SRAM-FPGA抗單粒子翻轉方法和預估

郭 強， 劉 波， 司圣平， 劉 輝，蔣應富， 張 恒

(1. 上海航天技術研究院，上海 201109；2. 上海衛星工程研究所，上海 201109)

SRAM-FPGA抗單粒子翻轉方法和預估

郭 強1， 劉 波2， 司圣平2， 劉 輝2，蔣應富2， 張 恒2

(1. 上海航天技術研究院，上海 201109；2. 上海衛星工程研究所，上海 201109)

為解決衛星通信系統中賽靈思公司的靜態隨機存儲器型現場可編程門陣列(Xilinx SRAMFPGA)單粒子翻轉問題，提出了一種占用硬件資源少，可靠度高的抗單粒子方法．該方法使用愛特公司的現場可編程門陣列作為檢測芯片，可編程只讀存儲器芯片存儲屏蔽位文件，通過聯合測試工作組模式回讀Xilinx FPGA配置文件并進行校驗，發現出錯則重新加載配置文件，消除單粒子翻轉影響．該方法已成功在軌應用于某衛星通信系統．為計算衛星通信系統的可靠度，提出使用品質因數方法預估靜態隨機存儲器型現場可編程門陣列單粒子翻轉率，并與在軌實測數據進行比較，證明使用該方法的正確性，同時計算出實際飛行軌道的單粒子翻轉率系數，為其他靜態隨機存儲器型現場可編程門陣列、存儲器等芯片的單粒子翻轉率預估提供數據支撐，為我國衛星通信系統可靠性研究與設計提供參考．

靜態隨機存儲器型現場可編程門陣列;單粒子翻轉;抗單粒子翻轉方法;單粒子翻轉率預估

賽靈思公司的靜態隨機存儲器型現場可編程門陣列(Xilinx Static Random Access Memory-Field Programmable Gate Array，Xilinx SRAM-FPGA)具有高抗輻照指標和靈活的編程配置能力，已廣泛用于衛星通信系統，但是該芯片在空間環境中易受到單粒子翻轉(Single Event Upset，SEU)的影響，引起芯片功能異常，影響衛星通信系統的可靠性．目前，國內外已有學者對Xilinx SRAM-FPGA單粒子翻轉問題進行研究，提出了幾種抗單粒子翻轉的方法[1-8]，但是文獻中沒有結合實際衛星通信系統的各種條件限制，給出最適合衛星通信系統使用的方法，同時這些方法也沒有經過在軌飛行考核．筆者從衛星通信系統設計實際出發，以常用的Xilinx Virtex XQVR300 FPGA為例，提出了一種占用最小硬件資源，滿足最大通信可靠度的抗單粒子方法，已成功應用于某衛星型號．為計算衛星通信系統的可靠度，需知道使用的SRAM-FPGA單粒子翻轉率．目前，國內外已有學者對SRAM存儲器單粒子翻轉率預估方法進行研究[9-16]，但是還沒有對SRAM-FPGA單粒子翻轉率進行預估的文獻．文中提出使用品質因數(Figure Of Merit， FOM)方法預估SRAM-FPGA單粒子翻轉率，并將在軌實測的單粒子翻轉率數據與預估的單粒子翻轉率數據進行比較分析，證明其正確性，同時反推出預估單粒子翻轉率所必需的軌道翻轉率系數，為我國衛星通信系統可靠性研究與設計提供參考．

我的建議得到了黨委可書記的同意。可書記是一位年輕有為的書記，今年才三十多歲，卻是一位經驗十分豐富，在多個鄉鎮鍛煉了的老書記。聽鎮上的干部說，可書記很快就要在縣政府班子換屆中擔任副縣長。

ECMO轉機期間，為觀察患者氧供與氧耗是否平衡，預防呼吸系統受累，需密切動態監測動靜脈血的氧分壓、二氧化碳分壓[7]。

1 抗單粒子翻轉方法

目前國內外對Xilinx SRAM-FPGA抗單粒子翻轉的方法[1-8]主要包括以下幾種:

