一种16nm FinFET工艺SRAM型FPGA单粒子效应试验方法
阅读说明：本技术 一种16nm FinFET工艺SRAM型FPGA单粒子效应试验方法 (SRAM (static random Access memory) type FPGA (field programmable Gate array) single event effect test method for 16nm FinFET (field effect transistor) process ) 是由 李斌 黄奕铭 吴朝晖 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种16nm FinFET工艺SRAM型FPGA单粒子效应试验方法,涉及芯片单粒子效应试验技术领域,解决高端制程单粒子效应测试的技术问题,方法包括：S1.使用Verilog HDL硬件描述语言编写SRAM型FPGA中指定模块的电路配置文件；S2.设定电流阈值并配置到SRAM型FPGA的开发板的电源控制模块；S3.辐照源以初始辐照量辐照SRAM型FPGA；S4.使用Maxim DigitalPower电流检测软件实时读取SRAM型FPGA的电流值,若电流值超过电流阈值,则进行失效机理分析,试验结束；S5.使用Beyond Compare软件读取SRAM型FPGA的rbd配置信息文件,若读取正常,则通过比较辐照前后读取的rbd配置信息文件的配置信息；否则,记录指定模块发生单粒子功能中断；S6.加大辐照源的辐照量,执行步骤S4。(The invention discloses a method for testing a single event effect of an SRAM (static random Access memory) type FPGA (field programmable Gate array) by a 16nm FinFET (field effect transistor) process, relates to the technical field of single event effect tests of chips, and solves the technical problem of testing the single event effect in a high-end process, and the method comprises the following steps of: s1, writing a circuit configuration file of a specified module in an SRAM type FPGA by using a Verilog HDL hardware description language; s2, setting a current threshold value and configuring the current threshold value to a power supply control module of a development board of the SRAM type FPGA; s3, irradiating the SRAM type FPGA by an irradiation source with initial irradiation; s4, using Maxim digital Power current detection software to read the current value of the SRAM type FPGA in real time, if the current value exceeds a current threshold, carrying out failure mechanism analysis, and ending the test; s5, reading an rbd configuration information file of the SRAM type FPGA by using Beyond company software, and comparing the configuration information of the rbd configuration information file read before and after irradiation if the rbd configuration information file is read normally; otherwise, recording the occurrence of single event functional interruption of the appointed module; s6, increasing the irradiation amount of the irradiation source and executing the step S4.)
