CN104317662A - Sram型fpga在轨单粒子翻转防护量化评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法,包括:计算SRAM型FPGA的器件级的单粒子翻转率;采用资源降额、三模冗余和间断开关机中的任一种或任多种以减小单粒子翻转发生的概率,进而计算单机级的单粒子翻转率;采用定时刷新、回读刷新、定时重载、回读重载和看门狗中的任一种或任多种防护方法降低单粒子翻转带来的影响和降低单粒子翻转造成的危害,进而计算得到单机级的单粒子翻转的功能影响度和任务成功影响度。本发明解决了含SRAM型FPGA的航天器产品在采取各种软、硬件防护措施后,单机单粒子翻转率的量化计算问题,以及翻转后对单机功能影响程度和造成单机任务中断影响程度的量化评估问题。
Description
技术领域
本发明涉及航天器技术领域,具体地,涉及一种SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法。
背景技术
随着航天器向长寿命高可靠方向发展,银河宇宙线、太阳宇宙线以及地球辐射带中的高能带电粒子,特别是其中的重离子等造成的单粒子翻转,成为航天器在轨可靠运行必须关注的一个关键因素。
随着航天器设计功能趋于复杂,各类现场可编程门阵列(FPGA)芯片得到广泛应用,解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点,适用于触发器丰富的结构。其中,SRAM型FPGA因能够反复使用从而应用更为广泛,但由于器件特征尺寸小、器件集成度高,发生单粒子翻转的临界电荷大大减少,易受高强度宇宙辐射影响,导致单一数据位出错,发生单粒子翻转。SRAM型FPGA由于其翻转阈值低(小于3MeV),对单粒子效应较为敏感,在轨容易产生单粒子翻转,一般只能采取措施减轻翻转的影响,保证不会对航天器的正常工作造成影响。
含SRAM型FPGA的航天器产品及系统,通常根据应用采取相应的加固设计措施,在设计时充分考虑在轨使用的可靠性问题。常用的减缓单粒子效应的方法及其优缺点如表1所示。
表1减缓单粒子效应的方法及优缺点
目前,对单粒子翻转概率的计算与评估,大多采用试验或其它方式获得数据,分析得到器件的单粒子翻转率;而没有对单机级采用防护设计措施后的翻转率、功能影响度和任务成功影响度的评估,也没有对系统级的单粒子翻转率、功能影响度和任务成功影响度的预估。
没有发现同本方法类似的说明或报告,也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是解决了含SRAM型FPGA的航天器产品在采取各种软、硬件防护措施后,单机单粒子翻转率的量化计算问题,以及翻转后对单机功能影响程度和造成单机任务中断影响程度的量化评估问题。
本发明涉及量化评估含SRAM型FPGA的单机在采取软、硬件防护设计措施后,在轨发生单粒子翻转的概率,以及翻转后造成的系统功能影响(包括数据信息出错、执行偏差和任务中断等)程度和系统任务中断的影响程度;还涉及量化评估系统级的单粒子翻转率、功能影响度和任务成功影响度
根据本发明提供的一种SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法,包括如下步骤:
步骤1:计算SRAM型FPGA的器件级的单粒子翻转率;
步骤2:采用资源降额、三模冗余以及间断开关机中的任一种或任多种以减小单粒子翻转发生的概率,进而计算单机级的单粒子翻转率;
步骤3:采用定时刷新、回读刷新、定时重载、回读重载和看门狗中的任一种或任多种防护方法降低单粒子翻转带来的影响和降低单粒子翻转造成的危害,进而计算得到单机级的单粒子翻转的功能影响度和任务成功影响度,其中功能影响度指器件或单机发生单粒子翻转后,采取所述防护方法后的系统功能影响程度,任务成功影响度指器件或单机发生单粒子翻转后,采取防护方法对翻转进行纠正而造成系统任务中断的影响程度。
优选地,所述步骤3之后还包括如下步骤:
步骤4:计算由多个单机组成的串联系统、并联系统以及混联系统的单粒子翻转率、功能影响度和任务成功影响度。
优选地,所述步骤1包括如下步骤:
步骤1.1:根据SRAM型FPGA单机的说明书或者试验数据,计算表征单机单粒子敏感度的σ-LET曲线;
步骤1.2:根据航天器在轨的空间辐射环境,计算单机的器件级单粒子翻转率。
