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[视图资料] (文献摘录)空间星载计算利器:龙芯X 微处理器抗辐射加固设计技术

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CDer:000025036
发表于 2015-7-29 00:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 matrix2388 于 2015-7-29 00:38 编辑

       龙芯X微处理器芯片是一款集成了中央处理器、存储控制器、PCI控制器、周边元件扩展接口、通用输入/输出控制器、中断控制器、串行外围设备控制器、串行通讯总线控制器等丰富功能的SOC芯片.芯片采用32位MIPS龙芯自主知识产权处理器核LS232,并从多个层面对芯片进行抗辐照加固,包括环栅版图加固、guard-ring版图加固、时空三模冗余加固、DICE结构存储、EDAC算法加固等,使芯片能够适应各种复杂空间环境的应用需求.龙芯X芯片工作频率为100 MHz,总剂量抗辐照指标300 krad(Si)以上,单粒子GEO轨道翻转率小于1.90362×10-5/设备/天。

      随着科学技术的发展, 卫星航天系统的电子化、智能化、自动化水平不断提高, 对电子元器件提出了更高的要求. 尤其是作为主控单元的微处理器芯片, 是整个系统运行的核心部件, 不仅要稳定可靠地进行运算和任务处理, 而且要能够适应空间复杂的辐照环境. 因此, 发展具有高性能、强抗辐照能力
的微处理器芯片是空间战略发展的关键.航天电子产品使用的环境与地球上的环境有很大不同. 这些电子系统不断受到高能等离子体、粒子和其他来自太阳和银河系的辐射形式的轰击, 可能会造成电子系统的不稳定, 异常, 甚至完全失效,严重威胁了太空船、卫星、太空宇航探索的安全性. 与此同时, 卫星元器件的市场与消费微电子市场相比非常小, 集成电路生产商没有多少动力来开发专门用于航天应用的器件. 几十年来, 只有几家美国公司通过对工艺步骤和材料的改进, 开发了用于生产抗辐照加固电子产品的制造工艺. 通过这些工艺生产出的抗辐射器件比同类商业器件更加昂贵, 抗辐照能力大大加强, 而在处理速度、功率和尺寸上往往落后好几代。

      研究电子器件的抗辐照加固技术, 首先要了解抗辐照集成电路的辐射环境, 主要包括空间自然辐射和人工诱导辐射.

     空间自然辐射包括地球辐射带电粒子和宇宙射线, 影响范围包括整个电磁空间.地球辐射带是指存在于地球周围的高能带电粒子集中区域, 如图S11)所示, 是由美国学者VanAllen 根据卫星的空间粒子探测结果发现的, 是指近地空间内, 大量带电粒子在地磁场的作用下, 始终在地磁场的“捕获区” 运动. 根据俘获粒子分布空间位置的不同, 分为内辐射带和外辐射带. 内辐射带在地平面上约1000  6000 km 高度, 主要由质子和电子组成, 电子能量为几百keV, 质子能量超过100 MeV; 外辐射带在空间范围向外延伸, 达到13000  60000 km, 主要成分是电子, 能量高达0.1 10 MeV.宇宙射线分为银河宇宙射线和太阳宇宙射线, 主要是来自太阳系以外的银河以及太阳系内部的高能带电粒子流. 高能带电粒子在进入地球磁层后, 在地磁场的作用下改变运行轨迹, 因此地磁场对宇宙射线起到了天然屏蔽作用. 但是在地磁场外部空间, 宇宙射线对电子元器件的可靠性有着很大影响. 银河宇宙射线主要成分包括质子(84.3%)、阿尔法粒子(14.4%) 以及重离子核, 射线的能量在0.1 10 GeV 之间. 由于LET 在37 MeVcm2/mg 以上的重离子核含量较少, 空间辐射需要着重考虑37 MeVcm2/mg 以下的粒子.当太阳发生耀斑等剧烈运动时, 会向外发射宇宙射线, 主要为高能粒子, 还包括少量的阿尔法粒子、重粒子、电子等. 另外, 高空核爆也会人工产生大量高能粒子流, 并在一定的空间范围内产生持续的辐射影响.

