基于冗余余数系统的集成电路数据通道抗辐照保护方法研究

强烈的空间电磁辐射、高能宇宙粒子会造成航天器中数字集成电路的存储单元（包括存储器和寄存器）和组合逻辑单元出现"单粒子翻转事件"，从而导致集成电路功能错误。传统的辐照保护手段，可以对数字集成电路中的控制逻辑和存储器提供有效的保护，但是将这些方法用于数据通道保护，特别是计算密集的数据通道，会导致VLSI面积、功耗的急剧增加。本课题提出基于冗余余数系统（RRNS）的自恢复数据通道设计方法，利用RRNS的纠错能力在运算过程中对数据通道进行自动保护，从而使得整个数据通道具有纠正"软错误"的能力，无需对每一级流水进行冗余保护。该方法还继承了余数系统（RNS）的独立并行运算特性，从而使得其具有高速、低功耗方面的优势。这是一种算法层面系统级的辐照保护方法，与传统方法相比，可以用更小的代价获得对数据通道更好的保护能力，同时提高VLSI实现性能。

随着现代通信和信号处理，特别是移动、机载、星载设备日益增加的复杂度对数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）芯片在速度和功耗上的要求越来越高。强烈的空间电磁辐射、高能宇宙粒子会造成航天器中数字集成电路的存储单元（包括存储器和寄存器）和组合逻辑单元出现“单粒子翻转事件”，从而导致集成电路功能错误。传统的辐照保护手段，可以对数字集成电路中的控制逻辑和存储器提供有效的保护，但是将这些方法用于数据通道保护，特别是计算密集的数据通道，会导致VLSI面积、功耗的急剧增加。本课题利用“余数系统”（RNS）的并行数值表征及计算，即利用并行的独立的简单运算代替传统的单次复杂运算，从而使运算复杂度和功耗上得到简化和降低；同时利用冗余“余数系统”（RRNS）各余数通道间相互独立且相互保护的性质，从而使以RRNS构造的DSP数据通道具有一定的保护能力。在此基础上提出基于冗余余数系统（RRNS）的自恢复数据通道设计方法，利用RRNS的纠错能力在运算过程中对数据通道进行自动保护，从而使得整个数据通道具有纠正“软错误”的能力，无需对每一级流水进行冗余保护。该方法还继承了余数系统（RNS）的独立并行运算特性，从而使得其具有高速、低功耗方面的优势。这是一种算法层面系统级的辐照保护方法，与传统方法相比，可以用更小的代价获得对数据通道更好的保护能力，同时提高VLSI实现性能。本课题还开展了辐照环境中DSP系统VLSI单粒子效应预测建模、高效的RRNS抗辐照数据通道设计方法、多通道余数基的构造与评估方法、高效RRNS纠错方法、高效RNS基本运算单元、基于RRNS的并行通信系统设计等研究工作，以支持“基于冗余余数系统的集成电路数据通道抗辐照保护方法”的研究工作。通过本项目的研究工作将为低功耗、低复杂度的抗辐照数字信号处理芯片设计提供新方法和技术准备；项目研究成果作为核心技术应用在军用芯片设计中得到应用。