(1) 定期刷新．定期刷新方法是指在特定程序控制下，以一定的時間周期對FPGA的配置文件進行加載，以消除可能發生的單粒子翻轉對FPGA數據處理功能的影響．該方法的優點是通過軟件編程即可實現，無需新增硬件消耗，但是無法得知FPGA是否出現過單粒子翻轉，同時實時性也不強，不能滿足衛星通信系統高可靠度的要求．

在建設內部控制體系的工作中，應把建設的工作進行分割。分割基本包括風險預測評估、制度、流程和評價管理等四部分。公立醫院具有豐富的管理經驗等優勢，所以醫院在充分利用這一優勢的基礎上，建立健全適合內部控制體系執行的各項指標和標準。設立基本的建設框架，指導內部控制體系的建設工作。風險預測評估、制度、流程和評價管理這四部分相互制約相互扶持實現內部控制體系的可持續性發展。

圖1 基于硬件的三模冗余原理圖

(2) 冗余方法．常用的冗余方法為硬件三模冗余，圖1給出典型的硬件三模冗余原理圖，該方法可以提高抗單粒子翻轉的可靠度，但是會大幅降低模塊的數據處理速度，極限情況可能會降低80%，同時所需的硬件資源和功耗至少是原來的3倍．隨著衛星通信系統數據處理速度要求的增加，FPGA的資源占用量越來越大，若再采用硬件三模冗余，則往往會超出FPGA的硬件資源限制; 另外，三模冗余的主要問題是表決器的故障將造成系統差錯，其可靠性不會高于表決器的可靠性，因此該方法也不能很好地滿足衛星通信系統設計的需要．

(3) 糾錯編碼方法．糾錯編碼方法是指將在軌出現的單粒子翻轉看作通信系統信道干擾，使用循環冗余校驗碼等編碼方式，讀取FPGA存儲單元的數據，一旦發現出錯就將其糾正．該方法可以檢錯和糾錯，但是編碼冗余信息本身沒有自我保護能力，如FPGA本身發生單粒子翻轉，則數據處理功能會出現異常，因此該方法不能用于SRAM-FPGA片內容錯設計．

圖2 文中設計方法的原理框圖

(4) 配置文件回讀方法．為了盡量克服上述3種方法的不足，文中采用配置文件回讀的方法，利用Xilinx SRAM-FPGA在正常工作時可回讀配置文件，不影響FPGA正常工作的特點，提出了一種對Xilinx FPGA的配置文件進行回讀并校驗，一旦發現校驗出錯，則重新加載配置文件，消除單粒子翻轉影響的方法，最大程度地降低了單粒子翻轉對衛星通信系統的影響，同時具有很高的實時性，并占用最少的硬件資源．

WU Tao, QIN Fen, LUO Liefeng, et al. Research on the Design of Single-event Upset for Space Spread Spectrum Transponder[J]. Digital Technology and Application, 2015, 4: 140-141.

回讀Xilinx FPGA配置文件有兩種模式，一種為選擇地圖(SelectMAP)模式，另一種為聯合測試工作組(Joint Test Action Group，JTAG)模式．SelectMAP模式采用并行模式讀取數據，讀配置文件的速度較快，但采用該模式FPGA的某些引腳必須作為SelectMAP模式的專用引腳，FPGA引腳被占用得比較多．而JTAG模式采用串行模式讀取數據，雖然讀配置文件的時間比較長(采用 1 MHz 的時鐘，回讀配置文件的時間為 2 s 左右)，但FPGA被占用的引腳僅為4個，考慮到單粒子翻轉的概率較低，2 s 的時間間隔已經足夠短，可以滿足衛星通信系統對數據可靠性的要求，同時又可以減少對硬件資源的占用，因此，文中采用JTAG模式回讀配置文件．