技术领域
本发明涉及芯片单粒子效应试验技术领域，更具体地说，它涉及一种16nm FinFET工艺SRAM型FPGA单粒子效应试验方法。
背景技术
随着半导体工艺节点的迭代升级，先进的SRAM型FPGA芯片因其高性能低成本等特点，受到航天任务的青睐。无论是国外NASA的“毅力号”开展新一轮火星探索工作，“天问一号”历时200多天成功进入火星停泊轨道，还是近期国内“嫦娥五号”完成“奔月”任务，都有SRAM型FPGA作为航天器核心单元的身影。但空间环境中高能粒子如质子、电子、α粒子、重离子、γ射线等会穿过半导体材料的敏感区，产生的各类辐照效应会导致航天用SRAM型FPGA暂时失效、性能退化甚至永久报废，从而使航天器不能正常工作。
目前SRSM型FPGA的单粒子效应测试研究主要集中在中低端制程(28nm以上工艺)的辐照失效机理研究，缺少高端制程(16nm以下工艺)单粒子效应测试方法，因此，先进工艺节点(16nm)SRAM型FPGA辐照效应机理研究具有重要的研究意义及应用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种适用于16nm FinFET工艺SRAM型FPGA单粒子效应试验方法。
本发明的技术方案是：一种16nm FinFET工艺SRAM型FPGA单粒子效应试验方法，包括以下步骤：
S1.使用Verilog HDL硬件描述语言编写SRAM型FPGA中指定模块的电路配置文件，并将所述电路配置文件烧录到所述SRAM型FPGA中；
S2.设定电流阈值并配置到所述SRAM型FPGA的开发板的电源控制模块；
S3.辐照源以初始辐照量辐照所述SRAM型FPGA；
S4.在单次辐照过程中，使用Maxim Digital Power电流检测软件实时读取所述SRAM型FPGA的电流值，若所述电流值超过所述电流阈值，则所述电源控制模块自动断电，关闭所述辐照源，记录当前辐照能量下所述SRAM型FPGA发生的单粒子闩锁现象，并进行失效机理分析，试验结束；否则，执行步骤S5；
S5.使用Beyond Compare软件读取所述SRAM型FPGA的rbd配置信息文件，若读取正常，则通过比较辐照前后读取的rbd配置信息文件的配置信息，可以求得所述指定模块数据存储异常的单粒子翻转截面；否则，记录所述指定模块发生单粒子功能中断；
S6.继续加大所述辐照源的辐照量并辐照所述SRAM型FPGA，执行步骤S4。
作为进一步地改进，所述指定模块包括BRAM模块、CLB模块、CM模块。
进一步地，所述BRAM模块配置为100％使用率、分别存放全为1数据和全为0数据的存储模块，所述CLB模块中的FF模块配置为高使用率、存放0101数据的多链移位寄存器链电路。
进一步地，对所述rbd配置信息文件进行辐照前后数据处理，统计BRAM模块、FF模块、CM模块发生单粒子翻转截面，针对不同辐照量下，单位翻转和多位翻转失效现象进行机理分析。
进一步地，所述辐照源为脉冲激光辐照源、质子辐照源、电子辐照源、α粒子辐照源、重离子辐照源、γ射线辐照源中的任意一种。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有的优点为：
本发明采用脉冲激光对16nm FinFET工艺SRAM型FPGA进行单粒子效应试验，使用Verilog HDL硬件描述语言编写SRAM型FPGA中指定模块的电路配置文件，使用MaximDigital Power电流检测软件实时读取SRAM型FPGA的电流值使用Beyond Compare软件读取SRAM型FPGA的rbd配置信息文件，并进行辐照前后数据处理，有效验证了芯片对脉冲激光单粒子效应的高敏感性，在低激光能量(0.8nJ)下翻转主要以单比特为主，升高激光能量翻转以多比特翻转为主；16nm FPGA在脉冲激光能量1.6nJ发生单粒子闩锁，本发明的方法能够为先进工艺节点SRAM型FPGA的抗辐照设计提供支撑。
附图说明
图1为本发明的试验系统框图；
图2为本发明的试验流程图；
图3为本发明辐照读取rbd配置信息文件的失效数据对比。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
