[發(fā)明專利]SRAM型FPGA在軌單粒子翻轉(zhuǎn)防護(hù)量化評(píng)估方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410461975.4
• 申請(qǐng)日: 2014-09-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104317662A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張華;宗益燕;廖明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海衛(wèi)星工程研究所
• 主分類號(hào): G06F11/00
• 分類號(hào): G06F11/00
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國(guó)中

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航天器技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種SRAM型FPGA在軌單粒子翻轉(zhuǎn)防護(hù)量化評(píng)估方法。

背景技術(shù)

隨著航天器向長(zhǎng)壽命高可靠方向發(fā)展，銀河宇宙線、太陽(yáng)宇宙線以及地球輻射帶中的高能帶電粒子，特別是其中的重離子等造成的單粒子翻轉(zhuǎn)，成為航天器在軌可靠運(yùn)行必須關(guān)注的一個(gè)關(guān)鍵因素。

隨著航天器設(shè)計(jì)功能趨于復(fù)雜，各類現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)芯片得到廣泛應(yīng)用，解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)，適用于觸發(fā)器豐富的結(jié)構(gòu)。其中，SRAM型FPGA因能夠反復(fù)使用從而應(yīng)用更為廣泛，但由于器件特征尺寸小、器件集成度高，發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的臨界電荷大大減少，易受高強(qiáng)度宇宙輻射影響，導(dǎo)致單一數(shù)據(jù)位出錯(cuò)，發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。SRAM型FPGA由于其翻轉(zhuǎn)閾值低(小于3MeV)，對(duì)單粒子效應(yīng)較為敏感，在軌容易產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)，一般只能采取措施減輕翻轉(zhuǎn)的影響，保證不會(huì)對(duì)航天器的正常工作造成影響。

含SRAM型FPGA的航天器產(chǎn)品及系統(tǒng)，通常根據(jù)應(yīng)用采取相應(yīng)的加固設(shè)計(jì)措施，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮在軌使用的可靠性問(wèn)題。常用的減緩單粒子效應(yīng)的方法及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1減緩單粒子效應(yīng)的方法及優(yōu)缺點(diǎn)

目前，對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)概率的計(jì)算與評(píng)估，大多采用試驗(yàn)或其它方式獲得數(shù)據(jù)，分析得到器件的單粒子翻轉(zhuǎn)率；而沒(méi)有對(duì)單機(jī)級(jí)采用防護(hù)設(shè)計(jì)措施后的翻轉(zhuǎn)率、功能影響度和任務(wù)成功影響度的評(píng)估，也沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)級(jí)的單粒子翻轉(zhuǎn)率、功能影響度和任務(wù)成功影響度的預(yù)估。

沒(méi)有發(fā)現(xiàn)同本方法類似的說(shuō)明或報(bào)告，也尚未收集到國(guó)內(nèi)外類似的資料。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是解決了含SRAM型FPGA的航天器產(chǎn)品在采取各種軟、硬件防護(hù)措施后，單機(jī)單粒子翻轉(zhuǎn)率的量化計(jì)算問(wèn)題，以及翻轉(zhuǎn)后對(duì)單機(jī)功能影響程度和造成單機(jī)任務(wù)中斷影響程度的量化評(píng)估問(wèn)題。

本發(fā)明涉及量化評(píng)估含SRAM型FPGA的單機(jī)在采取軟、硬件防護(hù)設(shè)計(jì)措施后，在軌發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的概率，以及翻轉(zhuǎn)后造成的系統(tǒng)功能影響(包括數(shù)據(jù)信息出錯(cuò)、執(zhí)行偏差和任務(wù)中斷等)程度和系統(tǒng)任務(wù)中斷的影響程度；還涉及量化評(píng)估系統(tǒng)級(jí)的單粒子翻轉(zhuǎn)率、功能影響度和任務(wù)成功影響度

根據(jù)本發(fā)明提供的一種SRAM型FPGA在軌單粒子翻轉(zhuǎn)防護(hù)量化評(píng)估方法，包括如下步驟：

步驟1：計(jì)算SRAM型FPGA的器件級(jí)的單粒子翻轉(zhuǎn)率；

步驟2：采用資源降額、三模冗余以及間斷開(kāi)關(guān)機(jī)中的任一種或任多種以減小單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生的概率，進(jìn)而計(jì)算單機(jī)級(jí)的單粒子翻轉(zhuǎn)率；

步驟3：采用定時(shí)刷新、回讀刷新、定時(shí)重載、回讀重載和看門狗中的任一種或任多種防護(hù)方法降低單粒子翻轉(zhuǎn)帶來(lái)的影響和降低單粒子翻轉(zhuǎn)造成的危害，進(jìn)而計(jì)算得到單機(jī)級(jí)的單粒子翻轉(zhuǎn)的功能影響度和任務(wù)成功影響度，其中功能影響度指器件或單機(jī)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)后，采取所述防護(hù)方法后的系統(tǒng)功能影響程度，任務(wù)成功影響度指器件或單機(jī)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)后，采取防護(hù)方法對(duì)翻轉(zhuǎn)進(jìn)行糾正而造成系統(tǒng)任務(wù)中斷的影響程度。

優(yōu)選地，所述步驟3之后還包括如下步驟：

步驟4：計(jì)算由多個(gè)單機(jī)組成的串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)以及混聯(lián)系統(tǒng)的單粒子翻轉(zhuǎn)率、功能影響度和任務(wù)成功影響度。

優(yōu)選地，所述步驟1包括如下步驟：

步驟1.1：根據(jù)SRAM型FPGA單機(jī)的說(shuō)明書(shū)或者試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算表征單機(jī)單粒子敏感度的σ-LET曲線；

步驟1.2：根據(jù)航天器在軌的空間輻射環(huán)境，計(jì)算單機(jī)的器件級(jí)單粒子翻轉(zhuǎn)率。

優(yōu)選地，在步驟2中，當(dāng)采用資源降額時(shí)，則單機(jī)級(jí)的單粒子翻轉(zhuǎn)率U_降額＝U₀×η_降額，其中η_降額為資源降額比例，U₀為采取措施之前的翻轉(zhuǎn)率；當(dāng)采用三模冗余時(shí)，則單機(jī)級(jí)的單粒子翻轉(zhuǎn)率U_TMR＝U₀×(1-M_TMR/M_total)，其中M_total為總?cè)萘浚琈_TMR為三模冗余覆蓋區(qū)域的容量；當(dāng)采用間斷開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)，則單機(jī)級(jí)的單粒子翻轉(zhuǎn)率U_{開(kāi)關(guān)機(jī)}＝U₀×(Toc/T_天)，其中T_天為每天時(shí)間，Toc為每天開(kāi)機(jī)總時(shí)間。