      辐射环境作用于电子设备可对其性能产生不同程度的影响, 甚至使其永久失效. 对于集成电路器件, 辐射粒子与硅材料之间主要有4 种相互作用, 包括位移损伤效应、总剂量效应、瞬时电离辐射效应和单粒子效应.位移损伤效应是指高能辐射进入半导体材料, 使半导体材料的原子离开原晶格位置而转移到别的位置上. 高能粒子或高能辐射造成的次级粒子, 与物质晶格原子核发生弹性碰撞, 将其一部分能量传递给晶格原子. 当传递能量大于晶格原子的位移阈能时, 晶格原子获得动能而离开原来位置, 转移到别的位置上而成为间隙原子, 原来的晶格位置缺一个原子形成空位. 晶格原子的位移损伤形成的缺陷中心使半导体材料的电学性能发生改变, 导致器件电参数特性退化. 位移损伤对器件的影响是永久性的, 随着工艺尺寸的不断降低, 芯片内的器件密度增大, 位移损伤效应的敏感性不断增大.总剂量效应是指光子或高能离子在半导体材料中电离产生电子空穴对. 电子空穴随即发生复合、扩散和漂移, 最终在氧化层中形成氧化物陷阱电荷或者在氧化层与半导体材料的界面处形成界面陷阱电荷, 使器件的电气性能发生变化, 甚至器件失效.瞬时电离辐射效应主要来自于核爆时康普顿(Compton) 效应产生的瞬时电磁波脉冲, 脉冲宽度在几十纳秒, 强度为50  100 kV/m. 地面核爆电磁脉冲伤害在几十千米范围内, 在几百千米内可以测到; 高空核爆对距离则不敏感, 从爆点向地球所有方向的强度基本为几十千伏/米. 强电磁脉冲与半导体材料相互作用, 产生大量的电子空穴对, 影响器件的电气特性, 并通过管脚耦合到电路内部, 对电子元件造成损伤.

      单粒子效应是指电子元器件受到辐射, 高能粒子与半导体材料相互作用, 在器件的灵敏区产生大量带电粒子, 引发器件错误.对于抗辐照加固设计, 需要考虑辐照环境中电子元器件两种主要的辐射效应, 即总剂量效应和单粒子效应, 其他两种辐射效应主要通过材料和屏蔽等系统级防护进行保护.

       猎豹截图20150729002445.jpg

      龙芯X 是基于GS232 处理器核的高性能应用处理器SoC. 龙芯X 提供中断控制器、定时器、RS232串口控制器、浮点处理器、PCI 和存储器接口(存储器接口支持SDRAM 和Flash ROM). 龙芯X 的体系结构框图如图所示. 龙芯X 芯片内部顶层由AHB 和APB 总线开关互连, 其中GS232, EMI,PCI 通过AHB 总线互联; I2C, SPI, UART, WDT 等低速设备通过APB 总线连接到系统. 龙芯X 采用商用1.8 V/3.3 V 180 nm 体硅工艺, 芯片面积1.0 cm  1.0 cm, 工作频率可达100 MHz.对于电子元器件进行抗辐照加固, 需要在多个方面进行抗辐照考虑, 综合使用不同的加固方法实现, 实现器件的可靠加固. 对于龙芯X 抗辐照设计, 主要通过电路设计层、物理实现层、系统结构层、软件应用层4 个层次进行抗辐照加固设计。

      电路设计层主要是通过电路结构和版图布局对龙芯X 进行基础加固设计, 是整个抗辐照加固设计的核心.
       猎豹截图20150729002653.jpg

      从IEEE 资料可以看出, 时序逻辑触发器、锁存器电路以及SRAM 中的Cell 存储阵列电路占到辐射失效总比例的89%, 静态组合逻辑只有11%. 虽然辐射造成的单粒子失效可以从算法级进行恢复, 但是当每个数据组内同时发生的多位单粒子失效概率增大时, 这种方法在绝对意义上失效, 在统计意义上可靠性降低. 通过特殊的电路设计, 使得每个数据位电路对单粒子失效都免疫, 再辅以算法上的数据纠错和恢复, 就可以做到较高的可靠性.

       猎豹截图20150729002924.jpg

      综合使用电路和版图加固设计方法, 对器件的尺寸进行抗辐照设计优化设计完成了标准单元库, 包括43 个标准单元、6 个IO 单元、1 个单端口SRAM. 此外, 还设计了用于布局布线的填充单元、天线防护单元等. 设计原则是用较少的单元种类和数量, 满足基本的逻辑需要和驱动能力需求,保证比较高的单元质量, 进而保证龙芯X 整体的抗辐照性能.
      
