星載計算機是各類航天器的核心部件,由于運行在宇宙空間中,星載計算機中的微電子器件會受到單粒子效應的影響,使其可靠性問題尤為突出。受限于實驗資金、實驗周期等因素,單粒子輻射實驗難以單一地用作評估星載計算機抗輻射能力的驗證手段。計算機仿真技術可以在較高精度上模擬高能粒子與芯片的作用過程,對研究單粒子效應在電路中的作用機理以及評估電路的抗單粒子效應能力有重要意義。本文依托于“十三五”裝備預先研究項目“XXX單粒子輻射效應仿真技術研究”,以評估星載計算機的抗單粒子效應能力為背景,以研究單粒子效應仿真方法為目標,針對星載計算機系統(tǒng)的結構及功能,研究其仿真方法、模型搭建及單粒子效應敏感性分析。本文的主要研究內容及成果如下:(1)實現(xiàn)了一種針對大規(guī)模數(shù)字電路系統(tǒng)的單粒子效應仿真方法。在SMIC130nm CMOS工藝下,基于器件級的單粒子效應響應電流,形成SPICE級的單粒子效應故障注入模型。通過對邏輯門的仿真分析,得到不同邏輯門的單粒子效應敏感節(jié)點。實現(xiàn)了一種針對大規(guī)模數(shù)字邏輯電路SPICE模型的單粒子效應故障注入、仿真與結果檢測的方法,并提出了一種分段仿真的手段,大大減少統(tǒng)計分析的仿真時間。該單粒子效應仿真方法既考慮了器件級的信息,又兼顧了電路規(guī)模和仿真速度,解決了現(xiàn)有方法的部分不足。(2)搭建了星載計算機系統(tǒng)SPICE模型。根據星載計算機核心系統(tǒng)的組成,基于SMIC 130nm CMOS工藝,分別搭建完成了處理器和SRAM的SPICE模型。基于矩陣乘法和冒泡排序兩種典型程序,對星載計算機系統(tǒng)進行功能驗證和時序驗證,在SPICE層面驗證了系統(tǒng)模型的正確性。仿真結果表明,該星載計算機系統(tǒng)SPICE模型可以在100MHz時鐘頻率下正確地進行初始化并執(zhí)行后續(xù)程序。(3)完成了對星載計算機系統(tǒng)各個模塊的單粒子效應仿真分析。仿真統(tǒng)計了各個模塊造成系統(tǒng)出錯的概率,結合模塊面積比例,得到了整數(shù)處理單元、寄存器堆、緩存控制模塊、AHB總線仲裁器、存儲控制模塊以及SRAM的單粒子效應敏感性。整數(shù)處理單元的仿真結果表明:五級流水線中,取指階段的單粒子效應敏感性最大,結果對處理器流水線的抗單粒子效應加固設計有重要意義。SRAM的仿真結果表明:指令SRAM的單粒子效應敏感性大約是數(shù)據SRAM的10倍,同時,指令SRAM中的單粒子效應更容易造成系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)生錯誤,而數(shù)據SRAM中的單粒子效應則更多地造成系統(tǒng)運行結果錯誤。(4)在運行矩陣乘法和冒泡排序程序的情況下,指令SRAM的單粒子效應敏感性分別為19.13?和6.55?,為星載計算機系統(tǒng)中單粒子效應最敏感的模塊。對指令SRAM進行模塊級的三模冗余加固設計,并針對單粒子同時穿透多個芯片的問題,對加固后的系統(tǒng)進行單粒子效應敏感性仿真分析。在1000次的單粒子效應故障注入與仿真中,系統(tǒng)未出現(xiàn)錯誤。該結果驗證了模塊級的三模冗余加固設計的有效性,同時也表明本文的仿真方法可以用于驗證系統(tǒng)抗輻射加固設計的效果。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V446;TP391.9
【部分圖文】：

西安電子科技大學碩士學位論文4圖1.1 柯晶達單粒子效應器件級仿真解決方案示意圖以上這些研究針對不同的模型層次進行了單粒子效應仿真，但都沒有很好地解決仿真模型精度與電路規(guī)模相矛盾的問題，即器件級和電路SPICE級仿真精度雖然高，但支持的電路規(guī)模小；RTL 級支持更大的規(guī)模，但仿真精度大大降低。目前，對星載計算機的單粒子效應仿真研究尚處于起步階段[24]，該方向是國內外的一個研究熱點，有巨大的研究價值。針對以上問題，本文對星載計算機系統(tǒng)進行 SPICE 層面的建模并研究其單粒子效應仿真方法，在保證模型精度的前提下實現(xiàn)了對大規(guī)模電路系統(tǒng)的單粒子效應仿真。1.3 論文研究內容與結構安排本文針對星載計算機的核心系統(tǒng)模塊進行 SPICE 層次的建模與單粒子效應仿真分析。研究了一種適用于大規(guī)模數(shù)字電路系統(tǒng)的單粒子效應故障注入與仿真方法�；� SMIC 130nm CMOS 工藝

西安電子科技大學碩士學位論文16圖3.1 不同 LET 條件下的單粒子瞬態(tài)響應電流從圖中可以看出，對于 SMIC 130nm CMOS 工藝器件，不同 LET 條件下單粒子瞬態(tài)脈沖的高度和寬度差異很大，但形狀基本一致，且都具有“拖尾”現(xiàn)象，這表明器件結構決定了單粒子瞬態(tài)脈沖的形狀，而粒子入射的 LET 影響單粒子瞬態(tài)脈沖的高度和寬度。3.1.2 SPICE 級故障注入模型通過器件級單粒子效應仿真得到的電流響應數(shù)據可以作為一個瞬態(tài)電流源注入到 SPICE 電路級網表中，用于電路級的單粒子效應仿真。常用的單粒子效應注入模型有雙指數(shù)電流源模型、Weibull 分布函數(shù)電流源模型和 PWL（分段線性差值）電流源模型。雙指數(shù)電流源模型采用雙指數(shù)函數(shù)來描述電路節(jié)點的電流隨時間的響應。雙指數(shù)函數(shù)的定義為：0( ) ( ) = +t tI t I e e (3-1)利用 Matlab 工具，可以擬合得到參數(shù) I0、1/α 和 1/β 與 LET 的函數(shù)關系?

第四章 星載計算機系統(tǒng) SPICE 模型搭建47圖4.21 初始化程序部分信號波形圖從圖中可以看出，處理器執(zhí)行初始化程序至地址 0x00001BC 處時，由初始化程序SRAM跳轉到指令SRAM的地址0x0000000處，并開始執(zhí)行指令SRAM中的程序，表明系統(tǒng)正確地完成了初始化。（2）矩陣乘法矩陣乘法程序首先將列矩陣和行矩陣的元素存入數(shù)據 SRAM 中，然后每次從數(shù)據 SRAM 中讀取兩個元素并作乘法運算，運算結果寫入數(shù)據 SRAM 中。某次將乘法運算結果寫入數(shù)據 SRAM 時的部分波形如圖 4.22 所示。圖4.22 矩陣乘法程序部分信號波形圖從圖中可以看出，該操作為將數(shù)據 0x000008BC 寫入地址 003FF54 中

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1 本報記者 李淑Y

本文編號：2825611