Методы и средства прогнозирования стойкости ПЛИС к воздействию радиационных факторов космического пространства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Бобровский, Дмитрий Владимирович

• Бобровский, Дмитрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бобровский, Дмитрий Владимирович

Введение. Общая характеристика работы.

Глава 1. Обзор современных классов ПЛИС. Радиационные эффекты, возникающие в ПЛИС.

§ 1. Современные классы ПЛИС.

§ 2. Радиационные эффекты в ПЛИС при воздействии факторов космического пространства.

§ 2.1 Дозовые радиационные эффекты в ПЛИС.

§ 2.1.1 Дозовые радиационные эффекты в ПЛИС типа БРвА.

§ 2.1.2 Дозовые радиационные эффекты в ПЛИС типа СРЬБ.

§ 2.1.3 Дозовые радиационные эффекты в ПЛИС типа АпйАке.

§ 2.2 Эффекты в ПЛИС от отдельных ядерных частиц.

Выводы.

Глава 2. Методы и средства радиационных испытаний ПЛИС.

§ 1 Средств радиационных испытаний ПЛИС к дозовым и одиночным эффектам.

§ 2 Методы функционального контроля при проведении радиационных. экспериментов. Сравнение методов тестирования.

§ 3 Метод "Независимого функционального контроля базовых элементов ПЛИС" при испытаниях стойкость к дозовым радиационным эффектам.

§ 4 Универсальные структуры для тестирования элементарных блоков ПЛИС при реализации метода независимого функционального контроля.

Выводы.

Глава 3. Экспериментальная оценка эффективности метода независимого функционального контроля ПЛИС.

§ 1 Объекты сравнительного исследования.

§ 2 Состав прошивки при сравнительном исследовании.

§ 3 Результаты сравнительного исследования.

§ 4 Результаты экспериментальных исследований ПЛИС различных классов.

Выводы.

Глава 4. Метод оценки сечения одиночных событий функционального отказа ПЛИС при воздействии ОЯЧ.

Выводы.

Глава 5. Аппаратно-программный комплекс для проведения радиационных исследований ПЛИС.

§ 1 Требования к комплексам для тестирования ПЛИС.

§ 2 Аппаратные комплексы тестирования ПЛИС.

§ 2.1 Промышленные комплексы ФК СБИС.

§ 2.2 Универсальное устройство ФК при проведении радиационных испытаний.

§ 2.3 Универсальная система функционального контроля на аппаратной платформе National Instruments.

§ ЗПринципы построения программного обеспечения для тестирования ПЛИС.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства прогнозирования стойкости ПЛИС к воздействию радиационных факторов космического пространства»

Диссертация направлена на решение научно-технической задачи разработки методов и средств прогнозирования стойкости ПЛИС (Программируемая логическая интегральная схема) к воздействию радиационных факторов космического пространства (эффекты накопленной дозы и одиночные эффекты от воздействия отдельных ядерных частиц).

Актуальность темы диссертации

Космические аппараты в процессе эксплуатации подвергаются воздействию различных внешних факторов, в том числе - радиационных. С увеличением срока активного существования космического аппарата на орбите возрастает роль радиационных отказов интегральных схем, входящих в его состав.

На современном этапе развития электроники в области работы с информацией приоритет отдается цифровым схемам. Это связано со следующими преимуществами:

1) Программируемость, возможность выполнения различных задач в зависимости от загруженной программы. Изменение выполняемых функций во время работы системы, гибкость.

2) Стабильность работы, независимость результатов обработки данных от температуры (в допустимых пределах), старения. Повторяемость работы цифровых устройств, в отличие от аналоговых, где на работу схемы влияют допуски компонентов.

3) Большое разнообразие алгоритмов обработки цифровой информации (фильтры, преобразования, совмещения и т.д.).

Технические и эксплуатационные характеристики перспективных систем управления и контроля во многом обусловлены техническим уровнем входящих в их состав ПЛИС - электронных узлов, в базисе которых реализуется большинство интерфейсных контроллеров, участвующих в передаче и обработке информации на борту космического аппарата между процессорными модулями. Кроме того повышение логической емкости ПЛИС в настоящее время позволяет реализовывать на одном кристалле десятки процессорных ядер или микроконтроллеров. При этом возможна оптимизация процессора или микроконтроллера по выполняемым командам, что позволяет сократить потребляемую мощность и повысить тактовую частоту по сравнению с типовыми микроконтроллерами.

В связи с этим актуальной является задача прогнозирования радиационной стойкости ПЛИС, работающих в условиях внешних радиационных факторов космического пространства.

Дозовые радиационные эффекты в ПЛИС, как и в других классах ИС, проявляются как сбои и отказы, которые следует разделять на два вида: параметрические и функциональные. К параметрическим относятся отказы, связанные с изменением характеристик транзисторов в составе ИС, приводящих к изменениям в макропараметрах самой ИС, таких как напряжения входных и выходных логический уровней, статический и динамический токи потребления, временные параметры (время переключения триггера, задержки распространения сигнала). К функциональным сбоям и отказам относят такие события, которые влияют или потенциально могут повлиять на работу отдельного функционального блока или устройства в целом.