优选地,在步骤2中,当采用资源降额时,则单机级的单粒子翻转率U降额=U0×η降 额,其中η降额为资源降额比例,U0为采取措施之前的翻转率;当采用三模冗余时,则单机级的单粒子翻转率UTMR=U0×(1-MTMR/Mtotal),其中Mtotal为总容量,MTMR为三模冗余覆盖区域的容量;当采用间断开关机时,则单机级的单粒子翻转率U开关机=U0×(Toc/T天),其中T天为每天时间,Toc为每天开机总时间。
优选地,在步骤3中,当采用定时刷新时,则单机级的功能影响度F定时刷新=U×(T定 时刷新/T工作),单机级的任务成功影响度S定时刷新=0,其中T定时刷新为定时刷新间隔时间,T工作为每天工作时间,U为单机的翻转率;当采用回读刷新时,则单机级的功能影响度F回读 刷新=U×η回读刷新×(T回读刷新/T工作)+U×(1-η回读刷新),单机级的任务成功影响度S回读刷新=0,其中η回读刷新为回读刷新的有效比例,T回读刷新为回读间隔时间;当采用回读重载时,则单机级的功能影响度F回读重载=U×η回读重载×(T回读重载/T工作)+U×(1-η回读重载),单机级的任务成功影响度S回读=F回读重载×Δt/T工作,其中T回读重载为回读校验间隔时间,Δt为重新加载需要的时间,η回读重载为回读重载的有效比例;当采用看门狗时,则单机级的功能影响度F看门=U×η看门×(T看门/T工作)+U×(1-η看门),单机级的任务成功影响度S看门=F看门×Δt/T工作,其中η看门为可被检测的程序代码占总代码的比例,T看门为看门狗间隔时间。
优选地,所述定时重载包括定时复位和定时开关机,当采用定时复位时,则单机级的功能影响度F定时复位=U×(T定时复位/T工作)+Δt/T定时复位,单机级的任务成功影响度S定时复位=Δt/T定时复位,其中T定时复位为定时复位间隔时间;当采用定时开关机时,则单机级的功能影响度F定时开关机=U,单机级的任务成功影响度S定时开关机=U×Δt/T工作。
优选地,当看门狗与回读刷新或回读重载结合进行,则忽略看门狗对功能影响度和任务成功影响度的影响。
优选地,由多个单机组成的串联系统,若每个单机发生单粒子翻转的概率分别为U1、U2、...、Un时,则该串联系统的单粒子翻转率为:若多个单机的功能影响度分别为F1、F2、...、Fn,则该串联系统的功能影响度Fs为:若多个单机的任务成功影响度为S1、S2、...、Sn,则该串联系统的任务成功影响度为:
优选地,由多个单机组成的并联系统,若每个单机发生单粒子翻转率分别为U1、U2、...、Un,则该并联系统的单粒子翻转率为:若每个单机的功能影响度分别为F1、F2、...、Fn,则该并联系统的功能影响度为:若每个单机的任务成功影响度为S1、S2、...、Sn,则该并联系统的任务成功影响度为:
优选地,在由多个单机组成的混联系统中,将混联系统分解为局部的串联系统、并联系统,再根据串联系统、并联系统的公式,计算得到混联系统的单粒子翻转率、功能影响度和任务成功影响度。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、本发明解决了含SRAM型FPGA的航天器产品在采取各种软、硬件防护措施后,单机中单粒子翻转率的量化计算问题,以及翻转后对单机功能影响程度和造成单机任务中断影响程度的量化评估问题;
2、本发明解决了串联、并联和复杂混联系统的单粒子翻转率,以及造成的功能影响程度和任务成功影响程度的量化评估问题;
3、本发明通过评估各种单粒子防护设计软、硬件设计措施,量化了单粒子翻转概率,为SRAM型FPGA的器件选型和单机单粒子防护设计提供参考。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明中两个单机串联系统的结构示意图;
图2为本发明中多个单机串联系统的结构示意图;
图3为本发明中两个单机并联系统的结构示意图;
图4为本发明中多个单机并联系统的结构示意图;
图5为本发明的步骤流程图;
图6为本发明中Virtex II系列FPGA的σ-LET试验曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中,如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示,本发明提供的SRAM型FPGA在轨单粒子翻转量化评估方法包括如下步骤:
步骤1:计算SRAM型FPGA的器件级的单粒子翻转率;
具体为,步骤1.1:根据SRAM型FPGA的说明书或者试验数据,计算表征单机单粒子敏感度的σ-LET曲线;
