CN108363894A - 一种电路级单粒子效应仿真平台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电路级单粒子效应仿真平台，能够支持万门级以上的大规模电路进行单粒子效应仿真分析。该电路级单粒子效应仿真平台包括电路分析模块、故障注入配置模块、分析模式模块、网表处理模块与结果分析模块，其中电路分析模块提取电路中的所有敏感节点，生成电路节点列表文件；故障注入配置模块结合电路节点列表文件和用户输入要注入电路的故障电流源的相关参数，编写脚本随机选取电路节点和故障注入时间，生成故障注入文件；网表处理模块编写脚本得到结果检测文件，再结合分析模式和故障注入文件生成激励文件提供给Fast‐Spice仿真器；结果分析模块保存并提取仿真结果，根据不同的分析模式形成不同的结果图标。

Description

一种电路级单粒子效应仿真平台
技术领域
本发明属于空间辐射效应领域，涉及一种单粒子效应仿真平台，尤其适用于相关研究人员对万门级以上的大规模电路进行单粒子效应仿真分析。
背景技术
随着航天事业和核能技术的进一步发展，无论是国防现代化还是国民经济建设都迫切需要同时具有高可靠性和高性能的电子元器件。单粒子效应(SEE)是指宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区，使器件逻辑状态发生翻转的一种辐射效应。这将导致系统功能紊乱，严重时会发生灾难性事故。随着工艺技术的提高、晶体管尺寸的减小，单粒子效应成为影响与单粒子效应相关的可靠性问题的重要因素，也成为总的软错误率的主导因素之一。
在单粒子实验中，粒子注入的具体位置是无法确定，无法定位是那些粒子导致了电路出现错误；而且国内能进行单粒子效应的实验场所非常有限，且成本高昂。
相对于实验，仿真分析能够准确定位导致电路发生错误的高能粒子，同时具有速度快、成本低等优点；例如：
中国专利文献CN103577643A公开了一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法。该方法采用器件级仿真工具，仿真速度受限且电路规模很小。
中国专利文献CN106997402A公开了一种单粒子效应多位翻转的电路仿真方法，其方案主要是对电路中的两个节点注入瞬态脉冲模型。
目前，尚未见能够针对大规模电路、同时注入多个故障电流源的仿真平台。
发明内容
本发明提供一种电路级单粒子效应仿真平台，能够支持万门级以上的大规模电路进行单粒子效应仿真分析。
本方面的解决方案如下：
该电路级单粒子效应仿真平台，包括
电路分析模块，供用户选定被分析的电路类型，并根据用户提供的电路网表文件提取电路中的所有敏感节点，生成电路节点列表文件；
故障注入配置模块，提供故障电流源模板文件，结合电路节点列表文件和用户输入要注入电路的故障电流源的相关参数，编写脚本随机选取电路节点和故障注入时间，生成故障注入文件；
分析模式模块，供用户根据需要选定分析模式；
网表处理模块，根据分析模式确定结果检测模板文件，相应编写脚本得到结果检测文件，再结合分析模式和故障注入文件生成激励文件；
Fast‐Spice仿真器，以网表处理模块输出的激励文件作为输入进行仿真；
结果分析模块，保存并提取Fast‐Spice仿真器的仿真结果，根据不同的分析模式形成不同的结果图标。
基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：
上述电路分析模块具体利用Hercules软件分析得出该版图中敏感节点区域的总面积与占整个版图的比例。
上述被分析的电路类型包括SRAM电路、CPU电路等。
上述故障电流源的相关参数包括故障注入量、LET值、电流源分布模型、仿真次数和仿真器种类等。
上述分析模式模块提供三种分析模式：关键路径分析、关键信号敏感性分析和统计分析；其中，关键路径分析是对电路进行静态时序分析，得到同步逻辑电路中组合逻辑延时最大的路径，针对该路径，进行故障电流源注入，分析关键路径受单粒子瞬态影响时，电路功能出错情况；关键信号敏感性分析是针对电路中的关键信号，在关键信号最敏感的位置以扫描分析的方式注入不同LET值对应的电流源，分析得出由该关键信号导致电路发生错误的LET阈值；统计分析是根据单粒子效应发生的随机性，随机选择电路节点，随机选择发生时间，注入脉冲宽度在设定范围内随机的故障电流源，经过多次仿真分析并统计电路错误的平均值。
上述故障注入配置模块使用Perl语言与C‐shell语言编写脚本随机选取电路节点与故障注入时间；
上述电路分析模块根据电路的网表文件，使用Perl语言与C‐shell语言编写脚本提取电路中的所有节点；