В настоящее время преобладает мнение, что доминирующими радиационными эффектами в СБИС являются параметрические отказы, которые определяются высокой степенью интеграции и, следовательно, значительным интегральным вкладом в характеристики СБИС даже небольших изменений характеристик базового элемента (транзистора). Из этой предпосылки следует выбор критериальных параметров, определяющих стойкость СБИС -статического и динамического токов потребления. На контроле этих параметров базируется большинство существующих методик радиационных экспериментов. Такие методики предполагают также проведение упрощенного ФК, характеризующегося низкой вероятностью обнаружения функциональных отказов.

Задачи параметрического контроля ПЛИС, как правило, не являются специфическими - измерение статических и динамических токов потребления, входных и выходных напряжений логических уровней и т.д. выполняется теми же методами и техническими средствами, что и для других классов микросхем. В то же время, функциональный контроль (ФК) представляет собой сложную специфическую задачу, определяющую трудоемкость подготовки испытаний. Это связано с большим количеством ресурсов ПЛИС и их разнообразием (LUT, триггеры, блочная память мультиплексоры и т.д.), а также их взаимосвязью между собой посредством программируемых межсоединений.

Однако большое количество проведенных автором радиационных испытаний ПЛИС показывает, что во многих случаях именно функциональные отказы являются доминирующими и определяют уровень радиационной стойкости ПЛИС. Это связано с функциональной сложностью микросхем и разнообразием блоков, входящих в её состав. Поэтому методики радиационных испытаний ПЛИС должны в обязательном порядке включать развернутые процедуры ФК, обладающие высокой диагностической способностью. Полный функциональный контроль всех логических элементов, входящих в состав ПЛИС, требует огромных временных затрат как на подготовку тестовых прошивок, так и на проведение эксперимента. Подготовка тестовых векторов, обеспечивающих полный функциональный контроль, может занимать несколько месяцев, а сам функциональный контроль - минуты. Кроме того, время облучения должно более чем на порядок превышать время полного цикла тестирования, это определяется, во-первых, 10% погрешностью определения уровня функционального сбоя, во-вторых, отжигом микросхемы во время измерения параметров без воздействия. [45].В условиях ограниченного времени подготовки эксперимента, ограниченного количества образцов и с учетом соотношения времен проведения функционального контроля и облучения не представляется возможным применение метода полного функционального контроля всех логических элементов, входящих в состав ПЛИС. Упрощенные методы функционального контроля не позволяют достоверно определить' отказавший блок из-за ограниченности покрытия тестов по функциональным блокам и их взаимного влияния. Универсальные прошивки, включающие в свой состав различные функциональные блоки ПЛИС, позволяют достоверно определить момент функционального отказа, но не позволяют определить, какой именно блок отказал.

В связи с этим актуальной является задача сокращения, как времени подготовки ФК ПЛИС, так и времени проведения процедуры ФК без потери достоверности обнаружения функциональных отказов. Решение этой задачи основывается на исследовании закономерностей радиационного поведения ПЛИС, анализе архитектурных особенностей ПЛИС, разработке эффективных методов, алгоритмов, методик и аппаратно-программных средств ФК при проведении радиационного эксперимента.

Регулярность структуры ПЛИС и сходное архитектурное строение ПЛИС одного класса позволяет построить библиотеку тестовых блоков для осуществления функционального контроля всех примитивов ПЛИС. Разработка средств и методов ФК предполагает индивидуальный подход к процедуре выбора примитивов исходя из доступных ресурсов, и в соответствии с ним - построение тестовой прошивки из библиотечных блоков. Тестовые блоки должны формироваться таким образом, чтобы, во-первых, максимально использовать ресурсы ПЛИС, во-вторых, каждый блок должен тестировать только один тип примитивов, в-третьих, чтобы была возможность измерять динамические параметры примитива. Использование интегрального подхода для измерения динамических параметров, при котором оценивается не деградация отдельного элемента, а суммарная деградация большого количества однотипных элементов, позволяет снизить требования к измерительной аппаратуре и повысить точность измерений.

Ресурсы современных ПЛИС включают в себя миллионы логических вентилей, большие объемы пользовательской памяти и разнообразные периферийные блоки. На базе одного кристалла ПЛИС можно реализовывать несколько процессорных ядер, как на стандартных логических ресурсах, так и с использованием аппаратных процессорных ядер типа Ро\уегРС-405 (ПЛИС У^ех-4 ф. ХШпх). Все это, а также большое разнообразие используемых корпусов и тактовые частоты, достигающие 500 МГц, накладывает ограничения на аппаратуру ФК по количеству линий ввода/вывода и быстродействию. 7

При изучении локальных радиационных эффектов, вызванных воздействием отдельных ядерных частиц, основное внимание уделяется двум: тиристорному эффекту и прерыванию функционирования, связанному с нарушением конфигурации ПЛИС из-за одиночных сбоев в конфигурационной памяти. Как правило, при разработке устройств в базисе ПЛИС не используется 100 % её ресурсов, кроме того существует возможность применения схем резервирования. Следовательно, количество функционально чувствительных ячеек конфигурационной памяти (ячейки, сбои в которых приводят к функциональному отказу устройства) меньше полного её объема, а сечение функционального прерывания становится меньше полного сечения функционального сбоя конфигурационной памяти ПЛИС. Так как в современных ПЛИС типа FPGA сбои в конфигурационной памяти неизбежны и существуют решения, позволяющие с определенной периодичностью восстанавливать конфигурацию без прерывания работы ПЛИС, то важно оценивать именно параметр «сечение функционального прерывания». Одиночное событие функционального прерывания (Single-event Functional Interrupts (SEFI)) - такое нарушение функционирования ПЛИС, для восстановления которого требуется перезагрузка конфигурационной информации.

