星载计算机系统单粒子效应仿真方法研究

发布时间：2020-09-24 10:25

　　星载计算机是各类航天器的核心部件,由于运行在宇宙空间中,星载计算机中的微电子器件会受到单粒子效应的影响,使其可靠性问题尤为突出。受限于实验资金、实验周期等因素,单粒子辐射实验难以单一地用作评估星载计算机抗辐射能力的验证手段。计算机仿真技术可以在较高精度上模拟高能粒子与芯片的作用过程,对研究单粒子效应在电路中的作用机理以及评估电路的抗单粒子效应能力有重要意义。本文依托于“十三五”装备预先研究项目“XXX单粒子辐射效应仿真技术研究”,以评估星载计算机的抗单粒子效应能力为背景,以研究单粒子效应仿真方法为目标,针对星载计算机系统的结构及功能,研究其仿真方法、模型搭建及单粒子效应敏感性分析。本文的主要研究内容及成果如下:(1)实现了一种针对大规模数字电路系统的单粒子效应仿真方法。在SMIC130nm CMOS工艺下,基于器件级的单粒子效应响应电流,形成SPICE级的单粒子效应故障注入模型。通过对逻辑门的仿真分析,得到不同逻辑门的单粒子效应敏感节点。实现了一种针对大规模数字逻辑电路SPICE模型的单粒子效应故障注入、仿真与结果检测的方法,并提出了一种分段仿真的手段,大大减少统计分析的仿真时间。该单粒子效应仿真方法既考虑了器件级的信息,又兼顾了电路规模和仿真速度,解决了现有方法的部分不足。(2)搭建了星载计算机系统SPICE模型。根据星载计算机核心系统的组成,基于SMIC 130nm CMOS工艺,分别搭建完成了处理器和SRAM的SPICE模型。基于矩阵乘法和冒泡排序两种典型程序,对星载计算机系统进行功能验证和时序验证,在SPICE层面验证了系统模型的正确性。仿真结果表明,该星载计算机系统SPICE模型可以在100MHz时钟频率下正确地进行初始化并执行后续程序。(3)完成了对星载计算机系统各个模块的单粒子效应仿真分析。仿真统计了各个模块造成系统出错的概率,结合模块面积比例,得到了整数处理单元、寄存器堆、缓存控制模块、AHB总线仲裁器、存储控制模块以及SRAM的单粒子效应敏感性。整数处理单元的仿真结果表明:五级流水线中,取指阶段的单粒子效应敏感性最大,结果对处理器流水线的抗单粒子效应加固设计有重要意义。SRAM的仿真结果表明:指令SRAM的单粒子效应敏感性大约是数据SRAM的10倍,同时,指令SRAM中的单粒子效应更容易造成系统运行状态发生错误,而数据SRAM中的单粒子效应则更多地造成系统运行结果错误。(4)在运行矩阵乘法和冒泡排序程序的情况下,指令SRAM的单粒子效应敏感性分别为19.13?和6.55?,为星载计算机系统中单粒子效应最敏感的模块。对指令SRAM进行模块级的三模冗余加固设计,并针对单粒子同时穿透多个芯片的问题,对加固后的系统进行单粒子效应敏感性仿真分析。在1000次的单粒子效应故障注入与仿真中,系统未出现错误。该结果验证了模块级的三模冗余加固设计的有效性,同时也表明本文的仿真方法可以用于验证系统抗辐射加固设计的效果。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V446;TP391.9
【部分图文】：

示意图,单粒子效应,器件级,解决方案

西安电子科技大学硕士学位论文4图1.1 柯晶达单粒子效应器件级仿真解决方案示意图以上这些研究针对不同的模型层次进行了单粒子效应仿真，但都没有很好地解决仿真模型精度与电路规模相矛盾的问题，即器件级和电路SPICE级仿真精度虽然高，但支持的电路规模小；RTL 级支持更大的规模，但仿真精度大大降低。目前，对星载计算机的单粒子效应仿真研究尚处于起步阶段[24]，该方向是国内外的一个研究热点，有巨大的研究价值。针对以上问题，本文对星载计算机系统进行 SPICE 层面的建模并研究其单粒子效应仿真方法，在保证模型精度的前提下实现了对大规模电路系统的单粒子效应仿真。1.3 论文研究内容与结构安排本文针对星载计算机的核心系统模块进行 SPICE 层次的建模与单粒子效应仿真分析。研究了一种适用于大规模数字电路系统的单粒子效应故障注入与仿真方法。基于 SMIC 130nm CMOS 工艺

单粒子,瞬态脉冲,宽度差,瞬态响应

西安电子科技大学硕士学位论文16图3.1 不同 LET 条件下的单粒子瞬态响应电流从图中可以看出，对于 SMIC 130nm CMOS 工艺器件，不同 LET 条件下单粒子瞬态脉冲的高度和宽度差异很大，但形状基本一致，且都具有“拖尾”现象，这表明器件结构决定了单粒子瞬态脉冲的形状，而粒子入射的 LET 影响单粒子瞬态脉冲的高度和宽度。3.1.2 SPICE 级故障注入模型通过器件级单粒子效应仿真得到的电流响应数据可以作为一个瞬态电流源注入到 SPICE 电路级网表中，用于电路级的单粒子效应仿真。常用的单粒子效应注入模型有双指数电流源模型、Weibull 分布函数电流源模型和 PWL（分段线性差值）电流源模型。双指数电流源模型采用双指数函数来描述电路节点的电流随时间的响应。双指数函数的定义为：0( ) ( ) = +t tI t I e e (3-1)利用 Matlab 工具，可以拟合得到参数 I0、1/α 和 1/β 与 LET 的函数关系?

初始化程序,信号波形,矩阵乘法

第四章星载计算机系统 SPICE 模型搭建47图4.21 初始化程序部分信号波形图从图中可以看出，处理器执行初始化程序至地址 0x00001BC 处时，由初始化程序SRAM跳转到指令SRAM的地址0x0000000处，并开始执行指令SRAM中的程序，表明系统正确地完成了初始化。（2）矩阵乘法矩阵乘法程序首先将列矩阵和行矩阵的元素存入数据 SRAM 中，然后每次从数据 SRAM 中读取两个元素并作乘法运算，运算结果写入数据 SRAM 中。某次将乘法运算结果写入数据 SRAM 时的部分波形如图 4.22 所示。图4.22 矩阵乘法程序部分信号波形图从图中可以看出，该操作为将数据 0x000008BC 写入地址 003FF54 中

【相似文献】