“什么是今天該有的男性氣質”,《人民日報》評論員如是發問。是傳統意義上的“金戈鐵馬”的豪情壯志,亦或是大行其道的“桃面柔膝”？而依我之見，正氣凜然，剛健勇毅的精神風貌，方才是今日中國男兒所應該追求的。

2 單粒子翻轉率預估

為了掌握家長參與家園共育的狀況，筆者在濟南市歷城區范圍內隨機選擇了180位幼兒家長作為調查對象。其中，個體工商戶11人，占6.11%；公司職員37人，占 20.56%；工人 112人，占 62.22%；干部 8人，占4.44%；醫生2人，占1.11%；從事其他職業的10人，占5.56%。本次調查發放問卷180份，回收有效問卷180份。調查數據統計與處理的結果顯示，當前家長參與家園共育的情況不容樂觀。筆者圍繞家長對家園共育內涵的理解、參與家園共育的意愿、參與家園共育的身份和參與家園共育活動的形式等方面對家長參與家園共育的現狀進行了梳理。

FOM方法基于簡化的軌道線性能量轉移(Linear Energy Transfer，LET)譜，軌道翻轉率R的計算公式為

R=CFFOM,

(1)

其中，C是翻轉率系數，單位為upset/(d.bit)，是一個與軌道傾角、高度、粒子種類、屏蔽層厚度和器件敏感度(普通器件或加固器件)有關的系數;FFOM是一個無量綱的參數，表征器件的單粒子翻轉敏感度．對于重離子或質子數據，FFOM的計算公式如下:

FFOM=σHL/(L0.25)2,

(2a)

依據膳食寶塔的推薦，孕婦可以通過“固定食物法”來保證營養搭配的均衡，既保證營養的充足，同時又可以自由選擇食物，使孕期飲食豐富多彩。“固定食物法”就是把一些食物種類相對固定，每天保證這些食物種類的攝入。可以固定的食物種類是：

圖3 Xilinx Virtex XQVR300 bit翻轉截面和LET關系圖

[6] SHEN Z T, FENG C Q, GAO S S, et al. Study on FPGA SEU Mitigation for the Readout Electronics of DAMPE BGO Calorimeter in Space[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2015, 62(3): 1010-1015.

L0.25=L0+W×0.288(1/S)．

(3)

圖3給出Xilinx公司在地面對Virtex XQVR300 FPGA進行單粒子翻轉測試的結果圖．從圖中可以看出，重離子飽和截面σHL為 8× 10-8cm2/bit，weibull擬合參數L0= 1.2，W=30，S=2．則根據式(2a)可以計算出FFOM= 2.673 1× 10-10．

筆者對Xilinx SRAM-FPGA單粒子翻轉問題進行深入研究，在綜合考慮衛星通信系統設計的實際條件基礎上，提出了一種SRAM-FPGA抗單粒子翻轉方法，并成功應用于某衛星通信系統，最大程度提高了該衛星通信系統的可靠性; 同時對SRAM-FPGA單粒子翻轉率預估方法進行研究，通過將預估數據與在軌實測數據進行比較分析，證明了使用FOM方法預估SRAM-FPGA單粒子翻轉率的正確性，同時反推出實際飛行軌道的單粒子翻轉率系數，為其他SRAM-FPGA、存儲器等加固芯片的單粒子翻轉率預估提供支撐數據，為我國衛星通信系統可靠性研究和設計提供參考．

3 在軌單粒子翻轉數據分析

文中使用兩片Xilinx 公司的SRAM Virtex XQVR300 FPGA，分別對兩條獨立衛星通信鏈路的數據進行處理，使用文中設計的抗單粒子翻轉方法最大程度地保證了衛星通信系統的可靠性．下面對2014年11月至2016年4月間(507天)，兩片Virtex XQVR300 FPGA的遙測數據進行統計分析，遙測數據中包括每片FPGA單粒子翻轉的次數和單粒子翻轉時衛星星下點的經緯度．

圖4 2014年11月至2015年8月FPGA單粒子翻轉次數和位置 圖5 2015年9月至2016年4月FPGA單粒子翻轉次數和位置

[4] JASON J. Fault-tolerant Sequencer Using FPGA-based Logic Designs for Space Applications[D]. Monterey: Naval Postgraduate School, 2013: 9-96.