При разработке устройства возможны десятки вариантов его реализации, различающиеся количеством функционально чувствительных ячеек конфигурационной памяти. Экспериментально проверять каждую реализацию и выбирать оптимальную не представляется возможным, поэтому актуальной является задача разработки расчетно-экспериментального метода оценки сечения функционального отказа ПЛИС, основывающегося на одном эксперименте по оценке сечения одиночных сбоев всей конфигурационной памяти и на расчетной оценке сечения функционального отказа конкретной реализации устройства. Решению указанных задач посвящена диссертационная работа.

Состояние исследований по проблеме.

Научно-методическому обеспечению проведения испытаний СБИС на стойкость к воздействию радиационных космических факторов посвящены работы д.т.н. Чумакова А.И., к.т.н. Яненко А.В. (каф. 3, НИЯУ МИФИ). Вопросы разработки, изготовления и развития ПЛИС для космического применения представлены в трудах Быстрицкого A.B., Цыбина С.А. (КТЦ «Электроника», г. Воронеж). Однако в этих трудах практически не рассматривались методы функционального контроля ПЛИС при проведении радиационных испытаний.

Проектированию систем на кристалле и способам повышения производительности и снижения энергопотребления посвящены многочисленные работы Шагурина И.И., Шалтырева В.А. (каф. 27 НИЯУ МИФИ).

Вопросам диагностического неразрушающего контроля однократно программируемых ПЛИС ф. Actel, основанного на накоплении статистики результатов измерений тока потребления по партиям ПЛИС, посвящены работы Краснова М.И.(ОАО «Российскиекосмические системы»).

Функциональному и параметрическому контролю ПЛИС, а также эффектам, возникающим в ПЛИС при воздействии радиационных факторов, посвящены многочисленные работы зарубежных ученых (BuchananNJ., Gingrich D.M., Green P.W., MacQueen D.M, Fabula J., Wang JJ, Sterpone L., Violante M.).

Вопросам ФК функционально-сложных СБИС посвящены многочисленные работы к.т.н. Калашникова O.A., к.т.н. Некрасова П.В., к.т.н. Демидова A.A. (каф. 3, НИЯУ МИФИ). Эти работы посвящены преимущественно микропроцессорным СБИС и не учитывают особенностей ПЛИС.

Большинство научных работ по теме функционального контроля при проведении испытаний на стойкость к воздействию факторов космического пространства фактически сводятся к описанию результатов тестирования ПЛИС с примитивной тестовой прошивкой и контролем электрических параметров схемы, по результатам которых определяется уровень стойкости. Или же говорится о полном функциональном контроле с использованием данных производителя ПЛИС, недоступных в открытых источниках. В настоящее время нет четкой методики функционального контроля ПЛИС при проведении испытаний на стойкость к воздействию радиационных факторов космического пространства. Не обоснован выбор функциональных блоков для тестирования ПЛИС в процессе проведения радиационного эксперимента.

Имеющиеся на момент начала работы аппаратно-программные средства радиационного эксперимента не обеспечивали возможности полноценного автоматизированного управления, функционального контроля и диагностирования отказов и сбоев ПЛИС в реальном времени непосредственно в процессе облучения.

Таким образом, возникла необходимость структурировать методы функционального контроля ПЛИС, определить оптимальный метод оперативного ФК в процессе испытаний ПЛИС на стойкость к воздействию радиационных факторов космического пространства, разработать методику подготовки и проведения ФК ПЛИС, а также программно-аппаратные средства для контроля современных ПЛИС в условиях воздействия факторов космического пространства.

Цель диссертации: разработка методов и средств прогнозирования стойкости ПЛИС к воздействию радиационных факторов космического пространства.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- теоретический анализ и экспериментальные исследования основных закономерностей и доминирующих механизмов функциональных отказов ПЛИС при воздействии радиационных факторов космического пространства;

- анализ и развитие существующих методов функционального контроля ПЛИС и оценка их эффективности;

- разработка новых и совершенствование существующих методических и технических средств испытаний ПЛИС на стойкость к воздействию радиационных факторов космического пространства, позволяющих обеспечить достоверность определения работоспособности ПЛИС в условиях радиационного воздействия и выявить отказавший функциональный блок;

- получение и систематизация оригинальных экспериментальных данных, устанавливающих общность радиационного поведения ПЛИС.