上述网表处理模块由Perl语言产生随机数，每一个随机数对应电路节点列表文件的一行，也对应这个随机选中了该行的电路节点；同时，Perl脚本再随机产生故障注入的时间，调用故障电流源模板文件，形成故障注入文件；故障注入文件符合SPICE语法，能够直接被Fast‐Spice仿真器调用；
上述网表处理模块使用Perl脚本生成不同的激励文件；
上述Fast‐Spice仿真器根据激励文件中设定的仿真次数，利用Perl语言和C‐shell语言编写脚本实现多次仿真并保存仿真结果删除中间文件。
上述Fast‐Spice仿真器可采用Spectre XPS、Finesim等。
上述不同的结果图标，包括翻转截面曲线、软错误率、统计分析表格和波形图等；对于计算翻转截面和软错误率，涉及的参数包括敏感节点所占版图的比例、发生故障的个数和注入故障的总数；其中，敏感节点所占版图的比例由所述电路分析模块根据电路类型对应的电路版图分析得到并直接提供给结果分析模块。
上述敏感节点确定为电路中NMOS管的漏极。
本发明具有以下技术效果：
本发明能够进行万门级以上的大规模电路进行单粒子效应仿真分析，能够实现任意时刻、对随机的电路节点注入故障电流源，且故障电流源的峰值与脉宽在一定范围内随机，并自动分析仿真结果以替代单粒子效应实验。
本发明能够准确定位大规模电路中哪些注入的故障导致电路出现错误；而且成本较为低廉，仿真速度较快；此外，仿真分析可以针对特定节点或者信号进行故障注入，从而分析这个信号的单粒子敏感性。
附图说明
图1为本发明的电路级单粒子效应仿真平台结构基本框架示意图。
图2为电路级单粒子效应仿真平台结构的框架详图。
图3为随机故障注入文件生成框图。
图4为网表处理模块脚本流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的电路级单粒子效应仿真平台的各个模块作进一步详述。
如图1、图2所示，电路级单粒子效应仿真平台包括电路分析模块、故障注入配置模块、分析模式模块、网表处理模块与结果分析模块。
电路分析模块得到被分析电路的的节点列表文件与版图中漏极区域所占比例。具体来说：电路分析模块根据电路的网表文件使用Perl脚本与C‐shell脚本提取电路中的所有节点，并将所有节点存储在一个电路节点列表文件中。对于不同的电路形式，如SRAM电路、CPU电路，提取电路节点的脚本会有不同，但都会形成电路节点列表文件，且电路节点列表文件中每一行都对应一个电路节点；同时根据电路版图利用Hercules软件分析得出该版本中漏极区域的总面积与占整个版图的比例。
故障注入配置模块对故障电流源的参数进行配置，具体来说：故障注入配置模块指定注入故障的相关参数，故障注入量代表每一次仿真共注入多少个故障电流源，LET值给定需要仿真的LET值范围，仿真次数决定重复仿真多少次，重复仿真次数越多，所得结果越准确，但花费的时间也越长。根据用户所拥有的仿真器，本平台支持使用不同的仿真器进行仿真并处理仿真结果。
分析模式模块选定不同的分析模式，网表处理模块将根据不同的分析模式形成不同的激励文件。具体来说：分析模式模块主要包括三种分析模式：(1)关键路径分析首先对电路进行静态时序分析，得到同步逻辑电路中组合逻辑延时最大的路径，针对该路径，进行随机故障电流源注入，分析关键路径受单粒子瞬态影响时，电路功能出错情况；(2)关键信号敏感性分析是针对电路中的关键信号，在关键信号最敏感的位置以扫描分析的方式注入不同LET值对应的电流源，分析得出由该关键信号导致电路发生错误的LET阈值；其中，扫描分析是同时对注入时间和不同的LET值对应的故障电流源进行扫描，在扫描范围内的每一对注入时间与LET值都会产生一个仿真结果，使用Perl脚本将所有的结果提取到一个文件中，以得到该关键信号最敏感的注入时间，与导致电路错误的最小的LET值；(3)统计分析是是根据单粒子效应发生的随机性，在所有的电路节点随机选择电路节点，随机选择发生时间，注入脉冲宽度在一定范围内随机的故障电流源，经过多次仿真分析并统计电路错误的平均值。
网表处理模块根据不同的分析模式和不同的电路类型使用Perl脚本生成不同的激励文件，同时使用Perl语言与C‐shell语言编写脚本随机选取电路节点与故障注入时间添加到激励文件中。具体来说：
实现任意时刻、对随机的电路节点注入故障电流源，且故障电流源的峰值与脉宽在一定范围内随机的方式如图3所示。由Perl语言产生随机数，每一个随机数对应电路节点列表文件的一行，也对应这个随机选中了该行的电路节点。同时，Perl脚本再随机产生故障注入的时间，调用电流源，形成故障电流源文件。故障电流源文件符合SPICE语法，可以直接被Fast‐Spice仿真器调用，实现任意时刻对随机的电路节点注入随机的故障电流源。