步骤1.2:根据航天器在轨的空间辐射环境,利用Space Radiation、SPENVIS等软件计算得到器件级单粒子翻转率。
步骤2:采用资源降额、三模冗余和间断开关机中的任一种或任多种以减小单粒子翻转发生的概率,进而计算单机级的单粒子翻转率;
采用资源降额、三模冗余、间断开关机以降低任务时间等,可有效消除或减小单粒子翻转带来的影响,降低单粒子翻转率。
FPGA常用的降低单粒子翻转的缓解措施及量化的评估方法如
表2所示。
表2 FPGA单粒子翻转率量化评估方法
其中U0为采取措施之前的翻转率,单位为Upsets/device·day;U为采取措施后的翻转率,单位为Upsets/device·day。
步骤3:采用定时刷新、回读刷新、定时重载、回读重载和看门狗中的任一种或任多种防护方法降低单粒子翻转带来的影响和降低单粒子翻转造成的危害,进而计算得到单机级的在轨单粒子翻转的功能影响度和任务成功影响度,其中功能影响度指器件或单机发生单粒子翻转后,采取所述防护方法后的系统功能影响程度,任务成功影响度指器件或单机发生单粒子翻转后,采取防护方法对翻转进行纠正而造成系统任务中断的影响程度。
发生单粒子翻转后,可采用一些措施来有效监测芯片的单粒子翻转,并利用基于SRAM的可刷新及重载能力来缓解单粒子翻转带来的影响,避免或降低由于单粒子翻转造成的危害,但不能降低单粒子翻转率。常用的方法主要包括定时刷新、回读刷新、定时重载、回读重载(含功能自检)、看门狗等。各种单粒子翻转的功能影响度和任务成功影响度量化评估方法详见
表3。
表3单粒子翻转功能影响度和任务成功影响度量化评估方法
其中U为单机的翻转率,单位为Upsets/device·day;F为单机的功能影响度,单位为Upsets/device·day;S为单机的任务成功影响度,单位为Upsets/device·day。
步骤4:计算由多个单机组成的串联系统、并联系统以及混联系统的单粒子翻转率、功能影响度和任务成功影响度。
(1)串联系统
由两个单机R1、R2组成的串联系统,如图1所示,若其单粒子翻转率分别为U1、U2。当其中任一单机发生单粒子翻转则串联系统发生单粒子翻转,即该串联系统的单粒子翻转率为:
Us=U1+U2 (1)
同理,若两个单机的功能影响度分别为F1、F2,任务成功影响度为S1、S2,则该串联系统的功能影响度为:
Fs=F1+F2 (2)
串联系统的任务成功影响度为:
Ss=S1+S2 (3)
由多个单机组成的串联系统,如图2所示,若每个单机发生单粒子翻转的概率分别为U1、U2、...、Un。该串联系统的单粒子翻转率为:
同理,若多个单机的功能影响度分别为F1、F2、...、Fn,任务成功影响度为S1、S2、...、Sn,则该串联系统的功能影响度为:
串联系统的任务成功影响度为:
(2)并联系统
由两个单机R1、R2组成的并联系统,如图3所示,若其单粒子翻转率分别为U1、U2。并联系统发生单粒子翻转概率为两单机均发生单粒子翻转的最大值,即该并联系统的单粒子翻转率为:
Us=max{U1,U2} (7)
同理,若两个单机的功能影响度分别为F1、F2,任务成功影响度为S1、S2,则该并联系统的功能影响度为:
Fs=F1×F2 (8)
并联系统的任务成功影响度为:
Ss=S1×S2 (9)
由多个单机组成的并联系统,如图4所示,若其单粒子翻转率分别为U1、U2、...、Un。该并联系统的单粒子翻转率为:
同理,若每个单机的功能影响度分别为F1、F2、...、Fn,任务成功影响度为S1、S2、...、Sn,则该并联系统的功能影响度为:
并联系统的任务成功影响度为:
(3)混联系统
由多个单机组成的混联系统,可根据其可靠性框图按层次分解为局部的串联或并联系统,再根据前述串、并联系统的公式,计算得到混联系统的单粒子翻转率、功能影响度和任务成功影响度。
综上所述,本发明提供的单粒子翻转量化评估方法,解决了传统方法通过试验及其它数据,仅分析计算器件级单粒子翻转率,而未对单机以及系统的单粒子翻转率进行计算的不足;而且本发明解决了器件发生翻转后,对单机以及系统造成的功能影响程度和系统任务中断影响程度的计算方法。因此,本发明可量化评估单机各种软、硬件加固措施的有效性,并能量化预估器件、单机和系统的在轨健康状态,为航天器抗辐射加固设计和在轨可靠性指标计算提供依据,具有一定的理论和工程实际意义。
进一步在一个优选的实施例中航天器测控分系统使用FPGA的单机有扩频应答机1和扩频应答机2,两者互为热备份。扩频应答机1使用一片600万门SRAM型FPGA,扩频应答机2使用一片300万门SRAM型FPGA。
