SRAM FPGA おけ 放射線誘起多重ビッ 反転 MBU

文献名 Radiation-Induced Multi-Bit Upsets in SRAM-Based FPGAs

出典 IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 52, No. 6, pp.2455-2461, Dec. 2005 著者名 H. Quinn, P. Graham, J. Krone, M. Caffrey, and S. Rezgui

対象 バイス FPGA

実験設備 フ ルニア大学- イ スの ッ ーNuclear研究所Cyclotron, A&M大学のK500 Cyclotron

照射線種及び エネルギーの区分

プ ン：63MeV 単発現象又

積算線量効果の区分

単発反転現象

実験又 理論の区分 実験

(1) 要約

本論文 Xilinx社のFPGA(Field-Progarammable gate arrays) おけ 、陽子 重イオン 対 す 多 重 ビ ッ 反 転(MBU)の 静 的 飽 和 断 面 積 を 評 価 す 方 法 重 冗 長 保 護 回 路 対 す MBUの効果を明 す 方法 種々の実験結果を示し い

(2) 序論

近年、Xilinx Virtexシ ー のよう 、揮発性 モ ー よ プ グ ム可能 FPGA 宇宙用信 号処理用途 使わ い [1],[2] SRAM よ FPGA 宇宙用演算処理用 し 多くの優 た点を有し い FPGA 、高価 ASICを造 く 、従来のマイ プ セッサーよ や

、特別 応用のための ー ウエアを提供す こ プ グ ムを書 換え いう機 能 、設計者 新しい応用や、現在あ プ グ ムを新しく入 おしたい 再構成す こ

、 こ 全 シ ス ム の 有 効 利 用 期 間 を 必 然 的 伸 す こ 結 局 、 利 用 COTS (Commercial-Off-The-Shelf)素子 、十分 確立さ た設計 ールを用い 宇宙用シス ム設計 の価格を こ

宇 宙 環 境 お い FPGAを 用 い 上 、 主 問 題 点 素 子 内 生 放 射 線 誘 起SEU

(Single-Event-Upset)の影響 対す 耐性 あ このよう 反転現象 、処理中の ータや機能

を変化させ、 タル回路その のの構成(結線)を 変え しまう 技術者や研究者たち[3]-[6] 、 論理レベル の 重冗長構成 、FPGAのプ グ ム(あ い 構成した) ータを保護す の 、 放射線誘起SBU (Single-bit Upset) 有効 働くこ を示した

SBU 加え 、単一荷電粒子 よ MBUの可能性 存在す モ ー構造を有す 他の集積 回路(IC) [8],[9] 同様 、FPGA おい MBU 生 い [7] 領域を超え 二 あ い

の基本素子 影響す 現象 、TMRを無効 す 、MBU 対す TMRの有効性 ほ

知 い い 本論文 、4世代のXilinx FPGA 対す 陽子および重イオン よ MBUの発

生を定量化し、TMR保護回路 影響す 問題を議論す

表5.2.7-2 重イオン試験のエネルギー、平均フ ッ ス、イオン種、角度 表5.2.7-1 ス したXILINXタバイス

(3) 方法

放射線誘起MBUの頻度 効果を理解す いう目標を達成す ため 、最初 陽子および重イ

オン よ SBU MBU 対す 静的断面積を特定し け い たび定量化 、

MBUの頻度 そ 機能構成回路(resource) 与え 影響 、TMR 影響す 可能性を理解

す ため 解析さ さ 、4世代のXilinx FPGAを用い MBU現象を解析し、微細化 続く

中 、 新 し いCMOSプ セ ス 技 術 潜 MBU 生 可 能 性 を 認 識 す 表5.2.7-1 試 験 し た FPGAの特性を示し い 今回の試験 、民生級の部品 使わ た し し、その結果 同 マス 製造した耐放射線強化FPGA のよう 特性を示す を表す あ

(a) 断面積を求め 方法

通常 FPGA や他の素子 静的飽和断面積を求め 、部品 照射さ 生 た反転 そ 独立し 発生した し 計測さ こ 筆者 の結果 示すよう 、この方法 MBUを 計測す の いの 、素子 よっ 間違った結果へ 導く 本節 、筆者 の ータ収集方 法 試験法 い 述

