CN109558649A - 一种面向宇航芯片的寄存器单粒子效应模拟仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种面向宇航芯片的寄存器单粒子效应模拟仿真方法，通过构建参数化的寄存器故障仿真模型，将芯片网表中的正常寄存器仿真模型随机替换为寄存器故障仿真模型，替换的数量由空间环境设置的宇航芯片的错误翻转率和芯片中寄存器的总数决定，寄存器的错误发生时间在0到最大仿真时间中随机选择，通过仿真工具模拟仿真故障模块行为，进而验证芯片级寄存器容错策略的有效性。本发明无需分析代码，也无需单独设计测试用例，既可以对单粒子效应软错误进行仿真，也可对高能单粒子效应形成的硬错误进行仿真。本发明的方法可以支持宇航辐射加固研究，可以应用于单粒子效应故障容错设计的验证分析。

Description

一种面向宇航芯片的寄存器单粒子效应模拟仿真方法

技术领域

本发明涉及一种寄存器单粒子效应模拟仿真方法，属于抗辐照芯片的验证技术领域。

背景技术

在空间环境中，高能粒子穿过半导体材料，在粒子的运动轨迹上以释放电子－空穴对的方式消耗能量，当能量释放完，粒子就会停下来。电荷累积并在径迹内流动，寄生器件或薄弱环节被激活，从而导致了各类损伤，可以分为：硬错误和软错误。硬错误表现为器件本身永久性损坏，软错误表现为电路逻辑状态的翻转、存储数据的随机改变，器件本身没有损坏。硬错误需要入射粒子具有极高的能量，高能量粒子通量相对低能量粒子较少，硬错误发生的概率较低。软错误是单粒子效应的主要损伤模式。高能粒子主要通过直接电离的方式触发器件的单粒子效应，产生软错误。低能粒子(如质子和中子等)通过间接电离的方式也可以在半导体器件中形成软错误。

单粒子效应是影响宇航芯片可靠性的一大关键因素，研究分析宇航芯片在单粒子效应下的功能、性能的特点，对抗辐射容错方法实现仿真验证，是宇航芯片抗辐射容错技术研究不可或缺的一部分。

现有的技术往往通过强制性命令语句对寄存器进行赋值，验证效率较低，网表中寄存器数量庞大，现有技术中错误注入的比例和数量配置灵活性差，现有的技术往往需要对测试激励进行更改以便进行错误注入，既对测试激励有一定侵入性，又使得仿真的结果不方便观察、验证和移植，同时现有技术往往只对软错误进行仿真，忽略硬错误的影响，真实可信性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种面向宇航芯片的寄存器单粒子效应模拟仿真方法，解决空间应用芯片单粒子效应故障注入和模拟仿真的问题，为研究空间环境单粒子效应故障机理，验证辐射容错方法的有效性提供一种工程可行的模拟仿真环境。该方法采用寄存器故障仿真模型替换了网表中的部分寄存器模型，不影响正常的验证流程，通过参数化故障类型(软错误、硬错误)和参数化故障发生的时间从而减少了传统方法中分析代码单独设计测试用例的时间开销。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种面向宇航芯片的寄存器单粒子效应模拟仿真方法，包括步骤如下：

1)基于芯片实现方提供的工艺单元库文件，通过芯片综合工具将寄存器传输级设计进行综合，得到宇航芯片门级网表；

2)根据工艺单元库文件的数据使用手册得到该工艺单元库文件下的所有寄存器种类及对应端口定义，查找步骤1)中得到的宇航芯片门级网表中使用到的寄存器类型；

3)根据工艺单元库文件的数据使用手册中的所有寄存器种类，查找步骤1)得到的宇航芯片门级网表中所有使用到的寄存器数目M，形成寄存器列表，M为正整数；

4)根据芯片的功能要求，构建测试验证环境以及测试验证激励，得到需要模拟仿真的总时间T；

5)根据步骤2)中查找到的寄存器类型，对应构建参数化的寄存器故障仿真模型，寄存器故障仿真模型的端口定义与工艺单元库文件的数据使用手册中的寄存器类型端口定义一致，寄存器故障仿真模型中设置故障注入参数；