(1) 單粒子翻轉事件主要出現在南大西洋和南美洲上空的地磁異常區; 北極和南極地區也會出現單粒子事件，但是出現概率遠小于南大西洋和南美洲地區;

實值RBM模型相對于二值RBM模型就是將評分數據表示為多維度的0、1向量，以滿分5分為例，則在表示評分的向量中第五行為1向量，其他行都為0向量，沒有評分即所有的行都為0表示，此方法雖然會在一定程度上導致數據量變大，但是可以很有效地解決多評分問題。具體實值RBM模型如圖1所示。

(2) 兩片FPGA由于單粒子導致的翻轉次數分別為101次和98次，FPGA1翻轉率約為 101/ 507= 0.199 2 device/day，FPGA2翻轉率約為 98/ 507= 0.193 3 device/day，與前文預估的翻轉概率 0.214 0 device/day 很接近，考慮到預估計算時使用的文獻中軌道翻轉率系數C的軌道參數與文中實際的軌道參數有一定的不同，因此該實測結果可以證明，使用FOM方法預估SRAM-FPGA單粒子翻轉率是正確可行的，后續可通過SRAM-FPGA地面測試數據和FOM方法預估在軌單粒子翻轉率;

(3) 根據文中的實測數據可以反推出軌道高度為 836.4 km、傾角為98.7°的太陽同步軌道的軌道翻轉系數為442.22，該翻轉系數可以用于預估其他SRAM-FPGA、存儲器等加固芯片的單粒子翻轉率．

4 結 束 語

文獻[13]中使用質子加速器、重離子加速器等進行地面測試，估計軌道高度為 870 km、傾角為98.9°的太陽同步軌道衛星的軌道翻轉率系數C為475.12．文中研究的Virtex XQVR300 FPGA同樣也應用于太陽同步軌道，衛星的軌道高度為 836 km、傾角為98.7°，考慮到文獻中的軌道參數與筆者實際應用的軌道參數比較接近，可以先使用文獻中預估的軌道翻轉率系數C，以及Virtex XQVR300 FPGA的地面測試數據，根據式(1)預估Virtex XQVR300 FPGA，在文中應用軌道上的單粒子翻轉率R= 0.214 0 device/day．

參考文獻：

錯誤的種類應當分為實體錯誤和程序錯誤兩種，在之前的實務操作中，大眾更多地是關注實體錯誤，從而忽視了程序錯誤帶來的危害。現今，更多的民眾和學者已經意識到程序錯誤在某種程度上或者在某種環境中比實體錯誤造成的后果更加嚴重，因為程序錯誤在觀念上的惡劣影響更為內化和深遠。

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該方法使用一片Actel FPGA(愛特公司反熔絲工藝FPGA對單粒子翻轉免疫)作為檢測芯片，回讀Xilinx FPGA的配置文件并進行校驗，實時檢測Xilinx FPGA內的配置文件是否發生單粒子翻轉，一旦發現校驗出錯，就自主控制可編程只讀存儲器(Programmable Read Only Memory，PROM)對發生翻轉的Xilinx FPGA配置文件重新進行加載，確保Xilinx FPGA內配置文件的正確性．由于Xilinx FPGA配置文件中存放的是FPGA所有資源的配置信息，包括設計中未使用的資源．此類資源配置信息的翻轉并不會影響FPGA的功能，因此增加一片PROM芯片存放屏蔽位文件，該文件專門對設計中未被使用資源的配置信息進行標注．通過對該文件的分析，可以僅對設計中使用資源的配置信息做校驗．圖2給出文中設計方法的原理框圖，采用這種方法能快速檢測到單粒子事件的發生，并將單粒子事件造成的影響降到最低．