ス ア モス国立研究所 Xilinx放射線試験グループ(XRTC) フ ルニア大学 イ ス

校のCrocker原子力研究所のサイ ン 陽子 よ ータを取得した 陽子 よ 試験結果

63.3MeV-cm²/mg 角度0度 し 得 た の あ 最大350kradsを照射さ た

Virtex-Ⅱシ ー を除い 、ほ の部品 100krads以 の TID あ 筆者 の解析 、こ

の TID の範 、反転断面積 ータル ー 影響す こ いこ 分 った す の シ ー 対し 陽子試験を行っ いた 、Virtex-4 部品 エン ニア ング試料 あ 、その結 果 予備的 の あ

XRTC Texas M&A 大学のK500サイ ン

ー タ を 取 得 し た 重 イ オン試験

Virtex,Virtex-Ⅱそし Virtex-Ⅱシ ー 部品を選 表 5.2.7-2 試験した各シ ー の エ ネ ル ギー 、 試 験毎 の 平 均 フ ッ ス 、 線 源 そし 角 度 示 さ い 重 イ オン試験 、各部品 受け

最 大 の ー タ ル ー 400krads あった

試験構成 関し 、市販の の 特別仕様の ー ウエアおよびソフ ウエアを用いた ー ウ エア 関し 、試験す 部品 対し 通常の電圧を印加し 、Xilinx AFX シ ー 開発ボー

あ い XRTC特別仕様試験装置の ち を用いた この ー ウエア 対し 、FPGAプ グ ム ータの書 込 および 込 を制御す ため 特別仕様のソフ ウエアあ い Xilinx

iMPACT プ グ ムの ち を用いた 特別仕様のソフ ウエア 参照用のビッ 構成 出し

図5.2.7-1 Virtex-IIのレイアウト

ータの相違を見 ため 用いた

放射線照射 よ MBUの頻度を知 ため 、 ータ収集 おい 、次のよう 試験方法を用い た 照射中、以 示す2 のサイ ル 絶え間 く繰 返さ ：FPGA 反転した全ビッ を完 全 取 除くため 再プ グ ミングす 次 、プ グ ミング モ 反転した全ビッ を特定 記 録す ため す 出す その 出し ータ 、プ グ ミング ータのあ ゆ 変化を特 定す ため 、照射前 プ グ ミングした フ レンスビッ 構成 比較さ

ータ収集後、反転したビッ の位置を特定す ため 、反転したビッ ターン プ グ ミング ータの物理的レイアウ を関係 けた 図5.2.7-1 Virtex-IIシ ー の ッ イアグ ムを 示す このレイアウ 、試験した他のシ ー のレイアウ 類似し い 外観レイアウ バイ スの ッ 回路を再構成す ため 接続す 入出力 ッ (IOBs)を示し い そし 、 バイ ス の 内 部 領 域 、 回 路 の 機 能 性 を 備 え よ う あ め 構 成 可 能 性 の あ 論 理 ッ

(CLBs) あ CLBs 隣接す いく のCLBs 縦 並ぶよう 設計さ い し し

ッ 回路 RAMの ッ 集合 回路 、CLB ムの間 散 っ 点在す Virtex-4 新

しいアー チャ あ 、IOBs回路 周辺回路 変わっ 再構成可能 構造を ム し

レイアウ さ い 試験したVirtex-4 バイス 、 タル信号処理(DSP)回路を含 い

物理的 レイアウ を用い 、隣接す 反転ビッ そ の影響を受け 回路を分類し い 隣 接す ビッ 、反転したビッ を 8 個の近接す モ ーセル し い 図 5.2.7-2(a) 隣 接した モ ーセル あ 隣接したビッ 反転 MBUs し 分類さ 図5.2.7-2(b) 、3 の反転したビッ 一 のMBU し 同一のグループ した この手法 よっ 、最大のMBUサ イ MBUイベン のサイ を理解す こ 得 各MBU 生 た位置 、影響を受け FPGA内の機能回路を決定す ため 機能回路のタイプ よ MBUsの頻度を確認す ため 記 録さ

々の実験手法 MBUs を 引 起こ す粒子 多重 入 射 す

影響を最小限 したの 、そ の MBU 、ほぼ単一粒子 よ 現 象 あ 推 測

複 数 の 入 射 粒 子 よ 偽 の MBU(例 え 、 二 ま た そ 以上の反転 、物理的 隣接す

ビッ 生 ) 真の MBU 区 別 い 各 試 料 お

い 、フルエンス 増加す 従い、偽のMBUの起こ 確率 増加し い 任意の隣接境界 、 隣接し い い幾 のSBU現象 、一 の9セル 生 た現象を取 除い しまう そ ゆえ、

偽のMBU 急 増加す 偽のMBUを減少させ ため 、 出し当た の反転 わ し 生 いよう フルエンスを制限した

々の ータ収集手順の有効性を確 め ため 、 ータセッ の中 偽の2bit反転の影響 を予測した ビッ 構成の反転ビッ のす 非隣接反転のシングルビッ あ いう仮定 基 い 、N 個の反転 偽のMBUs 作 出さ 割合を決定した この確率 出し毎の反

図5.2.7-2 隣接アップセッ MBUs.

