[发明专利]一种验证抗单粒子效应能力的故障注入系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件抗空间单粒子效应能力验证技术领域。

背景技术

当数字电路应用在空间环境中时，空间高能粒子会穿透半导体器件内部并在路径上产生电离，电路节点会吸收电离产生的电子和空穴从而导致电路错误，这种效应称为单粒子效应。地面模拟单粒子效应主要有辐射实验方法和仿真方法，辐射实验方法成本高周期长，仿真方法成本低易实现，成为目前用于验证电路抗单粒子的一种亟待研究的方法。

目前验证目标电路抗空间单粒子效应的仿真方法主要有：利用软件分析错误传播概率的软错误评估方法、构建库单元的spice模型仿真等方法，前者利用软件和数学方法计算单粒子在电路节点上产生错误的传播概率，后者通过设置和修改工艺库单元里的模型参数，根据模拟结果得出库单元的抗单粒子性能。这些方法的主要不足在于适合于对小规模电路或库单元进行仿真评价，不适合对系统级大电路进行仿真，因为在大模型中要取得每个电路节点的输出翻转概率工作量巨大，对仿真计算机的软硬件要求都很高，而大规模电路的spice模型更是难以构建。

而在容错测试中广泛采用的故障注入技术，通过在系统逻辑层中插入故障，容易得到插入节点故障对系统造成影响的大小，适合在大规模电路条件下验证电路逻辑层的容错性能。而由于抗空间单粒子能力验证的特殊性，需要在目标电路所有节点分别注入故障，得到每个节点的出错概率，进而得到目标电路对单粒子的敏感路径或者敏感区域，从而可以在这些敏感路径或敏感区域上实行重点抗辐射加固，这种特殊要求使得不是所有的故障注入方法都适合用于抗单粒子效应能力的验证领域中。

目前在抗单粒子效应验证领域里采用的故障注入方法主要有：

专利申请号200510111494.1，名称“智能全自动单粒子事件故障注入器”，介绍了一种在计算机上调用仿真工具软件来模拟单粒子效应的故障注入器，该方法主要通过利用仿真工具自带的命令编写仿真错误激励文件，改变电路节点信号的逻辑值来实现故障注入，从而模拟单粒子效应。

Tenth IEEE International，“Improvement of Fault Injection TechniquesBased on VHDL Code Modification”，2005，介绍了一种通过插入“破坏者”和“变异体”的单元电路结构，自动在电路VHDL代码上注入故障的方法。

以上方法来验证单粒子效应的主要不足是这些方法基于软件仿真工具的故障注入方法，仿真工具适合模拟小规模电路，在模拟大规模电路时耗时比基于硬件的故障注入方法要大得多，而电路节点数较多时激励文件中手动输入每个节点信号的工作量大，此外利用该方法对模拟的计算机本身的配置也提出了更高的要求。

专利申请号200610150972.4，名称“一种嵌入式故障注入系统及其方法”，介绍了一种基于可编程逻辑器件的故障注入系统及方法，该方法主要通过截获并修改目标电路的相应管脚信号来实现故障注入，从而模拟单粒子效应。

IEEE Transactions On Nuclear Science，“Autonomous Fault EmulationSystem for Hardness Evaluation”，2007，介绍了一种基于FPGA的，通过在目标电路HDL代码的电路节点上自动添加D触发器来实现故障注入的方法，从而模拟单粒子翻转(SEU)效应。

以上方法来验证单粒子效应的主要不足是注入故障作用的脉宽等于系统时钟周期，即只模拟了单粒子翻转(SEU)效应，而组合逻辑电路中发生的单粒子瞬态(SET)效应的脉冲宽度远小于半导体器件电路工作的系统时钟周期，即需要注入故障的时钟周期远小于电路工作的时钟周期，这些故障注入方法没有模拟这个过程。此外，还存在一个电路节点的选取不是均匀随机选取的问题，单粒子效应发生在电路的每个节点(逻辑门)上的概率是近似均等的，而采用以上方法只在一些特定电路信号、电路节点上注入故障，没有在所有电路节点(逻辑门)上都模拟单粒子效应，即存在一个故障注入覆盖率的问题。

综上所述，利用目前现有的故障注入方法来验证大规模目标电路的抗单粒子效应，对软硬件设备要求高，使得故障注入用于验证抗单粒子效应难以实现，此外需要人工干预，不利于实现自动化，在模拟单粒子效应的种类、单粒子效应的脉宽、单粒子效应发生的电路节点和覆盖率等方面，很难做到贴近真实空间单粒子效应的物理过程，容易产生遗漏，不能满足当前对大规模电路抗单粒子效应验证的需求。

发明内容