6)根据空间环境的情况得到芯片的模拟仿真故障环境，芯片的模拟仿真故障环境是指设置寄存器单粒子软错误翻转率a和寄存器单粒子硬错误翻转率b；

7)根据步骤6)得到的单粒子软错误翻转率a和步骤3)得到的寄存器数目M，将a和M相乘取整数部分作为寄存器单粒子软错误翻转的数目X，根据步骤6)得到的单粒子硬错误翻转率b和步骤3)得到的寄存器数目M，将b和M相乘取整数部分作为寄存器单粒子硬错误翻转的数目Y；

8)将步骤1)生成的宇航芯片门级网表中的寄存器进行替换，得到替换后的宇航芯片门级网表；

9)在模拟仿真工具中对步骤8)得到的替换后的宇航芯片门级网表和步骤5)得到的寄存器故障仿真模型进行编译，构建面向宇航芯片的寄存器单粒子效应仿真验证平台；

10)在步骤9)形成的平台上运行步骤4)中的测试验证激励，分析宇航芯片在故障注入下的运行情况，通过分析宇航芯片功能是否正确得到在单粒子故障注入时的芯片实际运行结果是否受到故障影响。

所述步骤5)中，故障注入参数包括故障注入起始时间和故障注入类型。

所述步骤6)中，寄存器单粒子软错误翻转率a和寄存器单粒子硬错误翻转率b的取值在0到1之间，且a与b之和小于1。

所述步骤(8)将步骤1)生成的宇航芯片门级网表中的寄存器进行替换的替换方法如下：

根据步骤2)得到的寄存器列表随机选取X个采用步骤5)中的寄存器故障仿真模型，对步骤1)中的宇航芯片门级网表中的寄存器进行替换，其中故障注入起始时间随机选择0到T之间的时间，故障类型为软错误故障，根据步骤2)得到的寄存器列表随机选取Y个采用步骤5)中的寄存器故障仿真模型，对步骤1)中的宇航芯片门级网表中寄存器进行替换，其中故障注入起始时间随机选择0到T之间，故障类型为硬错误故障。

本发明相比现有技术具有如下优点：

(1)本发明特别适用于面向空间应用的宇航芯片的辐射故障的模拟仿真，可以验证抗辐射容错方法的有效性，采用寄存器故障仿真模型替换了网表中的寄存器模型，仿真过程中不影响正常的验证流程，也无需中断，提高了模拟仿真的效率；

(2)本发明采用寄存器故障仿真模型替换了网表中的寄存器模型，替换的比例和数量可由空间环境试验得到，且可根据实际情况进行人为设定，提高了模拟仿真的灵活性；

(3)本发明与成熟的仿真软件(VCS、Modelsim)联合，容错效果更为直观，无需分析代码，也无需单独设计测试用例，因此，仿真结果更便于观察、验证和移植，对测试激励也没有侵入性；

(4)本发明通过故障类型的参数化配置，既可以对单粒子效应软错误进行仿真，也可对高能粒子形成的硬错误进行仿真，因此，仿真更好的模拟了真实环境，仿真的真实性可信性高。

附图说明

图1为本发明的面向宇航芯片的寄存器单粒子效应模拟仿真方法流程图；

图2为本发明参数化的寄存器故障仿真模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，一种面向宇航芯片的寄存器单粒子效应模拟仿真方法，包括步骤如下：

1)基于芯片实现方(如中芯国际公司、台积电公司)提供的工艺单元库文件，通过芯片综合工具(例如Synopsys的Design Complier)将寄存器传输级设计进行综合，得到宇航芯片门级网表；

