高 翔，賴曉玲，賀勇鵬，王 軒，周國(guó)昌

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710100)

航天應(yīng)用實(shí)踐表明空間單粒子效應(yīng)(SEE)是航天器工作異?；蚬收系闹匾T因之一[1]，同時(shí)空間單粒子效應(yīng)抗輻照加固設(shè)計(jì)方法也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天器設(shè)計(jì)中。因此，快速、有效的SEE在軌預(yù)測(cè)評(píng)估方法有助于提升航天器系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)效率。

目前，重離子加速器模擬實(shí)驗(yàn)方法是廣泛用于評(píng)估和驗(yàn)證航天器抗輻照設(shè)計(jì)有效性的重要方法之一[2]。該方法借助實(shí)驗(yàn)獲取多個(gè)粒子線性能量轉(zhuǎn)移(LET)值能譜下的系統(tǒng)功能中斷截面變化值，并進(jìn)行Weibull飽和曲線擬合，進(jìn)而可評(píng)估航天器在軌預(yù)示指標(biāo)；然而，受國(guó)內(nèi)加速器的條件限制，無(wú)論在實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)，還是提供可達(dá)有效硅表面射程的高能粒子能譜均無(wú)法充分滿足航天系統(tǒng)應(yīng)用需求，例如裝有倒裝焊SRAM型FPGA器件的系統(tǒng)，器件硅襯底表面高達(dá)幾百微米，只有通過(guò)器件減薄工藝使部分粒子穿透到達(dá)器件輻照敏感區(qū)，并且在減薄過(guò)程中器件冒著被損壞的高風(fēng)險(xiǎn)概率。除了重離子加速器模擬實(shí)驗(yàn)，地面模擬故障注入實(shí)驗(yàn)和基于軟錯(cuò)誤傳播的故障概率評(píng)估方法也是常用的兩種單粒子效應(yīng)有效性評(píng)估方法，然而所述的兩種方法無(wú)論在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度還是在需求等效性上均存在不足。有文獻(xiàn)報(bào)道[3-4]開發(fā)了SRAM型FPGA的模擬故障注入系統(tǒng)，可定性評(píng)估系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)，然而無(wú)法定量給出在軌預(yù)示結(jié)果；同時(shí)受器件結(jié)構(gòu)的影響，一旦器件類型升級(jí)，需要重新解析bit文件完成新注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該方法通用性差、設(shè)計(jì)復(fù)雜。有研究者[5]結(jié)合SRAM型FPGA配置資源與電路耦合關(guān)系，提出基于軟錯(cuò)誤傳播概率的系統(tǒng)故障評(píng)估方法，以概率評(píng)判系統(tǒng)的抗輻照可靠性設(shè)計(jì)，其量化后的概率值不能用于系統(tǒng)在軌預(yù)示分析。

因此，本文從系統(tǒng)抗輻照架構(gòu)的影響因子出發(fā)[5-6]，結(jié)合器件靜態(tài)截面和以部分輻照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為參考[7]，構(gòu)建多能譜LET值與系統(tǒng)功能中斷截面自適應(yīng)擬合算法模型，獲取單粒子效應(yīng)下系統(tǒng)功能中斷截面隨LET值變化的等效耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)以通用性的等效擬合算法而降低重離子加速器實(shí)驗(yàn)的依賴，達(dá)到以高效精準(zhǔn)的擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成對(duì)航天器系統(tǒng)抗SEE效應(yīng)評(píng)估驗(yàn)證的目的。

1 系統(tǒng)抗輻照架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中通用的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，構(gòu)建抗輻照架構(gòu)系統(tǒng)，并選定LET值開展重離子輻照試驗(yàn)，獲取算法模型所需的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

如圖1所示，系統(tǒng)由調(diào)制和解調(diào)兩大核心功能組成，并分別基于兩塊SRAM型FPGA器件實(shí)現(xiàn)，其器件的配置存儲(chǔ)區(qū)及關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)資源為空間單粒子效應(yīng)(SEE)敏感核心部件[8]，開展系統(tǒng)防護(hù)架構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)器件的內(nèi)部資源防護(hù)，以時(shí)序邏輯電路功能模塊為對(duì)象開展三模冗余防護(hù)設(shè)計(jì)[9]，從而降低電路功能模塊因單粒子軟錯(cuò)誤在功能模塊間傳播耦合造成系統(tǒng)功能中斷的幾率；針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的防護(hù)設(shè)計(jì)，設(shè)置系統(tǒng)軟錯(cuò)誤防護(hù)監(jiān)控單元，對(duì)配置存儲(chǔ)區(qū)實(shí)現(xiàn)配置信息加載和動(dòng)態(tài)刷新的防護(hù)設(shè)計(jì)，從而減少單粒子軟錯(cuò)誤的累積，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)接收比較模塊對(duì)功能的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信號(hào)監(jiān)測(cè)，開展系統(tǒng)功能異常軟復(fù)位設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)抗輻照架構(gòu)體系設(shè)計(jì)框圖