- разработка расчетно-экспериментального метода оценки сечения функционального сбоя устройств, реализованных в ПЛИС

Научная новизна работы:

1. Выявлены, описаны и систематизированы преобладающие типы функциональных отказов ПЛИС при воздействии радиационных факторов космического пространства.

2. Предложен метод независимого функционального контроля базовых блоков ПЛИС, позволяющий определить момент функционального отказа ПЛИС и отказавший блок, а также минимизировать временные и трудозатраты при подготовке и проведении радиационных испытаний за счет создания универсальной библиотеки тестовых прошивок ПЛИС и соответствующих им внешних тестовых блоков.

3. Предложен расчетно-экспериментальный метод оценки сечения функциональных сбоев устройств, реализованных в ПЛИС. Метод позволяет сократить объем экспериментальных исследований при оценке сечения функционального отказа устройства, реализованного в ПЛИС и оптимизировать функциональную реализацию устройства.

Практическая ценность.

1. Разработана библиотека тестовых блоков базовых элементов ПЛИС, применяемая для формирования тестовой прошивки с учетом доступных ресурсов ПЛИС, позволяющая достоверно оценивать уровень радиационной стойкости ПЛИС к эффектам накопленной дозы с указанием базового блока, определяющего уровень функционального отказа.

2. В базисе аппаратуры КайопаПпзйпте^з и программного обеспечения ЬаЬУюду разработан аппаратно-программный комплекс, позволяющий, в отличие от имеющихся ранее, выполнять полный функциональный и параметрический контроль базовых блоков современных ПЛИС непосредственно в процессе радиационного эксперимента.

3. С использованием разработанных методик получены результаты экспериментальных исследований стойкости к воздействию радиационных факторов космического пространства широкой номенклатуры ПЛИС отечественного и иностранного производства (Xilinx, Altera, Actel, Lattice Semiconductor, ОАО " Конструкторско-технологический центр Электроника").

4. Результаты диссертации внедрены в ОАО "Конструкторско-технологический центр Электроника" при выполнении ОКР "Вельс" и "Геотермист" по созданию двух первых отечественных программируемых логических интегральных схем.

5. Результаты диссертации внедрены в,ОАО "ЭНПО СПЭЛС" в качестве стандартной процедуры проведения радиационных испытаний ПЛИС, подтверждающейся утвержденной методикой проведения радиационных испытаний ПЛИС.

6. Результаты исследований вошли в отчетные материалы работ по проектированию космической аппаратуры систем МКС, "Глонасс", "Ресурс-П", "Лиана", "Персона", "БелКА", "KazSat-2", "Луч-5Б".

Результаты, выносимые на защиту:

1. Метод независимого функционального контроля базовых блоков ПЛИС, позволяющий определить момент функционального отказа ПЛИС и отказавший блок, а также оптимизировать временные и трудозатраты при подготовке и проведении радиационных испытаний за счет создания универсальной библиотеки тестовых прошивок в ПЛИС и соответствующих им внешних тестовых блоков.

2. Метод расчетно-экспериментальной оценки сечения одиночных функциональных сбоев ПЛИС, позволяющий оценивать сечение без необходимости проведения экспериментальных исследований для каждой реализации устройства.

3. Аппаратно-программный комплекс, отличающийся от ранее имеющихся тем, что обеспечивает полноценный функциональный и параметрический контроль ПЛИС в реальном времени в активных динамических режимах работы непосредственно в процессе радиационного воздействия, а также позволяет управлять различными моделирующими установками и имитаторами.

4. Результаты экспериментальных исследований радиационного поведения

ПЛИС, подтверждающие обоснованность предложенных методических и

12 технических средств прогнозирования функциональных отказов, а именно, метода независимого функционального контроля базовых блоков ПЛИС.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на "Научных сессиях НИЯУ МИФИ" (Москва, 2007-2010 гг.); на Российских научно-технических конференциях "Электроника, микро- и наноэлектроника" (г. Пушкинские Горы 2007 г., г. Петрозаводск 2008 г., г.Н.Новгород 2009 г. ), г

Российской научной конференции "Радиационная стойкость электронных систем - Стойкосмть-2010" г. Лыткарино. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 работах (в период с 2007 по 2011 гг.), в том числе 7 без соавторов, 2 из списка ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 118 страниц, в том числе 59 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 76 наименований и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Бобровский, Дмитрий Владимирович

Выводы.

В главе приведен обзор основных аппаратных средств функционального контроля ИС. Обоснован выбор системы функционального контроля на базе платформы National Instruments. На основании сформулированных требований к системе предложена конфигурация оборудования National Instruments в составе:

- Шасси PXI-1033 со встроенным контроллером ExpressCard, для возможности управления системой через ПК типа ноутбук. При этом расстояние от ПК до шасси составляет 7 м, что в большинстве случаев позволяет вывести компьютер в безопасную зону.

- Плата цифро-аналогового ввода/вывода PXI-7841R (96 цифровых линий 40МГц, 8 аналоговых входов, 8 аналоговых выходов).

- Управляемый источник питания PXI-4110 (3 управляемых канала 0.6В, 0.20В, -20.0В).