2)根据工艺单元库文件的数据使用手册得到该工艺单元库文件下的所有寄存器种类及对应端口定义，查找步骤1)中得到的宇航芯片门级网表中使用到的寄存器类型；

3)根据工艺单元库文件的数据使用手册中的所有寄存器种类，查找步骤1)得到的宇航芯片门级网表中所有使用到的寄存器数目M，形成寄存器列表，M为正整数；

4)根据芯片的功能要求，构建测试验证环境以及测试验证激励，得到需要模拟仿真的总时间T；

5)根据步骤2)中查找到的寄存器类型，对应构建参数化的寄存器故障仿真模型，寄存器故障仿真模型的端口定义与工艺单元库文件的数据使用手册中的寄存器类型端口定义一致，寄存器故障仿真模型中设置两个故障注入参数，故障注入参数包括故障注入起始时间和故障注入类型，如图2所示，为参数化的寄存器故障仿真模型功能图，其中START_TIME参数单位为纳秒，FAULT_TYPE为“00”时代表软错误，为“11”时代表硬错误，其余值代表无故障，若故障类型为软错误，当仿真时间到达故障注入起始时间START_TIME时，寄存器的输出Q位翻转(即低电平变高电平或者高电平变低电平)，直到复位有效信号到来或者下一个有效时钟沿信号到来，输出Q位恢复正常输出，若故障类型为硬错误，当仿真时间到达故障注入起始时间START_TIME时，寄存器的输出Q位翻转，此后Q位输出保持不变直到仿真结束；

6)根据空间环境的情况得到芯片的模拟仿真故障环境，芯片的模拟仿真故障环境是指设置寄存器单粒子软错误翻转率a和寄存器单粒子硬错误翻转率b，a和b的取值在0到1之间，且a与b之和小于1硬错误表现为器件本身永久性损坏，无法在下一个周期恢复；软错误表现为电路逻辑状态的翻转、存储数据的随机改变，可以在下一个周期恢复；

7)根据步骤6)得到的单粒子软错误翻转率a和步骤3)得到的寄存器数目M，将a和M相乘取整数部分作为寄存器单粒子软错误翻转的数目X，同理，根据步骤6)得到的单粒子硬错误翻转率b和步骤3)得到的寄存器数目M，将b和M相乘取整数部分作为寄存器单粒子硬错误翻转的数目Y；

8)将步骤1)生成的宇航芯片门级网表中的寄存器进行替换，得到替换后的宇航芯片门级网表，其替换策略如下：根据步骤2)得到的寄存器列表随机选取X个采用步骤5)中的寄存器故障仿真模型，对步骤1)中的宇航芯片门级网表中的寄存器进行替换，其中故障注入起始时间随机选择0到T之间的时间，故障类型为软错误故障，根据步骤2)得到的寄存器列表随机选取Y个采用步骤5)中的寄存器故障仿真模型，对步骤1)中的宇航芯片门级网表中寄存器进行替换，其中故障注入起始时间随机选择0到T之间，故障类型为硬错误故障；

9)在模拟仿真工具中对步骤8)得到的替换后的宇航芯片门级网表和步骤5)得到的寄存器故障仿真模型进行编译，构建面向宇航芯片的寄存器单粒子效应仿真验证平台；

10)在步骤9)形成的平台上运行步骤4)中的测试验证激励，分析宇航芯片在故障注入下的运行情况，通过分析宇航芯片功能是否正确得到在单粒子故障注入时的芯片实际运行结果是否受到故障影响。

实施例：

对一种面向宇航芯片的寄存器单粒子效应模拟仿真方法结合具体的实施案例(SapceWire协议芯片)进行详细解释：

1)基于SIMC 0.13um工艺库文件文件，通过Design Compiler工具将SapceWire协议芯片(以下简称SPW芯片)的RTL设计得到SPW芯片的门级网表；

