SRAM型FPGA的抗輻照加固設(shè)計(jì)

讓一顆SRAM型FPGA在太空長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的難度，就類似練成獨(dú)孤九劍的難度。

SRAM型FPGA的抗輻照加固設(shè)計(jì)包括芯片工藝、Die加固和芯片應(yīng)用層面加固。本文主要討論芯片應(yīng)用層面的加固方法，包括外置刷新和FPGA內(nèi)部軟件抗輻加固。

今日登壇做法，貧道首先從FPGA資源角度來介紹不同資源對(duì)應(yīng)的解決辦法，更清楚的表明外置刷新和三模冗余是解決SEE的有效辦法。然后從解決辦法到解決措施，講具體是如何去實(shí)現(xiàn)刷新和三模冗余。最后是介紹如何驗(yàn)證刷新是否有效，如何驗(yàn)證三模冗余是否有效。

圖1 SRAM型FPGA的抗輻照加固設(shè)計(jì)

SRAM型FPGA的資源及其發(fā)生SEU故障分類

如表1所示，SRAM型FPGA資源包括配置SRAM，內(nèi)部的塊RAM（BRAM），觸發(fā)器CLB DFF，全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，DSP和高速串行接口GT。每種資源都有其特點(diǎn)和對(duì)應(yīng)SEU解決辦法。

表1 SRAM型FPGA的資源及其發(fā)生SEU概率說明

1.1?配置SRAM(CRAM)

CRAM的特點(diǎn)占芯片面積達(dá)到30%，發(fā)生SEU的概率很大。由于CRAM里面含有很多無效位，因此CRAM發(fā)生SEU可能不會(huì)導(dǎo)致FPGA功能異常。但是隨著時(shí)間的累積，越來越多的CRAM發(fā)生SEU，那么FPGA功能一定會(huì)錯(cuò)。這種累積錯(cuò)誤可以通過刷新Scrub來解決。

有兩點(diǎn)值得注意，第一個(gè)是累積錯(cuò)誤是在刷新周期的下一個(gè)周期解決，在用戶時(shí)鐘周期內(nèi)該累積錯(cuò)誤可能被時(shí)序電路捕獲，提升刷新頻率有助于緩解該問題。第二個(gè)是即使累積錯(cuò)誤是在刷新周期的下一個(gè)周期解決，累積錯(cuò)誤帶來的時(shí)序邏輯錯(cuò)誤也可能沒有辦法恢復(fù)。

因此僅僅使用刷新的方法是不能解決CRAM的SEU所帶來的功能異常問題，推薦刷新+三模冗余的方法來提升FPGA可靠性。

圖2 CRAM SEU帶來的時(shí)序邏輯錯(cuò)誤

DRP CRAM指的是用戶可以使用的CRAM資源，包括分布式RAM、移位寄存器SRL、MMCM/DCM/PLL DRP參數(shù)、高速串行接口Serdes DRP 參數(shù)等。DRP CRAM一般不能被刷新，因?yàn)橐坏┧⑿戮蜁?huì)恢復(fù)成初始值，影響用戶功能。但是如果DRP CRAM的值是固定不變的，那么則可以通過刷新來進(jìn)行加固。

1.2?BlockRAM

FPGA內(nèi)部含有大量的BlockRAM資源，占芯片面積也比較大，而且無法刷新。如果BRAM發(fā)生了SEU那該怎么辦呢？

如果BRAM用作SRAM緩存或者FIFO緩存且允許出錯(cuò)的情況下，那么BRAM可以不做加固，不允許出錯(cuò)或者可靠性有要求的情況下，BRAM也可以進(jìn)行加固。如果BRAM用作儲(chǔ)存ROM程序，那么BRAM就必須進(jìn)行加固。

BRAM錯(cuò)誤屏蔽加固的方法包括ECC和TMR，這兩種方法無法修復(fù)錯(cuò)誤本身。ECC基于SECEDC糾一檢二碼只能糾正SBU錯(cuò)誤，無法糾正錯(cuò)誤累積導(dǎo)致的MBU。TMR無法解決錯(cuò)誤累積導(dǎo)致的TMR兩份以上同一地址同一位同時(shí)失效的問題。

BRAM錯(cuò)誤修復(fù)加固的方法包括ECC回寫和TMR回寫，可以部分或者完全糾正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并回寫正確數(shù)據(jù)。ECC回寫基于Read-Modify-Write機(jī)制可糾正SBU數(shù)據(jù)并回寫正確數(shù)據(jù)。TMR回寫基于確定性方式掃描RAM存儲(chǔ)空間，可糾正并修復(fù)SBU/MBU數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，避免數(shù)據(jù)錯(cuò)誤累積，可靠性最高。

圖3 系列FPGA BRAM不同加固方案翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)比較

1.3?CLB DFF

觸發(fā)器的有效加固方法是三模冗余，根據(jù)可靠性高低，細(xì)分為“3Reg+3Voter”，“3Reg+1Voter”和“3Reg”三種。

流水寄出器如果允許短暫出錯(cuò)，那么可以不做加固，需要增強(qiáng)可靠性可以選擇“3Reg+1Voter”或“3Reg”。

圖4 TMR-“3Reg”

圖5 TMR“3Reg+1Voter”

Feedback Loop Register特別是狀態(tài)機(jī)，可靠性要求很高，推薦采用“3Reg+3Voter”。

圖6 “3Reg+3Voter”

防止TMR中兩路Reg同時(shí)翻轉(zhuǎn)，還可以采用物理隔離的方法，簡(jiǎn)單有效的方法一是時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)做三模，那么兩路Reg由于時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)不一樣，會(huì)被放在不同的Slice中去。方法二是使用Area Group約束，UCF中的寫法如下:

圖7 Area Group約束解決MBU問題

1.4?高速串行接口SerDes

Serdes的加固方案比較復(fù)雜，篇幅有限，主要說明一下Serdes里面的參數(shù)該如何加固。Serdes里面的參數(shù)特別多，而且很多都是可動(dòng)態(tài)配置的，屬于DRP CRAM。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)Serdes功能異常的時(shí)候，設(shè)計(jì)師可以通過用戶邏輯對(duì)DRP CRAM進(jìn)行重配置，然后對(duì)Serdes進(jìn)行復(fù)位操作來恢復(fù)功能。

SRAM型FPGA SEU解決措施

2.1?外置刷新芯片方案

圖8 外置刷新方案

刷新分為外部刷新和內(nèi)部刷新，關(guān)于兩者比較細(xì)節(jié)，將在后續(xù)的文章中進(jìn)行描述。今天主要介紹外部刷新方案，通常用外置專用刷新芯片或者反熔絲FPGA來實(shí)現(xiàn)外部刷新。

專用刷新芯片必須是抗輻照的，優(yōu)點(diǎn)是刷新和重構(gòu)功能已實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。反熔絲FPGA的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)用戶自定義的功能。反熔絲FPGA的缺點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，PCB面積大，而且一次燒寫增加了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

值得一提的是聽說最近國(guó)內(nèi)出了一款專用刷新芯片，功能比較強(qiáng)大，支持各種系列的FPGA，支持大容量存儲(chǔ)器，支持1553B、CAN等多種重構(gòu)接口，而且還能實(shí)現(xiàn)用戶自定義的功能，可以說是業(yè)界佼佼者。

2.2?FPGA軟件抗輻照加固設(shè)計(jì)方案

抗輻照加固軟件設(shè)計(jì)的主要功能是實(shí)現(xiàn)三模冗余，實(shí)現(xiàn)過程可分為代碼層面和網(wǎng)表層面。下面就兩個(gè)不同的層面進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行說明。

代碼層面大體有兩種具體的做法：

第一種是設(shè)計(jì)師把關(guān)鍵的模塊代碼復(fù)制三份+表決器，這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)單和靈活。缺點(diǎn)是模塊越多設(shè)計(jì)效率越低，模塊越大可靠性越低以及TMR代碼存在被工具優(yōu)化的可能。

第二種做法是借助第三方的EDA工具，可以解決可靠性低和代碼被優(yōu)化的問題，能提高設(shè)計(jì)效率，但是由于面向的是代碼層面，對(duì)IP的加固沒有辦法實(shí)現(xiàn)，支持的應(yīng)用場(chǎng)景受限。第三方的EDA工具更合適的定位應(yīng)該是一種輔助，幫助設(shè)計(jì)師完成最終的設(shè)計(jì)，不能完全交給其來實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)表層面加固借助專用的高可靠設(shè)計(jì)軟件，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠面向所有的應(yīng)用場(chǎng)景。由于網(wǎng)表層面能夠進(jìn)行細(xì)粒度的三模冗余，而且加固后不會(huì)被優(yōu)化掉，因此可靠性最高。高可靠設(shè)計(jì)軟件的EDA效率、部分三模冗余的支持能力與主流的FPGA EDA軟件的兼容程度，大體這三個(gè)方面會(huì)決定整個(gè)設(shè)計(jì)流程可實(shí)現(xiàn)性、效率和用戶體驗(yàn)度。高可靠設(shè)計(jì)軟件做的好的話，那整個(gè)加固設(shè)計(jì)可以完全交由其來實(shí)現(xiàn)，工程師會(huì)覺得福利滿滿。

圖9 網(wǎng)表層面實(shí)現(xiàn)加固設(shè)計(jì)

SRAM型FPGA SEU解決措施效果驗(yàn)證

3.1?刷新有效性驗(yàn)證

3.1.1）Verify操作：

通過JTAG執(zhí)行Verify操作可以知道FPGA里面的位流和Golden位流是否一樣，是很常見的驗(yàn)證手段。要執(zhí)行Verify操作，首先在生成位流的時(shí)候，得在settings里面勾選-mask_file。

圖10 mask文件生成方法

選中device右鍵verify_device，執(zhí)行完在Tcl_console看日志。

圖11 執(zhí)行verify device操作

圖12 verify驗(yàn)證位流正常

圖13 verify驗(yàn)證位流錯(cuò)誤

完整的驗(yàn)證刷新有效的過程，首先執(zhí)行一次verify操作確認(rèn)加載是成功的。然后通過故障注入工具注入錯(cuò)誤，執(zhí)行第二次verify操作可以看到verify結(jié)果報(bào)錯(cuò)。接著執(zhí)行完刷新操作，第三次執(zhí)行verify操作可以看到verify結(jié)果正確。

3.2?三模有效性驗(yàn)證

3.2.1）網(wǎng)表級(jí)功能仿真

三模后的網(wǎng)表功能仿真結(jié)果應(yīng)該和三模前的網(wǎng)表仿真結(jié)果一樣。如果結(jié)果不一樣，結(jié)合仿真也可以找到出問題的地方，迭代三模設(shè)計(jì)。

高可靠設(shè)計(jì)軟件會(huì)在軟件層面做大量的案例測(cè)試，保證形式驗(yàn)證結(jié)果一樣，功能仿真結(jié)果肯定也一樣。

在Vivado中執(zhí)行仿真的方法如下：

首先open the synthesized design，然后再tcl console中輸入：