一种16nmFinFET工艺SRAM型FPGA单粒子效应试验方法与流程

一种16nm finfet工艺sram型fpga单粒子效应试验方法
技术领域
1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.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：
6.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；
7.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；
8.s3.辐照源以初始辐照量辐照所述sram型fpga；
9.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；
10.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；
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.有益效果
17.本发明与现有技术相比，具有的优点为：
18.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maxim digital 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
19.图1为本发明的试验系统框图；
20.图2为本发明的试验流程图；
21.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
22.下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
23.参阅图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。
24.参阅图2
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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：
25.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；
26.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；
27.s3.辐照源以初始辐照量辐照sram型fpga；
28.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；
29.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；
30.s6.继续加大辐照源的辐照量并辐照sram型fpga，执行步骤s4。
31.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。
32.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。
33.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。
34.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。
[0035][0036][0037]
表1
[0038]
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。
[0039]
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。
[0040]
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。
[0041]
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maxim digital 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。
[0042]
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。