- Высокоскоростная плата цифрового ввода вывода PXI-6542 (32 цифровых линии, 100 МГц). ¡

- Плата цифрового осциллографа PXI-5114 для контроля , динамических параметров схем. ?,

- Плата цифрового мультиметра PXI-4071 для измерения малых токов потребления, которые нет возможности измерить встроенным в з источник питания измерителем тока.

Разработана структура комплекса с необходимыми коммутационными платами и дополнительными модулями, управляющими работой установок.

Вторая часть главы посвящены программному обеспечению со стороны пользователя, написанному на языке программирования Lab View и прошивке в ПЛИС. Программное обеспечение строится по библиотечному принципу как со стороны пользовательского ПО, так и со стороны прошивки ПЛИС.

После анализа архитектуры ПЛИС выделяются базовые блоки, для которых будет проводиться функциональный контроля. В соответствии с доступными ресурсами ПЛИС из библиотечных блоков формируется тестовая прошивка. Аналогично, со стороны пользовательского программного обеспечения строится виртуальный прибор функционального контроля выбранных базовых блоков.

Подробно рассмотрена процедура параметрического контроля ПЛИС.

Заключение.

Основным результатом диссертации явилось решение научно-технической задачи разработки новых и совершенствование существующих методических и технических средств испытаний ПЛИС на стойкость к воздействию радиационных факторов космического пространства с целью прогнозирования их радиационного поведения в реальных условиях эксплуатации, позволяющих обеспечить достоверность определения работоспособности ПЛИС в условиях радиационного воздействия и выявить отказавший функциональный блок.

В результате проведенного анализа было выявлено отсутствие на момент начала работы над диссертацией четких представлений о структуре и полноте необходимого функционального контроля ПЛИС при проведении радиационных испытаний. Большинство работ по теме сводилось к описанию результатов тестирования ПЛИС с примитивной тестовой прошивкой и контролем электрических параметров схемы, по результатам которых определяется уровень стойкости. Значительный интерес разработчиков космической аппаратуры к ПЛИС как к основе построения систем передачи и цифровой обработки информации и отсутствие данных по радиационной стойкости этого класса схем привел к необходимости разработки научно обоснованных методических и технических средств функционального контроля ПЛИС при оценке их радиационной стойкости к воздействию факторов космического пространства.

Целью диссертации являлась разработка методов и средств прогнозирования стойкости ПЛИС к воздействию радиационных факторов космического пространства.

Основными задачами диссертации являлись:

- теоретический анализ и экспериментальные исследования основных закономерностей и доминирующих механизмов функциональных отказов ПЛИС при воздействии радиационных факторов космического пространства;

- анализ и развитие существующих методов функционального контроля ПЛИС и оценка их эффективности;

- разработка новых и совершенствование существующих методических и технических средств испытаний ПЛИС на стойкость к воздействию радиационных факторов космического пространства, позволяющих обеспечить достоверность определения работоспособности ПЛИС в условиях радиационного воздействия и выявить отказавший функциональный блок; '

- получение и систематизация оригинальных экспериментальных данных, устанавливающих общность радиационного поведения ПЛИС.

- разработка расчетно-экспериментального метода оценки сечения функционального сбоя устройств, реализованных в ПЛИС

Основные научные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Выявлены, описаны и систематизированы преобладающие типы функциональных отказов ПЛИС при воздействии радиационных факторов космического пространства.

2. Предложен метод независимого функционального контроля базовых блоков ПЛИС, позволяющий определить момент функционального отказа ПЛИС и отказавший блок, а также минимизировать временные и трудозатраты при подготовке и проведении радиационных испытаний за счет создания универсальной библиотеки тестовых прошивок ПЛИС и соответствующих им внешних тестовых блоков.

3. Предложен расчетно-экспериментальный метод оценки сечения функциональных сбоев устройств, реализованных в ПЛИС. Метод позволяет сократить объем экспериментальных исследований при оценке сечения функционального отказа устройства, реализованного в ПЛИС и оптимизировать функциональную реализацию устройства.

Основной практический результат диссертации заключается в разработке методических и технических средств, обеспечивающих ФК ПЛИС при проведении радиационных исследований на моделирующих установках и имитаторах при оценке параметров стойкости к факторам космического пространства (эффекты накопленной дозы и эффекты от воздействия ОЯЧ).

Частные практические результаты работы и их реализация:

1. Разработана библиотека тестовых блоков базовых элементов ПЛИС, применяемая для формирования тестовой прошивки с учетом доступных ресурсов ПЛИС, позволяющая достоверно оценивать уровень радиационной стойкости ПЛИС к эффектам накопленной дозы с указанием базового блока, определяющего уровень функционального отказа.

2. В базисе аппаратуры National Instruments и программного обеспечения LabView разработан аппаратно-программный комплекс, позволяющий, в отличие от имеющихся ранее, выполнять полный функциональный и параметрический контроль базовых блоков современных ПЛИС непосредственно в процессе радиационного эксперимента.

3. С использованием разработанных методик получены результаты экспериментальных исследований стойкости к воздействию радиационных факторов космического пространства широкой номенклатуры ПЛИС отечественного и иностранного производства (Xilinx, Altera, Actel, LatticeSemiconductor, ОАО " Конструкторско-технологический центр Электроника").