网表处理模块的流程框图如图4所示。对于CPU电路，则分析输出的注入故障后输出的指令是否正确，并且要遍历所有的指令。对于SRAM电路，则主要重复在不同的地址进行进行读写操作。以SRAM的统计分析为例，本平台采用“全0地址写0‐全1地址写1‐全0地址读0‐全1地址读1‐全0地址写1‐全1地址写0‐全0地址读1‐全1地址读0”的读写激励进行循环，保证了不同地址交替进行读写不同的数值，存储节点与输出Q都会在作用器件发生翻转。同时，根据读写激励生成对应的结果检测文件，结果显示文件符合SPICE语法，可以直接被Fast‐Spice仿真器调用，仿真结束后直接生成对应的结果文件。
Fast‐Spice工具(Spectre XPS/Finesim等)调用激励文件进行仿真。
结果分析模块保存并提取仿真器的仿真结果，根据不同的分析模式形成不同的分析结果。具体来说：在结果分析模块中，Perl脚本从仿真器输出的结果文件中提取仿真结果并与预期值进行对比，若不符合预期值则判断为该故障电流源导致电路发生错误。统计与预期不符的结果数目，并根据相应的公式计算翻转截面、软错误率或输出统计结果表格与相应波形图。其中，对于计算翻转截面和软错误率，涉及的参数有敏感节点所占版图的比例、发生故障的个数和注入故障的总数等。

Claims (9)

1.一种电路级单粒子效应仿真平台，其特征在于：包括
电路分析模块，供用户选定被分析的电路类型，并根据用户提供的电路网表文件提取电路中的所有敏感节点，生成电路节点列表文件；
故障注入配置模块，提供故障电流源模板文件，结合电路节点列表文件和用户输入要注入电路的故障电流源的相关参数，编写脚本随机选取电路节点和故障注入时间，生成故障注入文件；
分析模式模块，供用户根据需要选定分析模式；
网表处理模块，根据分析模式确定结果检测模板文件，相应编写脚本得到结果检测文件，再结合分析模式和故障注入文件生成激励文件；
Fast‐Spice仿真器，以网表处理模块输出的激励文件作为输入进行仿真；
结果分析模块，保存并提取Fast‐Spice仿真器的仿真结果，根据不同的分析模式形成不同的结果图标。
2.根据权利要求1所述的电路级单粒子效应仿真平台，其特征在于：所述电路分析模块是利用Hercules软件分析得出该版图中敏感节点区域的总面积与占整个版图的比例。
3.根据权利要求1所述的电路级单粒子效应仿真平台，其特征在于：所述被分析的电路类型包括SRAM电路和CPU电路。
4.根据权利要求1所述的电路级单粒子效应仿真平台，其特征在于：所述故障电流源的相关参数包括故障注入量、LET值、电流源分布模型、仿真次数和仿真器种类。
5.根据权利要求1所述的电路级单粒子效应仿真平台，其特征在于：所述分析模式模块提供三种分析模式：关键路径分析、关键信号敏感性分析和统计分析；其中，关键路径分析是对电路进行静态时序分析，得到同步逻辑电路中组合逻辑延时最大的路径，针对该路径，进行故障电流源注入，分析关键路径受单粒子瞬态影响时，电路功能出错情况；关键信号敏感性分析是针对电路中的关键信号，在关键信号最敏感的位置以扫描分析的方式注入不同LET值对应的电流源，分析得出由该关键信号导致电路发生错误的LET阈值；统计分析是根据单粒子效应发生的随机性，随机选择电路节点，随机选择发生时间，注入脉冲宽度在设定范围内随机的故障电流源，经过多次仿真分析并统计电路错误的平均值。
6.根据权利要求1所述的电路级单粒子效应仿真平台，其特征在于：
所述故障注入配置模块使用Perl语言与C‐shell语言编写脚本随机选取电路节点与故障注入时间；
所述电路分析模块根据电路的网表文件，使用Perl语言与C‐shell语言编写脚本提取电路中的所有节点；
所述网表处理模块由Perl语言产生随机数，每一个随机数对应电路节点列表文件的一行，也对应这个随机选中了该行的电路节点；同时，Perl脚本再随机产生故障注入的时间，调用故障电流源模板文件，形成故障注入文件；故障注入文件符合SPICE语法，能够直接被Fast‐Spice仿真器调用；
所述网表处理模块使用Perl脚本生成不同的激励文件；
所述Fast‐Spice仿真器根据激励文件中设定的仿真次数，利用Perl语言和C‐shell语言编写脚本实现多次仿真并保存仿真结果删除中间文件。
7.根据权利要求1所述的电路级单粒子效应仿真平台，其特征在于：所述Fast‐Spice仿真器采用Spectre XPS或Finesim。
8.根据权利要求1所述的电路级单粒子效应仿真平台，其特征在于：所述不同的结果图标，包括翻转截面曲线、软错误率、统计分析表格和波形图；对于计算翻转截面和软错误率，涉及的参数包括敏感节点所占版图的比例、发生故障的个数和注入故障的总数；其中，敏感节点所占版图的比例由所述电路分析模块根据电路类型对应的电路版图分析得到并直接提供给结果分析模块。
9.根据权利要求1所述的电路级单粒子效应仿真平台，其特征在于：所述敏感节点为电路中NMOS管的漏极。
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