2)基于SIMC 0.13um工艺库所的数据手册得到SIMC 0.13um所有寄存器的类型及输入输出口定义(寄存器类型比较多，列举了其中的2类)：

3)基于SIMC 0.13um工艺单元库文件的数据使用手册得到该工艺下的所有寄存器种类，查找步骤1)得到的SPW芯片网表中所有使用到的寄存器数目为138907个；且使用到的类型只包含DFFSHQX1、DFFSHQX2，DFFSHQX4，DFFSHQX8。寄存器列表数量较多，此处只列举3个，DFFSHQX1为寄存器类型，SP24x58_inst_m24x58_inst_20_N7_ctrl_reg_1_.tmr_dff_p0_S0为例化名：

DFFSHQX1 SP24x58_inst_m24x58_inst_20_N7_ctrl_reg_1_.tmr_dff_p0_S0
	DFFSHQX1 SP24x58_inst_m24x58_inst_20_N7_ctrl_reg_1_.tmr_dff_p1_S0
DFFSHQX1 SP24x58_inst_m24x58_inst_20_N7_ctrl_reg_1_.tmr_dff_p2_S0

4)根据芯片的测试验证环境，构建测试验证激励，得到需要模拟仿真的总时间500毫秒；

5)根据步骤2)中查找到的寄存器类型DFFSHQX1、DFFSHQX2，DFFSHQX4，DFFSHQX8，由于四种类型寄存器逻辑功能一致，只是驱动能力不同，因此其对应的参数化的寄存器故障仿真模型可以统一为1个，寄存器故障仿真模型的端口定义与工艺单元库文件的数据使用手册中的寄存器类型端口定义一致，寄存器故障仿真模型中设计两个故障注入参数，故障注入起始时间START_TIME和故障类型FAULT_TYPE，如图2所示，为参数化的寄存器故障仿真模型功能图，其中START_TIME参数单位为纳秒，FAULT_TYPE为“00”时代表软错误，为“11”时代表硬错误，其余值代表无故障，若故障类型为软错误，当仿真时间到达故障注入起始时间START_TIME时，寄存器的输出Q位翻转(即低电平变高电平或者高电平变低电平)，直到复位有效信号到来或者下一个有效时钟沿信号到来，输出Q位恢复正常输出，若故障类型为硬错误，当仿真时间到达故障注入起始时间START_TIME时，寄存器的输出Q位翻转，此后Q位输出保持不变直到仿真结束；

6)根据空间环境的情况得到芯片的模拟仿真故障环境，设置寄存器单粒子软错误翻转率1.45X10^-5和寄存器单粒子硬错误翻转率0；

7)以只发生软错误为例，根据步骤6)得到的单粒子软错误翻转率7.25X10^-6和步骤3)得到的寄存器数目138907，两项相乘取整数部分作为寄存器单粒子软错误翻转的数目1，同理，根据步骤6)得到的单粒子硬错误翻转率0和步骤3)得到的寄存器数目138907，两项相乘取整数部分作为寄存器单粒子硬错误翻转的数目0；

8)将步骤1)生成的网表中的寄存器进行替换，其替换策略如下：根据步骤2)得到的寄存器列表随机选取1个采用步骤5)中的寄存器故障仿真模型进行替换，其中故障注入起始时间随机选择0到T之间的时间，故障类型为软错误故障，假设随机选择的就是步骤3)举例列出的第一个寄存器，随机选择的时间为800ns，则替换后的网表代码为

DFFSHQ_F

#(parameter START_TIME ＝800,\

parameter FAULT_TYPE ＝2'b00,\)