4. Результаты диссертации внедрены в ОАО "Конструкторско-технологический центр Электроника" при выполнении ОКР "Вельс" и "Геотермист" по созданию двух первых отечественных программируемых логических интегральных схем.

5. Результаты диссертации внедрены в ОАО "ЭНПО СПЭЛС" в качестве стандартной процедуры проведения радиационных испытаний ПЛИС, подтверждающейся утвержденной методикой проведения радиационных испытаний ПЛИС.

6. Результаты исследований вошли в отчетные материалы работ по проектированию космической аппаратуры систем МКС, "Глонасс", "Ресурс-П", "Лиана", "Персона", "БелКА", "KazSat-2", "Луч-5Б".

Таким образом, в ходе работы над диссертацией достигнута ее основная цель, разработаны методы и средства прогнозирования стойкости ПЛИС к воздействию радиационных факторов космического пространства, а именно, поверхностные радиационные эффекты, связанные с накопленной дозой и одиночные эффекты от воздействия отдельных ядерных частиц.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бобровский, Дмитрий Владимирович, 2011 год

1. Телец, В. А. ПЛИС для космических применений. Архитектурные и схемотехнические особенности/ В.А.Телец, С.А.Цыбин, А.В. Быстрицкий, С.Б. Подъяпольский//ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2005 — №6.

2. Buchanan, N.J. Total Ionizing Dose Effects in Xilinx FPGA/NJ. Buchanan, D.M. Gingrich, P.W. Green, D.M. MacQueen// Cern ATL-LARG-99-003. 1999. http://cdsweb.cern.ch/record/683789/files/Iarg-99-003.pdf

3. Clark, S.L. TID and SEE testing results of Altera Cyclone field programmable gatearray/ S.L. Clark, K. Avery, R. Parker// 2004 IEEE Radiation Effects Data Workshop, 2004.- P.88- 90.

4. Fabula, J. Total Ionizing Dose Performance of SRAM-based FPGAs and supporting PROMs/ J. Fabula, H.Bogrow//Xilinx, 2000.http://klabs.org/richcontent/MAPLDCon00/Papers/SessionC/C2FabulaP.pdf

5. Wang, J.J. Total ionizing dose test report № 01T-RT54SX32-T6JP04/ J J. Wang//Actel Corporation.- 2001 .-http://actel.eom/documents/01T-RT54SX32-T6JP04.pdf

6. Wang, J.J. Total Dose and SEE of Metal-To-Metal Antifuse FPGA / J.J.Wang //Actel Corporation.- 1999.-http:// actel.com/documents/TotalDoseAntifuse.pdf

7. Wang, J.J. Radiation effects in FPGA's/J.J.Wang//Actel Corporation.- 2004. http://lhc-electronics-workshop.web.cern.ch

8. Wang, J.J. Radiation Tests and Results of a Rad-Tolerant Antifuse FPGA RT54SX/J.J.Wang //RADECS,2000.

9. Бобровский, Д.В. Экспериментальная оценка сечения одиночных сбоев ПЛИС XCV300 при воздействии отдельных ядерных частиц /Д.В. Бобровский // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научных трудов.- М.:МИФИ, 2009. С.287-293.

10. Sterpone, L. A New Analytical Approach to Estimate the Effects of SEUs in TMR Architectures Implemented Through SRAM-Based FPGAs/Sterpone L.,Violante M. //IEEE Transactions on Nuclear Science,2005.- Vol. 52,No. 6.- P.2217-2223

11. Dupont, E. Radiation Results of the SER Test of Actel, Xilinx and Altera FPGA instances/ Dupont, E., O. Lauzeral, R. Gaillard, M. Olmos //Actel Corporation.-2003.- http://www.actel.com/documents/RadResultsIROCreport.pdf

12. AT40KEL040 Reprogrammable SRAM based FPGA Total Dose (TID) and Single Event Effects (SEE) Radiation Test Summary Report//http://www.klabs.org/richcontent/fpgacontent/atmel/at40keltidseesummary.pdf

13. Denes, E. ALICE DDL Radiation Tolerance Tests for the FPGA Configuration Loss/ E. Denes// http://alice-proj-ddl.web.cern.ch

14. Bernardi, P.On the evaluation of SEU sensitiveness in SRAM-based FPGAs/P.Bernardi, M.SonzaReorda, L.Sterpone, M. Violante//10th IEEE International On-Line Testing Symposium, 2004

15. Абросимов, H.K. Ускорительный комплекс ПИЯФ: испытания ЭКБ/ Н.К.Абросимов,А.С. Воробьев, Е.М. Иванов// Петербургский журнал электроники, 2009. №, 1. - С.31-43.

16. Бобровский, Д.В. Радиационная стойкость микропроцессоров семейства "МЦСТ-R" / Д.В. Бобровский, B.C. Волин, О.А. Калашников, П.В. Некрасов, Ю.С. Рябцев // Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ. М.: ОАО "ЦНИИ"Электроника", 2010.- С.102-113

17. Чумаков, А.И. Сканирующий лазерный комплекс ПИКО-3 для моделирования ионизационных эффектов в ИС/ А.И. Чумаков, А.Н. Егоров, О.Б. Маврицкий,

18. А.А. Печенкин, А.В. Яненко// Радиационная стойкость электронных систем -Стойкость-2009. Научно-технический сборник. М.: МИФИ, 2009. - Cl 81182.