扩频应答机1采用的单粒子翻转主要防护措施如表4所示。
表4单粒子翻转防护措施量化信息统计表
扩频应答机2采用的单粒子翻转主要防护措施如表5所示。
表5单粒子翻转防护措施量化信息统计表
同理,通过图5曲线拟合得到相关参数如下表所示。
表6 Virtex II系列FPGA的相关参数
通过上述拟合数据,结合该航天器空间辐射环境分析结果,设置如下空间环境参数:
重离子:CREME模型,环境参数M=3;
太阳质子:JPL1991模型,95%置信度;
地球辐射带:AP-MAX,AE-MAX模型;
屏蔽模型:3mm Al屏蔽。
计算得到不同SRAM型FPGA单粒子翻转率如表7所示。
表7为FPGA的单粒子翻转率
由表7可知,在该航天器轨道空间辐射情况下,600万门FPGA的单粒子翻转率U0为1.97 Upsets/device·day,300万门FPGA的单粒子翻转率U0为1.07 Upsets/device·day。
根据表2的公式,对于扩频应答机1,经过单粒子翻转防护设计后,单机的单粒子翻转率为:
U扩频1=U0×η降额×(1-MTMR/Mtotal)=1.43 Upsets/device·day
当发生单粒子翻转后,可通过定时重载、回读重载、看门狗电路等进行检测和纠正,系统还可通过遥控复位、单机开关机等方式保证单机正常运行。对于以上措施,由于定时重载对系统的功能和任务成功影响较大,也是单机在轨的主要措施,因此计算时主要考虑定时重载的影响。
扩频应答机1在重新加载后5s内可实现稳定的输出,因此单机的功能影响度为:
F扩频1=U扩频1×(T定时重载/T工作)+Δt/T定时重载=9.62×10-2 Upsets/device·day
扩频应答机1的任务成功影响度为:
S扩频1=(T天/T定时重载)×Δt/T工作=8.68×10-4 Upsets/device·day
根据表2公式,对于扩频应答机2,经过抗单粒子翻转防护设计后,FPGA单粒子翻转率为:
U扩频2=U0×η降额×(1-MTMR/Mtotal)=7.13×10-1Upsets/device·day
当发生单粒子翻转事件后,可通过定时重载、功能自检、看门狗电路等进行检测和纠正,系统还可通过遥控复位、单机开关机等方式保证系统正常运行。对于以上措施,由于定时重载对系统的功能和任务成功影响较大,也是单机在轨的主要措施,因此计算时主要考虑定时重载的影响。
扩频应答机2在重新加载后5s内可实现稳定的输出。因此,单机的功能影响度为:
F扩频2=U扩频2×(T定时重载/T工作)+Δt/T定时重载=4.84×10-2 Upsets/device·day
扩频应答机2的任务成功影响度为:
S扩频1=Δt/T定时重载=8.68×10-4 Upsets/device·day
扩频应答机1和扩频应答机2互为热备份,因此根据并联系统的公式,测控分系统发生单粒子的概率为:
U测控=max{U扩频1,U扩频2}=1.43 Upsets/system·day
测控分系统的功能影响度为:
F测控=F扩频1×F扩频2=4.70×10-3 Upsets/system·day
测控分系统的任务成功影响度为:
S测控=S扩频1×S扩频2=7.53×10-7 Upsets/system·day
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:计算SRAM型FPGA的器件级的单粒子翻转率;
步骤2:采用资源降额、三模冗余以及间断开关机中的任一种或任多种以减小单粒子翻转发生的概率,进而计算单机级的单粒子翻转率;
步骤3:采用定时刷新、回读刷新、定时重载、回读重载和看门狗中的任一种或任多种防护方法降低单粒子翻转带来的影响和降低单粒子翻转造成的危害,进而计算得到单机级的单粒子翻转的功能影响度和任务成功影响度,其中功能影响度指器件或单机发生单粒子翻转后,采取所述防护方法后的系统功能影响程度,任务成功影响度指器件或单机发生单粒子翻转后,采取防护方法对翻转进行纠正而造成系统任务中断的影响程度。
2.根据权利要求1所述的SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法,其特征在于,所述步骤3之后还包括如下步骤:
步骤4:计算由多个单机组成的串联系统、并联系统以及混联系统的单粒子翻转率、功能影响度和任务成功影响度。