圖4和圖5中給出兩片Virtex XQVR300 FPGA單粒子翻轉的次數和星下點位置．圖4中FPGA1單粒子翻轉52次，FPGA2單粒子翻轉50次；圖5中FPGA1單粒子翻轉49次，FPGA2單粒子翻轉48次．從圖中可以得出如下結論:

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其中，σHL是重離子飽和截面;σPL是質子飽和截面，如果用單位device/day，則得到的是整個器件的參數，如果用cm2/bit，則得到的是每位的參數;L0.25為飽和截面的25%對應的LET值，可以通過威布爾(Weibull)擬合參數L0、W和S計算:

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第一，優化監督制度。均衡配置自上而下、平行監督、自下而上的三重監督權力，破除信息不對稱的固有障礙，降低政府機會主義的主觀愿望。

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單粒子翻轉率預估[9-16]是以地面環境模擬實驗為基礎，結合衛星在軌粒子分布，預估在軌芯片的單粒子翻轉率．目前，國內外已有學者使用FOM方法來預估SRAM存儲芯片的單粒子翻轉率，預估出了特定軌道單粒子翻轉率系數，但還沒有預估SRAM-FPGA單粒子翻轉率的研究論文．由于SRAM存儲芯片與SRAM-FPGA的單粒子翻轉原理一致，因此提出使用FOM方法來預估SRAM-FPGA單粒子翻轉率，并將預估數據與在軌實測數據進行比較分析．

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應力控制下的肢體創傷修復、畸形矯正與再生重建，是21世紀骨科學發展的大趨勢，中國在這個新興學科領域已經由跟跑者成為領跑者之一。秦泗河教授牽頭申辦成功“第六屆世界外固定肢體延長與重建大會”主辦權（2023-北京），屆時將有上百個國家的代表匯集北京共鑲盛會。為在這個學科領域培育國際化青年才俊，推動中國四肢矯形骨科在世界上的地位，秦泗河教授決定，在全國范圍招收青年骨科進修醫生。

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手機的短信提示聲響了，高潮掏出手機一看，是“詩的妾”發過來的：老公，妾睡不著。高潮看了看手機上的時間，已是十一點多了。高潮想了想，回復“詩的妾”：草坪湖畔月下，蟲鳴狼嚎風颯，苦惱人未歸家。

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SRAM-FPGASEUmitigationmethodandprediction

GUOQiang1，LIUBo2，SIShengping2，LIUHui2，JIANGYingfu2，ZHANGHeng2

(1. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China；2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)

In order to solve the problem of Xilinx SRAM-FPGA Single Event Upsets(SEU) in the satellite communication system, we design a less hardware resource and high timeliness method of using the Actel FPGA as the detecting chip. The PROM chip stores the mask bit, reads the Xilinx FPGA configuration file through JTAG and verifies the error. Then it reloads the configuration file to eliminate the SEU effect. The method is successfully applied to a satellite communication system. In order to calculate the reliability of the satellite communication system, the FOM method is used to predict the SEU rate in SRAM FPGA. The results show that this method can be used to calculate the SEU rate in the orbit. And the results can be used to predict the SEU rate in the other SRAM FPGA and Memory, and to provide reference for reliability research and design of China's satellite communication system.

static random access memory-field programmable gate array; single event upsets;single event upset mitigation method; single event upset rate prediction

2017-03-15

時間：2017-06-29

郭 強(1983-)，男，工程師，碩士， E-mail：qguo1218@qq.com．

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20170629.1735.040.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2018.01.020

V443+.1

A

1001-2400(2018)01-0112-05

(編輯： 王 瑞)