19. Бобровский, Д.В. Методика тестирования функциональных узлов ПЛИС при оценке радиационной стойкости / Д.В. Бобровский, П.В. Некрасов // Научная сессия МИФИ-2009. Сб. научных трудов. TI. М.:НИЯУ МИФИ, 2010.- С. 153-156

20. MacQueen, D. M. Total Ionizing Dose Effects in a SRAM-Based FPGA/D.M.MacQueen, D.M.Gingrich, N.J.Buchanan// Radiation Effects Data Workshop, 1999.-P. 24

21. Бобровский, Д.В. Методы оценки сечения одиночных сбоев устройств на базе ПЛИС / Д.В. Бобровский // Электроника, микро- и наноэлекгроника. Сб. научных трудов.- М.:МИФИ, 2008. С.199-203.

22. Демидов, А.А. Функциональный контроль микропроцессоров при проведении радиационных испытаний/ А.А. Демидов, О.А. Калашников, П.В. Некрасов// Приборы и техника эксперимента, 2009. №2. - С.48-52.

23. Бобровский, Д.В Исследование дозовых радиационных эффектов ПЛИС Xilinx / Д.В. Бобровский, О.А. Калашников // Радиационная стойкость электронных систем Стойкость-2007 Научно-технический сб. - М.:МИФИ, 2007,- С.203-205.

24. Бобровский, Д.В. Оценка радиационной стойкости микросхем Altéra / Д.В. Бобровский // Научная сессия МИФИ-2007. Сб. научных трудов. Т1. -М.:МИФИ, 2007.- С. 150-151.

25. Бобровский, Д.В. Исследование радиационной стойкости ПЛИС семейства SPARTAN2 и конфигурационных ПЗУ семейства XC18V/ Д.В. Бобровский // Радиационная стойкость электронных систем Стойкость - 2008 Научно-технический сб. - М.гМИФИ, 2008.- С.71-72.

26. Бобровский, Д.В. Оценка чувствительности ПЛИС Xilinx к воздействию отдельных ядерных частиц /Д.В. Бобровский // Научная сессия МИФИ-2009. Сб. научных трудов. TII. М.:НИЯУ МИФИ, 2009.- С. 112-114

27. Бобровский, Д.В. Оценка радиационной стойкости однократно программируемых ПЛИС ф. Actel семейства Accelerator /Д.В. Бобровский // Радиационная стойкость электронных систем Стойкость - 2009 Научно-технический сб. - М.:МИФИ, 2009.- С.25-26.

28. Никифоров, А.Ю. Экстремальная электроника. Текст лекций: Учебное пособие/П.К. Скоробогатов, А.И. Чумаков, A.B. Яненко//М.: МИФИ, 2009. -169 с.

29. Некрасов, П.В. Методы и средства прогнозирования радиационной стойкости микропроцессорных СБИС: Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук/ П.В. Некрасов. М., 2010. - 120 с.

30. Лебедев, A.B. Методы и аппаратно-программные средства функционального тестирования СБИС микроконтроллеров при проведении радиационных испытаний на дозовые воздействия: диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук/ A.B.Лебедев.-М.,2009.-158

31. Краснов, М.И. Алгоритмы и устройства контроля сверхбольших интегральных схем для радиоаппаратуры: диссертация на соискание ученой степени канд.техн. наук/М.И. Краснов.-М.,2010— 114.

32. Шалтырев, В. А. Средства и методы повышения производительности и снижения энергопотребления систем на кристалле, реализуемых на базе программируемых логических интегральных схем/ В.А. Шалтырев-М.,2009-149.

33. Цыбин, С.А. Интерфейсная ПЛИС повышенной надежности/ С.А.Цыбин, А.В.Быстрицкий// ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2006 №7-С.60-65

34. Быстрицкий, А.В.Выбор схемотехники при проектировании ПЛИС/ А.В.Быстрицкий, С.А.Цыбин, С.А.Акулинин//Микроэлектроника и информатика,- М.:МГИЭТ, 2004.- С.1 02.

35. Быстрицкий, A.B. Тестирование межсоединений в кластерных ПЛИС/ А.В.Быстрицкий, С.А.Цыбин, С.А.Акулинин// Микроэлектроника и информатика.- М.:МГИЭТ, 2004 С.103.

36. Некрасов, П.В. Выбор интервалов облучения интегральных схем при дозовом воздействии/ П.В. Некрасов// Радиационная стойкость электронных систем -Стойкость 2009 Научно-технический сб. - М.:НИЯУ МИФИ, 2009.- С.229-231.

37. Чумаков, А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы/А.И. Чумаков//.-М.: Радио и связь, 2004.

