СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2014

32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2014 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ стойкость в сравнении с микросхема- ми Antifuse и флэш-ПЛИС. Однако гиб- кий функционал, предоставляемый раз- работчику микросхемами SRAMПЛИС, позволяет на программно-аппарат- ном уровне повысить радиационную стойкость и предотвратить накопление ошибок в блоках конфигурационной памяти логики микросхемы, вызван- ных воздействием ионизирующих излучений. Обзору методов, повыша- ющих радиационную стойкость микро- схем SRAMПЛИС, и посвящена настоя- щая статья. Производителями микросхем SRAM ПЛИС проделана большая работа по улучшению характеристик радиаци- онной стойкости микросхем на аппа- ратном уровне: для этого использу- ются специальные схемотехниче- ские решения для ячеек памяти SRAM, тройное резервирование особо чув- ствительных к радиационным воз- действиям функциональных блоков микросхем, а также специальные тех- нологические процессы при их про- изводстве. Под воздействием ионизирующих излучений космического простран- ства в SRAM ПЛИС (семейство Virtex) одиночные сбои проявляют себя на уровне приложений (функциональные элементы памяти, на которых реализо- вана пользовательская конфигурация ПЛИС), а также на конфигурационном уровне – логических ресурсов и трас- сировочных матриц. Одиночные сбои на конфигурационном уровне являют- ся постоянными во времени и сохра- няются до тех пор, пока не будет осу- ществлена реконфигурация системы. Примером может служить функци- ональный сбой конфигурационной логики, который исправляется пере- загрузкой ПЛИС. Для борьбы с проявлениями одиноч- ных сбоев используется метод полной реконфигурации (скраббинга). Суть полной реконфигурации микросхемы состоит в следующем: внешний скраб- контроллер периодически полностью обновляет конфигурационную память SRAMПЛИС, загружая так называемую эталонную конфигурацию из энерго- независимой памяти (см. рис. 3). Глав- ным минусом такого подхода является неработоспособность системы во вре- мя процесса загрузки «эталонной кон- фигурации». Для устранения недостатков полно- го скраббинга была выдвинута концеп- ция частичного скраббинга. Таблица сравнительных характеристик микросхем ПЛИС Характеристики SRAM Antifuse Flash ПЛИС Xilinx Virtex-5QV ATMEL AT/ATF Microsemi RTAX-S Aeroflex Eclipse Microsemi RT ProASIC3 Число логических вентилей 1М 40к…450к 30к…500к 320к 3М Тактовая частота 450 МГц 20…70 МГц  350 МГц 120 МГц 250…350 МГц Возможность перепрограммирования Есть Нет Есть Скорость перепрограммирования Высокая – В 3 раза медленнее, чем SRAM Энергонезависимость Нет Да Да Требуется ли внешний конфигурационный файл Да Нет Нет Быстрая загрузка при подаче питания Нет Да Размер конфигурационной ячейки Большой (6 транзисторов) Маленький Средний (2 транзистора) Показатели радиационной стойкости Среднее Низкое Среднее Накопленная доза 1 Мрад > 300 крад 300 крад 300 крад 300 крад SEU, 1/бит  день 3,8 × 10 –10 < 10 –6 < 10 –10 SEU to LETth (ЛПЭ), пороговые значения единичных ошибок, МэВ  см 2 /мг > 37 > 42 (триггеры) > 64 (SRAM блоки) > 6 (триггеры D-типа) > 1 (SRAM блоки) SEL, пороговые значения радиационного защёлкивания, МэВ  см 2 /мг > 100 > 80 > 117 > 120 > 68 Частичный скраббинг (т.н. скраб- бинг открытого типа) представля- ет собой периодический процесс по-фреймового обновления конфигу- рационной памяти. Преимуществом такого подхода является простота реализации. Следует подчеркнуть, что внешний контроллер не детектиру- ет момент возникновения единично- го (SEU) или функционального сбоя (SEFI). Существенным недостатком скраб- бинга открытого типа является то, что не всегда возможно синхронизировать частоту обновления фреймов конфи- гурационной памяти (путём загрузки из внешнего контроллера) с частотой проявления сбоев, связанных с радиа- ционными воздействиями. Для улучшения способности детекти- рования ошибок в конфигурационной памяти используется схема скраббин- га закрытого типа, временна ′ я диаграм- ма которого представлена на рисунке 4. В момент времени t 0 скраб-контроллер считывает фрейм i, j , затем проверя- ет его на ошибку (в момент времени t 1 ), в случае отсутствия ошибки кон- троллер переходит к фрейму i + 1 , j + 1 в момент времени t 2 . Детектирование ошибки в текущем фрейме запускает процедуру загрузки эталонного фрей- ма. Пример применения схемы закрыто- го скраббинга представлен на рисунке 5. В среде разработки создаётся конфи- гурация ПЛИС, а также система детек- тирования и исправления ошибок, вызванных одиночными сбоями. Для начальной конфигурации генериру- ются коды EDAC (коды обнаружения и исправления ошибок), затем конфи- гурация ПЛИС, система детектирования и исправления ошибок. После чего сге- Рис. 3. Схема полного скраббинга для микросхем SRAM ПЛИС