参阅图1，分析SRAM型FPGA的结构可知，甄别SRAM型FPGA的单粒子效应故障现象可从三个方面进行确认：FPGA中存储模块的回读来识别单粒子翻转、FPGA芯片电流的读取来识别单粒子闩锁、FPGA与上位机之间信息通讯来识别单粒子功能中断。为实现上述功能，设计的SRAM型FPGA单粒子效应测试系统由三个部分组成：电脑端Xilinx的Vivado软件、芯片电流检测软件、被测器件Xilinx的SRAM型FPGA开发板。电脑上位机装有Vivado软件用于编写硬件语言，以及对FPGA进行烧录配置和回读；采用Maxim的Maxim Digital Power软件检测16nm FPGA芯片电流；被测的SRAM型FPGA为KCU116开发板，与Vivado之间使用JTAG接口，与电流检测软件之间使用USB adapt连接器连接，SRAM型FPGA通过12V电源供电。
参阅图2-3，一种16nm FinFET工艺SRAM型FPGA单粒子效应试验方法，包括以下步骤：
S1.使用Verilog HDL硬件描述语言编写SRAM型FPGA中指定模块的电路配置文件，并将电路配置文件烧录到SRAM型FPGA中；
S2.设定电流阈值并配置到SRAM型FPGA的开发板的电源控制模块；
S3.辐照源以初始辐照量辐照SRAM型FPGA；
S4.在单次辐照过程中，使用Maxim Digital Power电流检测软件实时读取SRAM型FPGA的电流值，若电流值超过电流阈值，则电源控制模块自动断电，关闭辐照源，记录当前辐照能量下SRAM型FPGA发生的单粒子闩锁现象，并进行失效机理分析，试验结束；否则，执行步骤S5；
S5.使用Beyond Compare软件读取SRAM型FPGA的rbd配置信息文件，若读取正常，则通过比较辐照前后读取的rbd配置信息文件的配置信息，可以求得指定模块数据存储异常的单粒子翻转截面；否则，记录指定模块发生单粒子功能中断；
S6.继续加大辐照源的辐照量并辐照SRAM型FPGA，执行步骤S4。
指定模块包括BRAM模块、CLB模块、CM模块，由于BRAM、CLB和CM模块是SRAM型FPGA中使用最多最广泛，同时也是SRAM型FPGA中最受辐照影响的单元，因此对BRAM模块和CLB中FF模块两大存储单元进行高利用率硬件电路设计。BRAM模块配置为100％使用率、分别存放全为1数据和全为0数据的存储模块，CLB模块中的FF模块配置为高使用率、存放0101数据的多链移位寄存器链电路，这里的高使用率为75％使用率及以上。
rbd配置信息文件包含了BRAM、FF和CM模块的存储信息，对rbd配置信息文件进行辐照前后数据处理，统计BRAM模块、FF模块、CM模块发生单粒子翻转截面，针对不同辐照量下，单位翻转和多位翻转失效现象进行机理分析。
在本实施例中，辐照源为脉冲激光辐照源、质子辐照源、电子辐照源、α粒子辐照源、重离子辐照源、γ射线辐照源中的任意一种，其中脉冲激光辐照源具有操作便捷、花费少、单粒子效应实验摸底快等优点，更便于进行单粒子效应研究。
图3为本发明辐照读取rbd配置信息文件的失效数据对比，虚线框位置是表示失效数据，下表1为本发明辐照发生闩锁效应时芯片端口电流值，其中Output Current＝1.47A时为超过电流阈值。
表1
因为先进工艺节点(16nm以下工艺)的SRAM型FPGA特征尺寸大幅缩小，且相邻晶体管间电荷共享效应加剧，先进工艺节点的SRAM型FPGA的单粒子翻转截面不足以表征FPGA受辐照影响的数据，需要具体分为单位翻转截面、多位翻转截面、多节点翻转截面进行表征。本专利采用控制变量的形式将存储单元分别存放全1和全0数据进行配置，更便于对细分的翻转截面进行数据处理和先进工艺节点SRAM型FPGA辐照机理研究。
本发明使用Maxim Digital Power软件对被测FPGA的监测方式，具有节约成本、可调性高、数据读取直观性的优势，相较于硬件调试板的黑盒子式电流监测模式，本专利的软件电流监测方案更便于科研人员的现场操作。
本发明采用Beyond Compare软件比较被测FPGA的rbd配置信息文件辐照前后配置内容的差异，更具有数据读取直观性的优势。
本发明采用脉冲激光对16nm FinFET工艺SRAM型FPGA进行单粒子效应试验，使用Verilog HDL硬件描述语言编写SRAM型FPGA中指定模块的电路配置文件，使用MaximDigital Power电流检测软件实时读取SRAM型FPGA的电流值使用Beyond Compare软件读取SRAM型FPGA的rbd配置信息文件，并进行辐照前后数据处理，有效验证了芯片对脉冲激光单粒子效应的高敏感性，在低激光能量(0.8nJ)下翻转主要以单比特为主，升高激光能量翻转以多比特翻转为主；16nm FPGA在脉冲激光能量1.6nJ发生单粒子闩锁，本发明的方法能够为先进工艺节点SRAM型FPGA的抗辐照设计提供支撑。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
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