38. Никифоров, А.Ю. Радиационные эффекты в КМОП ИС/ А.Ю. Никифоров, В.А. Телец, А.И. Чумаков// М.: Радио и связь, 1994

39. Першенков, B.C. Поверхностные радиационные эффекты в элементах .интегральных микросхем/ B.C. Першенков, В.Д. Попов, A.B. Шальнов//М.: Энергоатомиздат, 1988

40. Samudrala, Р. К. Selective Triple Modular Redundancy (STMR) Based Single Event Upset (SEU) Tolerant Synthesis for FPGAs/ P. K. Samudrala, J. Ramos, S. Katkoori// IEEE Transactions on Nuclear Science,2004- Vol. 51, No. 5.

41. Katz, R, Radiation Effects on Current Field Programmable Technologies/ R.Katz, K. LaBel, J. J. Wang, B. Cronquist, R. Koga, S. Penzin, G. Swift// IEEE Transaction on Nuclear Science, 1997.-Vol. 44, No. 6.-P. 1945-1956.

42. Bellato, M. Ion BeamTesting of SRAM-Based FPGA's/ M. Bellato, M. Ceschia, M. Menichelli, A. Papi, J. Wyss, A. Paccagnella// IEEE Radiation Effects Data Workshop, 2002.

43. Rose, J. Architecture of Field-Programmable Gate Arrays/ J. Rose, A. El Gamal, A. Sangiovanni-Vincetelli// IEEE Proceedings, 1993 .-Vol. 81, No. 7.-P.1013-1029

44. Ceschia, M. Ion Beam Testing of ALTERA APEX FPGAs/ M. Ceschia, A. Paccagnella, S. -C. Lee, C. Wan, M. Bellato, M. Menichelli, A. Papi, A. Kaminski, J. Wyss// NSREC 2002 Radiation Effects Data Workshop Record,2002

45. Bernardi, P. On the Evaluation of SEUs Sensitiveness in SRAM-Based FPGAs/ P. Bernardi, M. Sonza Reorda, L. Sterpone, M. Violante// IEEE 10th On-Line Testing Symposium, 2004 P. 115-120

46. TMR Tool User Guide// Xilinx User Guide UG156, 2004.

47. Wang, J. J. SRAM Based Re-programmable FPGA for Space Applications/ X. I. Wang, R. B. Katz, X. S. Sun, B. E. Cronquist, J. L. McCollum, T. M. Speers, W. G. Plants// IEEE Transaction on nuclear science, 1999.-Vol 46, No 6.

48. Stapor, W.J.Single-Event Effects Qualification/W.J. Stapor//IEEE NSREC95 Short Course, 1995.-P. 1-68

49. Lintz, J: Single Event Effects Radiation Test Report for the RHrFPGÄ Radiation-Hardened Field Programmable Gate Array/J.Lintz// http://radhome.gsfc.nasa.gov

50. Lintz, J. Proton Single Event Effects Radiation Test. Report for the RHrFPGA Radiation-Hardened Field! Programmable Gate Array/X.Lintz// http://radhome.gsfc.nasa.gov

51. Ma, T. Ionizing Radiation Effects, in MOS Devices and Circuits/ T. Ma, P. Dressendorfer//New York:^Wiley Eds, 1989:

52. Allen G.R. Single Events Effects; Test Results for Advanced Field Programmable Gate Arrays/ G.R. Allen, G.M; Swift// IEEE Radiation Effects Data Workshop, 2006

53. Nicolaidis, M. Soft Errors in Modern Electronic Systems/Nicolaidis, M. //Springer, 2010

54. Clark, S. L. Tid and see testing results of altera cyclone field programmable gate array/ S. L. Clark, K. Avery, R. Parker// IEEE Radiation Effects Data Workshop, 2004.-P.88 90.

55. Sanders, A. Heavy Ion Latch-up Test Results for the Altera Stratix FPGA EP1S25/ A. Sanders, K. LaBel, C. Poivey//http://radhome.gsfc.nasa.gov/radhome/papers/T122004AlteraEP 1S25. pdf

56. Petrick, D. Virtex -II Pro SEE Test Methods and Results/D. Petrick, W.Powell, J.W. Howard, K.A. LaBel// http://radhome.gsfc.nasa.gov

57. Speers, T. 0.25 mm FLASH Memory Based FPGA for Space Applications/T.Speers, J. J. Wang, B. Cronquist, J. McCollum, H. Tseng, R. Katz,I. Kleyner// Actel Corporation.- 1999

58. Katz, R. Total Dose Responses of Actel 1020B and 1280A Field Programmable Gate Arrays (FPGAs)/ R.Katz, G.Swift, D.Shaw///MZ)£GS, 1995.-P.412-419

59. FLEX 10K Embedded Programmable Logic Device Family// http://www.altera.com/literature/ds/archives/dsflOk.pdf

60. Axcelerator Family FPGAs http://actel.com/documents/AX DS.pdf

61. SX-A Family FPGAs http://actel.com/documents/SXADS.pdf

62. ProASIC3L Low Power Flash FPGAs http://actel.com/documents/PA3LDS.pdf

63. MachXO Family Data Sheet http://latticesemi.com/lit/docs/datasheets/cpld/ machxo.pdf