2 算法模型構(gòu)建

2.1 重粒子輻照實(shí)驗(yàn)環(huán)境與器件的匹配

通常，系統(tǒng)抗輻照性能由被輻照器件獲取的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功能中斷截面(σsys)隨離子LET值變化的曲線來(lái)表征，隨后結(jié)合系統(tǒng)所處的空間輻照環(huán)境，完成系統(tǒng)在軌翻預(yù)示[10]。因此地面加速器模擬實(shí)驗(yàn)的重要目的是獲取多個(gè)器件σsys-LET離散點(diǎn)，擬合出較精確的分布曲線。

圖2[7]給出了Xilinx公司Virtex4型FPGA配置存儲(chǔ)單元靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面與LET值輻照實(shí)驗(yàn)的擬合變化曲線。然而，由于該類器件是倒裝芯片，即使通過(guò)器件減薄，國(guó)內(nèi)輻照實(shí)驗(yàn)也只可進(jìn)行有限射程范圍的離子束輻照實(shí)驗(yàn)，獲取部分基準(zhǔn)采樣數(shù)據(jù)。

圖2 Virtex4型FPGA配置存儲(chǔ)單元靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面與LET值輻照實(shí)驗(yàn)的擬合變化曲線

2.2 EFA-ESEE自適應(yīng)等效擬合算法模型

利用系統(tǒng)抗輻照架構(gòu)設(shè)計(jì)特性，并基于可獲取的部分輻照實(shí)驗(yàn)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，采用二次擬合構(gòu)建EFA-ESEE算法模型，獲取飽和LET閾值內(nèi)的任意σsys與LET自適應(yīng)變化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)評(píng)估，以下為算法模型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

(1)構(gòu)建系統(tǒng)功能中斷頻率函數(shù)

SRAM型FPGA在內(nèi)部電路模塊防護(hù)體系設(shè)計(jì)架構(gòu)下，當(dāng)被有效射程的離子束輻照時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)引起FPGA系統(tǒng)功能中斷頻率定義為系統(tǒng)功能中斷頻率，用函數(shù)EFPGA表示：

EFPGA=f(σ,L,T,nsrams,SERF)

(1)

式中，σ表示LET值下的FPGA配置存儲(chǔ)區(qū)靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)截面(cm2/bit)；L表示實(shí)驗(yàn)時(shí)的離子注量率(個(gè)/cm2·s)；T表示實(shí)驗(yàn)時(shí)的離子輻照單位時(shí)間(s)；nsrams表示FPGA系統(tǒng)所占的配置存儲(chǔ)區(qū)資源(bit)；SERF表示系設(shè)抗輻照計(jì)架構(gòu)下，電路的抗單粒子軟錯(cuò)誤功能中斷可靠性系數(shù)。

因此，帶入上述參數(shù)，式(1)可近似等效為：

EFPGA=σ·L·T·nsrams·SERF

(2)

引入?yún)?shù)α，定義為基于外部軟錯(cuò)誤監(jiān)控單元，系統(tǒng)級(jí)軟錯(cuò)誤防護(hù)措施作用于FPGA的可靠性貢獻(xiàn)度耦合因子。在系統(tǒng)級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)架構(gòu)下，式(2)可變換為：

Esys=α·σ·L·T·nsrams·SERF

(3)

根據(jù)參數(shù)σsys的物理含義，即平均一個(gè)離子輻照引發(fā)系統(tǒng)功能中斷的概率，等價(jià)為：

(4)

式中，N表示一次功能中斷平均注入的離子總數(shù)。

因此，式(2)和式(3)可轉(zhuǎn)化為：

(5)

式中，Lfpga和Lsys分別對(duì)應(yīng)FPGA在內(nèi)部電路模塊防護(hù)設(shè)計(jì)架構(gòu)和系統(tǒng)級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)架構(gòu)下，平均一次功能中斷的離子注量率；而Nfpga和Nsys分別對(duì)應(yīng)上述兩種防護(hù)設(shè)計(jì)架構(gòu)下，平均一次功能中斷累積輻照離子數(shù)。

(2)構(gòu)建LET-系統(tǒng)功能中斷截面自適應(yīng)變化函數(shù)

針對(duì)同一個(gè)FPGA系統(tǒng)，在相同內(nèi)部電路模塊防護(hù)設(shè)計(jì)架構(gòu)和輻照時(shí)間內(nèi)，采用LET1和LET2值離子能譜輻照，可得到：

(6)

同理，同一個(gè)FPGA系統(tǒng)，在系統(tǒng)級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)架構(gòu)和輻照時(shí)間內(nèi)，可得到：

(7)

式中，α1和α2分別為L(zhǎng)ET1和LET2值，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)級(jí)軟錯(cuò)誤防護(hù)措施可靠性貢獻(xiàn)度耦合因子。

因此，當(dāng)已知一組LET值的輻照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由式(6)和式(7)，即可等效得到其他任意飽和LET閾值范圍內(nèi)的系統(tǒng)功能中斷截面。