       猎豹截图20150729003001.jpg

      系统结构层加固主要包括错误检测与修复, 常用的错误检测方法包括奇偶校验、状态检查、控制逻辑的本地冗余等, 复杂的错误检测与修复机制会消耗大量的逻辑, 且检测逻辑通常处于关键路径上,制约整体处理器的性能.基于可靠性与性能的综合考虑, 龙芯X 采用最简单有效的检错纠错机制, 对存储模块采用奇偶校验或者ECC 保护, 包括L1 Data Cache, L1 Instruction Cache, L2 Cache, TLB 等, 同时对系统总线和接口总线也添加ECC 保护.常用的EDAC 编码包括Hamming, Reed-Solomon, BCH 等. 龙芯X 使用了Hamming 码和RS 码进行检错与纠错的加固.
      

     软件应用层加固主要是通过系统内核和软件, 屏蔽底层硬件结构无法抵抗的错误, 从而进一步提高整个系统的抗辐照能力.龙芯X 处理器芯片支持多种中断, 中断的正确处理对龙芯X 的正常运行至关重要. 龙芯X 在实际任务中可能只使用少量模块和对应的中断, 此时在中断寄存器位域中可以对未使用的中断源进行屏蔽, 但是在极端辐照条件下, 若中断使能寄存器一些位被打翻, 即中断使能位从不接收中断到可以接收中断的状态, 龙芯X 去处理这些未使用模块的中断时, 可能引发一些异常. 例如, 当PCI 设备没有被使用, 但是中断使能位被打翻时, 则会收到PCI 设备发送的中断, 但是PCI 没有数据需要处理, 所以当龙芯X 去处理该中断时就会引发异常.另外, 对于使用中的模块, 如果中断状态引脚被打翻, 有可能造成中断频发, 导致此模块一直抢占中断资源, 造成优先级比较低的中断一直得不到响应.因此在系统内核中, 需要考虑极端辐照环境, 对中断进行合理的响应. 对于未使用的模块, 若检测到其中断使能, 内核不去处理对应中断, 而是将中断使能位清零, 使内核不受此类中断的影响; 对于短时间内频繁出现中断的模块, 则重启该模块, 并降低其中断优先级, 将中断使能位屏蔽改为轮询的方式执行该模块相关操作.

      
       猎豹截图20150729003242.jpg

      本文对龙芯X 微处理器的抗辐照加固进行了深入的分析, 包括环栅版图加固、guard-ring 版图加固、时空三模冗余加固、DICE 结构存储、EDAC 算法加固等. 抗辐照试验结果表明, 综合采用多层次的抗辐照加固方法可以较好的对芯片进行保护, 使得芯片能够适应复杂空间环境的应用需求.本文对180 nm 体硅工艺的CPU 抗辐照加固技术进行了研究. 随着体硅工艺尺寸的不断减小, 栅氧厚度不断减小, 总剂量辐照效应的累积效果将逐渐减弱, 但单粒子效应由于节点电容的减小而日益明显, 尤其是SET 效应引发的功能问题将日益严重, 并出现多位翻转的情况. 现有的时空三模冗余技术对时间延迟和空间版图的损耗在高性能CPU 设计的要求下将变得无法承受, 给抗辐照加固设计带来新的挑战.
      另外, SOI 工艺技术给芯片的抗辐照加固提供了一个新的方向. 相较于体硅技术, SOI 工艺对单粒子锁定效应完全免疫, 并且能够大幅度提高芯片的抗单粒子翻转能力. 但是SOI 工艺也面临着总剂量效应显著的问题, 需要针对性的研究SOI 工艺抗辐照加固的方法。


文献摘录自中国科学: 信息科学2015 年第45 卷第4 期

      
     
      

      
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发表于 2015-7-29 01:07 | 显示全部楼层
这东西去掉那些专门为空间环境所做的加固设计,改用民标制造,就是一个现成的PLC{:soso_e179:}{:soso_e179:}
请问@matrix2388 老兄,现在俄罗斯有自己的PLC吗?性能如何?
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