SP24x58_inst_m24x58_inst_20_N7_ctrl_reg_1_.tmr_dff_p0_S0

9)根据步骤8)得到的替换后网表与步骤5)得到的寄存器故障仿真模型联合在模拟仿真工具VCS中进行编译，构建面向宇航芯片的寄存器单粒子效应仿真验证平台；

10)在步骤9)形成的平台上到的运行结果分析宇航芯片在故障注入下的运行情况，通过分析运行情况得到在单粒子故障注入时的芯片实际运行结果是否受到故障影响。由于该案例中SPW芯片的寄存器进行了三模冗余，因此单个寄存器的软错误翻转不会对功能造成影响。测试激励的运行结果显示SPW芯片功能正常，通过测试。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种面向宇航芯片的寄存器单粒子效应模拟仿真方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)基于芯片实现方提供的工艺单元库文件，通过芯片综合工具将寄存器传输级设计进行综合，得到宇航芯片门级网表；

2)根据工艺单元库文件的数据使用手册得到该工艺单元库文件下的所有寄存器种类及对应端口定义，查找步骤1)中得到的宇航芯片门级网表中使用到的寄存器类型；

3)根据工艺单元库文件的数据使用手册中的所有寄存器种类，查找步骤1)得到的宇航芯片门级网表中所有使用到的寄存器数目M，形成寄存器列表，M为正整数；

4)根据芯片的功能要求，构建测试验证环境以及测试验证激励，得到需要模拟仿真的总时间T；

5)根据步骤2)中查找到的寄存器类型，对应构建参数化的寄存器故障仿真模型，寄存器故障仿真模型的端口定义与工艺单元库文件的数据使用手册中的寄存器类型端口定义一致，寄存器故障仿真模型中设置故障注入参数；

6)根据空间环境的情况得到芯片的模拟仿真故障环境，芯片的模拟仿真故障环境是指设置寄存器单粒子软错误翻转率a和寄存器单粒子硬错误翻转率b；

7)根据步骤6)得到的单粒子软错误翻转率a和步骤3)得到的寄存器数目M，将a和M相乘取整数部分作为寄存器单粒子软错误翻转的数目X，根据步骤6)得到的单粒子硬错误翻转率b和步骤3)得到的寄存器数目M，将b和M相乘取整数部分作为寄存器单粒子硬错误翻转的数目Y；

8)将步骤1)生成的宇航芯片门级网表中的寄存器进行替换，得到替换后的宇航芯片门级网表；

9)在模拟仿真工具中对步骤8)得到的替换后的宇航芯片门级网表和步骤5)得到的寄存器故障仿真模型进行编译，构建面向宇航芯片的寄存器单粒子效应仿真验证平台；

10)在步骤9)形成的平台上运行步骤4)中的测试验证激励，分析宇航芯片在故障注入下的运行情况，通过分析宇航芯片功能是否正确得到在单粒子故障注入时的芯片实际运行结果是否受到故障影响。

2.根据权利要求1所述的一种面向宇航芯片的寄存器单粒子效应模拟仿真方法，其特征在于：所述步骤5)中，故障注入参数包括故障注入起始时间和故障注入类型。

3.根据权利要求1或2所述的一种面向宇航芯片的寄存器单粒子效应模拟仿真方法，其特征在于：所述步骤6)中，寄存器单粒子软错误翻转率a和寄存器单粒子硬错误翻转率b的取值在0到1之间，且a与b之和小于1。

4.根据权利要求1或2所述的一种面向宇航芯片的寄存器单粒子效应模拟仿真方法，其特征在于：所述步骤(8)将步骤1)生成的宇航芯片门级网表中的寄存器进行替换的替换方法如下：

根据步骤2)得到的寄存器列表随机选取X个采用步骤5)中的寄存器故障仿真模型，对步骤1)中的宇航芯片门级网表中的寄存器进行替换，其中故障注入起始时间随机选择0到T之间的时间，故障类型为软错误故障，根据步骤2)得到的寄存器列表随机选取Y个采用步骤5)中的寄存器故障仿真模型，对步骤1)中的宇航芯片门级网表中寄存器进行替换，其中故障注入起始时间随机选择0到T之间，故障类型为硬错误故障。