基于SRAM型FPGA的软错误评估方法研究

摘要

随着集成电路工艺节点的不断进步，集成度的不断提高，操作频率的不断增加，供电电压的不断降低，纳米尺度集成电路越来越容易受到辐射影响（主要是空间辐射、大气辐射、工业辐射和封装材料辐射等）而导致系统输出错误，甚至引起系统失效。尤其在航空航天等特殊应用领域，高能粒子辐照作用引起的集成电路瞬态故障，已严重影响电子系统的可靠性。针对愈发严重的单粒子软错误问题，高效和高精度的单粒子软错误评估已成为高可靠性纳米尺度集成电路设计和应用领域所关注的热点问题。
　　随着电路节点数的增加，软错误评估的计算量呈现指数级增长，严重减缓了敏感性评估过程，为了高效地分析集成电路对单粒子翻转的软错误敏感性，我们提出一种基于SRAM型FPGA故障注入的单粒子翻转敏感性分析方法，利用FPGA的硬件并行特性，有效加速单粒子翻转软错误评估过程。同时，单粒子瞬态对于软错误敏感性的影响机制较为复杂而难以精确建模，为了精确地分析单粒子瞬态的软错误敏感性，本文将FPGA作为更真实的集成电路模拟平台，在其片上高精度地实现单粒子瞬态的产生和采集，并研究了单粒子瞬态传播时的脉宽变化。另外，作为SET传播研究的拓展部分，本文深入分析工艺波动和电子热噪声对脉冲传播的影响，并在FPGA片上实现高可靠的蝶形PUF和基于抖动量化的高熵提取效率TRNG。主要工作如下:
　　(1)为有效加速SEU软错误评估过程，本文提出一种基于FPGA故障注入的软错误敏感性分析方法，利用FPGA平台的硬件并行性，并借助硬件描述语言良好的建模和抽象能力，在硬件层面上模拟粒子轰击引起的电路节点异常翻转，通过将故障注入的逻辑控制、故障分类、故障列表等模块均在硬件上实现，来进一步提高软错误评估过程效率，实验结果表明，提出的SEU软错误评估方法比基于软件仿真的同样模型评估方法在评估速度上提升了3个数量级。
　　(2)为精确分析集成电路中的SET软错误现象，本文将FPGA作为更真实的集成电路模拟平台，在SRAM型FPGA上实现真实SET的产生和测量，其中，产生的SET不仅具有较高的精度和极好的稳定性，还是以100ps为步长可连续调节的;SET片上检测器的检测精度为30ps，具有150ps较低的检测极限，它可以检测两种极性脉冲，且应用于多种操作环境时具有较好的稳定性。基于实现的SET产生电路和SET测量电路，本文深入研究了集成电路中的SET传播现象，实验结果表明，脉冲展宽效应与脉冲宽度没有关系，而与传播链的长度成正比，对于不同极性下的SET传播，脉冲展宽效应差异很大。
　　(3)在SET传播实验中，意识到工艺波动和电子热噪声对SET传播的影响后，深入研究这两个因素对亚稳态到稳态转变过程的影响，并高效地实现两个重要安全技术:一个高可靠的蝶形PUF和一个高熵提取效率的抖动量化TRNG。为了改善PUF电路的可靠性，我们提出一个延时差异评估策略，去识别适合PUF映射的Slice，然后，在PUF实现过程中我们将PUF选择性地布局到适合的Slice上，由此大幅改善PUF的可靠性;为了改善随机性提取过程，通过极小游标间距的TDC电路，本文在SRAM型FPGA上提出一个基于抖动量化的纯数字TRNG，它可以对电子热噪声引起的传播时延抖动的随机分布进行数字化快拍，实验结果表明，提出的TRNG具有32个Slice的低资源开销和127Mb/s的高吞吐量，且对于PVTA变量引起的偏移现象具有很好的容忍能力。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 课题的研究背景

1．2．1 软错误造成的危害

1．2．2 工艺进步对软错误的影响

1．3 软错误评估的研究现状

1．3．1 软错误评估的主要方法

1．3．2 软错误评估存在的问题及相关改进

1．4 本文研究内容

1．5 本文组织结构

第二章 软错误的基本知识

2．1 引言

2．2 软错误机理

2．2．1 软错误的诱因

2．2．2 软错误的产生

2．2．3 软错误的故障类型

2．3 软错误评估的目的

2．4 本章小结

第三章 基于SRAM型FPGA的SEU软错误评估

3．1 基于SRAM型FPGA的SEU故障注入分析平台

3．1．1 SEU故障模型及注入机制

3．1．2 SEU故障效果分类

3．1．3 SEU软错误评估平台设计

3．2 实验结果与分析

3．2．1 待评估微控制器电路

3．2．2 实验环境与总体步骤

3．2．3 软错误评估结果

3．2．4 选择性加固后的软错误评估结果

3．2．5 时间与资源开销分析

3．3 本章小结

第四章 基于SRAM型FPGA的SET软错误评估

4．1 SRAM型FPGA上的SET采集

4．1．1 已有SET测量电路

4．1．2 提出的SET检测电路

4．1．3 实验结果验证

4．1．4 SET检测器的进一步完善与结果分析

4．2 SRAM型FPGA上的SET产生

4．2．1 已有SET产生电路

4．2．2 提出的SET产生器

4．2．3 实验结果验证

4．3 SET传播的实验结果与分析

4．4 本章小结

第五章 脉冲传播相关的技术应用

5．1．1 PUF概念

5．1．2 PUF研究现状

5．1．3 提出的低资源开销和高可靠蝶形PUF

5．1．4 实验结果分析

5．2 SRAM型FPGA上高熵高吞吐的抖动量化TRNG实现

5．2．1 TRNG概念

5．2．2 TRNG研究现状

5．2．3 提出的高熵高吞吐抖动量化TRNG电路

5．2．4 实验结果分析

5．3 本章小结

第六章 总结

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况