提高抗单粒子辐照性能的FPGA配置软件布局布线算法研究

FPGA是航天领域不可替代的核心电子元器件，随着其集成开发能力的不断增强，在航天应用中变得越来越重要。但是单粒子翻转一直是困扰FPGA航天应用的难题，特别是随着工艺尺寸的降低，其单粒子效应有增加的趋势。探索有效的提高FPGA抗单粒子翻转的方法是国内外研究者的共同课题。本文通过布局布线方法提高FPGA的抗辐照能力，其研究内容包括:1) 研究基于划分机制的布局算法，通过此算法实现冗余备份电路布局的合理划分;2)在布局划分的基础上，提出基于可靠性导向的布线算法，布线中实现冗余电路的边界隔离，提高电路的抗辐照能力，布线中引入毛刺消除机制，降低电路功耗。3)分析单粒子辐射机理，搭建验证系统，验证布局布线算法的抗辐照能力。此课题的研究成果，不仅可以提高FPGA的抗辐照能力，拓展FPGA的空间应用领域，而且有利于通过软件方法提高FPGA抗辐照能力研究方向的发展，此课题的研究具有重要的理论意义和实用价值。

FPGA是航天领域不可替代的核心电子元器件，随着其集成开发能力的不断增强，在航天应用中变得越来越重要。但是单粒子翻转一直是困扰SRAM 型FPGA航天应用的难题，特别是随着工艺尺寸的降低，其单粒子效应有增加的趋势。本项目探索通过FPGA EDA软件技术提高FPGA的抗单子翻转能力，主要研究通过FPGA EDA软件的布局、布线等方法提高FPGA的抗单粒子辐照能力。项目主要研究内容为：1）研究基于划分机制的布局算法。此算法首先将综合后电路网表中的寄存器进行三模冗余，通过装箱算法使同一寄存器的三备份离散的装入不同的CLB中，在布局时将这些CLB离散的分布到不同的布局区域，通过此种布局算法，成功实现了同一寄存器的三备份离散的分布到不同的电路布局区域。通过这种寄存器的离散分布，降低了由于单粒子效应带来的同一电路的两或三备份同时发生翻转的情况，提高电路的抗单粒子翻转能力。目前基于此研究内容已发表文章6篇（EI检索文章3篇），申请发明专利2项。2）研究基于可靠性导向的时序优化布线算法。在布局划分的基础上，布线中实现冗余电路的边界隔离，提高电路的抗辐照能力，同时通过拆线重布策略提高电路的时序性能。在布线中引入毛刺消除机制，降低电路功耗。目前基于此研究内容，已发表文章2篇（EI检索2篇）。3）分析单粒子辐射机理，搭建FPGA仿真验证系统和板级验证系统，验证布局布线算法的抗辐照能力。目前基于此研究内容已发表文章2篇（EI检索2篇）。.本文使用中科院电子所自主研制的COMET芯片构建了单粒子实验验证系统，通过实际的单粒子辐照试验表明，本文提出的抗辐照布局布线算法有效的提高FPGA的抗单粒子翻转能力。对于不同的粒子的辐射，其抗单粒子的能力提升的并不一样。对于Cl粒子辐射，使用本项目研究的抗辐照算法，可以使系统的抗辐照能力提高近2倍。.目前针对此课题研究内容，已发表文章10篇，EI检索文章7篇，撰写发明专利2项。参加学术会议2次，培养博士研究生2名，硕士研究生1名。此课题的研究成果，不仅可以有效提高FPGA的抗辐照能力，拓展FPGA的空间应用领域，也是利用FPGA EDA软件技术提高FPGA抗辐照能力的有意探索，利于通过软件方法提高FPGA抗辐照能力研究方向的发展，此课题的研究具有重要的理论意义和实用价值。