включением паразитных четырехслойных полупроводниковых структур (тиристорных структур) вследствие взаимодействия одиночного высокоэнергетического протона или одиночной тяжелой заряженной частицы с материалом чувствительной области изделия. Данный отказ, как правило, сопровождается резким возрастанием тока потребления и полной или частичной потерей работоспособности изделия и восстановлением работоспособности после отключения и повторном включении питания в случае отсутствия пережогов и пробоевр-п переходов.

Катастрофический отказ или принудительно восстанавливаемый отказ в зависимости от конструктивно-технологических параметров изделия полупроводниковой электроники

Одиночный микродозовый эффект

SEHЕ (Single Event Hard Error)

Отказ отдельного транзистора или элемента памяти изделия полупроводниковой электроники, связанный с локальным накоплением радиационно-индуцированного заряда в  подзатворных и изолирующих диэлектриках.

Катастрофический отказ

Одиночный эффект

прерывания

функционированияSEFI (SingleEventFunctionalInterrupt)

Принудительно восстанавливаемый отказ изделия полупроводниковой электроники, который вызывает потерю функционирования изделия, для восстановления которой требуется перезагрузка выполняемой программы или конфигурации и обусловленный возник