3 實(shí)驗(yàn)分析

基于圖3為例的系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中采用了兩片Xilinx公司的Virtex4 FPGA器件，分別完成了調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)前對(duì)器件襯底進(jìn)行精細(xì)打磨，并且在中國(guó)原子能科學(xué)研究院的串列加速器和中科院的重離子加速上分別進(jìn)行了O和Kr離子的輻照實(shí)驗(yàn)，作為獲取基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，詳見表1和表2。在表中，防護(hù)前表示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)未采取任何抗輻照防護(hù)措施；防護(hù)后則表示該系統(tǒng)采用了系統(tǒng)級(jí)抗輻照防護(hù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在器件內(nèi)部采用部分三模冗余、塊RAM軟錯(cuò)誤反饋糾檢錯(cuò)防護(hù)設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)級(jí)單粒子軟錯(cuò)誤防護(hù)監(jiān)控單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件關(guān)鍵信號(hào)監(jiān)測(cè)與復(fù)位、系統(tǒng)關(guān)鍵功能信號(hào)監(jiān)測(cè)與復(fù)位、系統(tǒng)定時(shí)刷等系統(tǒng)級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)。

圖3 Virtex4 FPGA電路系統(tǒng)輻照實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

表1 調(diào)制系統(tǒng)FPGA實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 解調(diào)系統(tǒng)FPGA實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

基于表2，防護(hù)前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入EFA-ESEE模型中的式(6)，可得到LET值分別為37.62 MeV·cm2/mg 的Kr離子和3.05 MeV·cm2/mg的O離子，靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面比值近似為σKr/σO≈16，而從圖2 Xilinx提供的器件輻照數(shù)據(jù)，該比值為14。因此，算法模型分析的數(shù)據(jù)近似等效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，模型推論過(guò)程合理有效。

同時(shí)，利用表2解調(diào)FPGA防護(hù)后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，代入模型中的式(7)，可以得到在Kr離子和O離子輻照下，可靠性貢獻(xiàn)度耦合因子比值αO/αKr≈7.58。由于隨著入射粒子的LET值增大，器件配置存儲(chǔ)區(qū)受能量激發(fā)出現(xiàn)多位翻轉(zhuǎn)情況，使系統(tǒng)級(jí)單粒子軟錯(cuò)誤防護(hù)監(jiān)控單元對(duì)系統(tǒng)的可靠性貢獻(xiàn)度將減弱，詳見圖2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線變化趨勢(shì)。因此，Kr離子與O離子可靠性貢獻(xiàn)度因子比值反映出上述系統(tǒng)可靠性防護(hù)設(shè)計(jì)變化趨勢(shì)，同時(shí)證明了算法模型設(shè)置該值的合理有效性。

因此，結(jié)合上述分析，EFA-ESEE模型的計(jì)算結(jié)果與圖2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

調(diào)制和解調(diào)FPGA系統(tǒng)均構(gòu)建于相同的系統(tǒng)級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)架構(gòu)，利用可靠性貢獻(xiàn)度因子等價(jià)原理。由表1和表2，擬合得到調(diào)制系統(tǒng)在Kr離子輻照條件下的數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3。

表3 調(diào)制系統(tǒng)FPGA的擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

同理，基于EFA-ESEE模型，還可以任意自適應(yīng)擬合得到其他任意飽和LET閾值內(nèi)系統(tǒng)的功能中斷截面數(shù)據(jù)。圖4為中國(guó)原子能科學(xué)研究院的串列加速器開展的Viretex5 FPGA配置存儲(chǔ)區(qū)動(dòng)態(tài)回讀系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)截面輻照實(shí)驗(yàn)，其中靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面由文獻(xiàn)[11]獲取，通過(guò)表4的數(shù)據(jù)比對(duì)，擬合模型與輻照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差控制在5%以內(nèi)，因此擬合模型可用于地面模擬輻照實(shí)驗(yàn)評(píng)估。

圖4 Virtex5 FPGA電路系統(tǒng)輻照實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

表4 Virtex5 FPGA配置存儲(chǔ)區(qū)回讀電路系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)截面數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

當(dāng)前，由于器件制造工藝、系統(tǒng)架構(gòu)不同，造成了抗輻照實(shí)驗(yàn)條件選取的差異，從而增加了被測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取難度。本文從抗輻照系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，建立隨粒子LET值變化的EFA-ESEE自適應(yīng)評(píng)估擬合算法模型。該模型以系統(tǒng)抗輻照設(shè)計(jì)架構(gòu)與器件單粒子效應(yīng)傳播機(jī)理為出發(fā)點(diǎn)，利用輻照實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)完成功能中斷截面隨LET值的自適應(yīng)擬合，獲取飽和LET值內(nèi)的功能中斷截面變化值，實(shí)現(xiàn)了實(shí)用、高效、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)提取過(guò)程，從而減低以加速器輻照實(shí)驗(yàn)獲取翻轉(zhuǎn)截面的依賴性。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，該算法模型可以提升航天器系統(tǒng)抗SEE效應(yīng)的評(píng)估效率。