3.根据权利要求1或2所述的SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法,其特征在于,所述步骤1包括如下步骤:
步骤1.1:根据SRAM型FPGA单机的说明书或者试验数据,计算表征单机单粒子敏感度的σ-LET曲线;
步骤1.2:根据航天器在轨的空间辐射环境,计算单机的器件级单粒子翻转率。
4.根据权利要求3所述的SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法,其特征在于,在步骤2中,当采用资源降额时,则单机级的单粒子翻转率U降额=U0×η降额,其中η降额为资源降额比例,U0为采取措施之前的翻转率;当采用三模冗余时,则单机级的单粒子翻转率UTMR=U0×(1-MTMR/Mtotal),其中Mtotal为总容量,MTMR为三模冗余覆盖区域的容量;当采用间断开关机时,则单机级的单粒子翻转率U开关机=U0×(Toc/T天),其中T天为每天时间,Toc为每天开机总时间。
5.根据权利要求1所述的SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法,其特征在于,在步骤3中,当采用定时刷新时,则单机级的功能影响度F定时刷新=U×(T定时刷新/T工作),单机级的任务成功影响度S定时刷新=0,其中T定时刷新为定时刷新间隔时间,T工作为每天工作时间,U为单机的翻转率;当采用回读刷新时,则单机级的功能影响度F回读刷新=U×η回读刷新×(T回读刷新/T工作)+U×(1-η回读刷新),单机级的任务成功影响度S回读刷新=0,其中η回读 刷新为回读刷新的有效比例,T回读刷新为回读间隔时间;当采用回读重载时,则单机级的功能影响度F回读重载=U×η回读重载×(T回读重载/T工作)+U×(1-η回读重载),单机级的任务成功影响度S回读=F回读重载×Δt/T工作,其中T回读重载为回读校验间隔时间,Δt为重新加载需要的时间,η回读重载为回读重载的有效比例;当采用看门狗时,则单机级的功能影响度F看门=U×η看门×(T看门/T工作)+U×(1-η看门),单机级的任务成功影响度S看门=F看门×Δt/T工作,其中η看门为可被检测的程序代码占总代码的比例,T看门为看门狗间隔时间。
6.根据权利要求5所述的SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法,其特征在于,所述定时重载包括定时复位和定时开关机,当采用定时复位时,则单机级的功能影响度F定时复位=U×(T定时复位/T工作)+Δt/T定时复位,单机级的任务成功影响度S定时复位=Δt/T定时复位,其中T定时复位为定时复位间隔时间;当采用定时开关机时,则单机级的功能影响度F定时开关机=U,单机级的任务成功影响度S定时开关机=U×Δt/T工作。
7.根据权利要求5所述的SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法,其特征在于,当看门狗与回读刷新或回读重载结合进行,则忽略看门狗对功能影响度和任务成功影响度的影响。
8.根据权利要求5所述的SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法,其特征在于,由多个单机组成的串联系统,若每个单机发生单粒子翻转的概率分别为U1、U2、...、Un时,则该串联系统的单粒子翻转率为:若多个单机的功能影响度分别为F1、F2、...、Fn,则该串联系统的功能影响度Fs为:若多个单机的任务成功影响度为S1、S2、...、Sn,则该串联系统的任务成功影响度为:
9.根据权利要求8所述的SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法,其特征在于,由多个单机组成的并联系统,若每个单机发生单粒子翻转率分别为U1、U2、...、Un,则该并联系统的单粒子翻转率为:若每个单机的功能影响度分别为F1、F2、...、Fn,则该并联系统的功能影响度为:若每个单机的任务成功影响度为S1、S2、...、Sn,则该并联系统的任务成功影响度为:
10.根据权利要求9所述的SRAM型FPGA在轨单粒子翻转防护量化评估方法,其特征在于,在由多个单机组成的混联系统中,将混联系统分解为局部的串联系统、并联系统,再根据串联系统、并联系统的公式,计算得到混联系统的单粒子翻转率、功能影响度和任务成功影响度。
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