転数 、ビッ 構成の大 さ その物理的 形状の関数 あ 表 5.2.7-3 、各素 子の ータ群 おい 、素子あた の最 悪反転数 基 いた偽 MBU 最 悪確率を示し い 陽子 ータ群 、

ータ中 偽の MBU あ そう い こ を示し お 、真の MBUイベン 発 生確率 、偽のMBUレー よ 40-80 倍 大 いこ 示し い 重イオン ータ群 、 ータ中 多くの偽 MBU

ビ ッ 構 成 の 反 転 多 く あ そ 拘 、真の重イオン放射線誘 起MBU発生確率 、偽のMBU発生 確率よ 7×10⁵倍大 い

(4) 陽子および重イオン ータ

ここ 、Xilinx社製FPGAs 対す 重イオン試験 プ ン 試 験の結果を示す こ の試験

よ 、筆者 MBUの大 さの範 その回路要素/方向性 関わ こ FPGA 物理的 レイアウ 規則正しい 、CLBsのよう 機能単位 単一ビッ マルチビッ 反転を伴う反転を 引 起こしそう あ そ ゆえ 、機能回路 よ 反転ビッ 解析 よっ 、あ 一 の機能回路

他の回路へ 現象を伝播し ち あ この論文 CLBs, BRAM,BRAM間接合や IOBs 最 一般的 機能回路の反転を取 扱っ い また、MBU現象の方向性(行、列あ い 対角線状 隣接) 、幾 のビッ 他の幾 のビッ 近接し い いうよう 、 バイスの物理的 レ イアウ 関連し い 素子内 如何 回路レイアウ を変更す よ 、方向を曲 こ 潜在的 MBUの効果を最小限 す 可能性のあ 方法 あ

表5.2.7-44種類のXILINX FPGASへの63.3 MeVプ ン照射 発生す アップセッ のイベン 数別の頻度 全イベン 対す 割合

表5.2.7-3 最悪 ース の偽MBUsの割合

(a) 陽子試験

表5.2.7-4 、SBU ４種類の反転数の異 MBUの反転頻度を示す Virtex おい 、96 個のMBUイベン 確認さ た 、こ 全 2ビッ イベン あ 他の3 のシ ー 、ま

起こ 4ビッ のイベン を含め 、よ 変化 富 MBU現象 あった Virtex-4 、5ビ

ッ や そ 以 上 の 反 転 を 観 測 し た こ の ー タ 、Virtex-II Virtex-II Pro シ ー の MBUs 、初期のVirtexシ ー よ 27～33倍多いの 一般的 あ Virtex-4シ ー のMBUイベン Virtex-4やVirtex-IIやVirtex-II Proシ ー よ およそ3倍多い傾向 、

Virtexシ ー よ 69倍 そう あった 表5.2.7-5 全シ ー おけ 最大発生予測

Maximum likelihood estimation(MLE)イベン 数を示す シ ー す 亘っ のMBUの 原因 の シ ー 全体 のMLE現象の大 さを増加させ 原因

表5.2.7-6 、機能回路毎のMBUs発生頻度を示し い また、Xilinx社製FPGAシ ー の各機能回路 い 、全MBUイベン 対す 割合 示す この表 、MBUsの発生す 主

機能回路 、CLB BRAMi 回路 あ こ わ った Virtex-4 、他のフ ミ ー 比較し

BRAM IOB 回 路 の 反 転 あ 、BRAMi 回 路 こ こ 表 の せ い い Virtex-4DSP回路 、116回MBUs(2.5%) 発生した MBUsの数を1機能回路当た の反転 総 数 対 し 規 格 化 す 、Virtex Virtex-II シ ー 対 し 0.1%～2%の 間 あ Virtex-II Proシ ー 対し 0.3% 5.1%ま の広い範 った Virtex-4シ ー の規

表5.2.7-5 4種類のXILINX FPGASへの63.3 MeVプ ン照射 発生す 最尤推定イベン 数 90% 信頼区間

表5.2.7-6 4種類のXILINX FPGASへの63.3 MeVプ ン照射 発 生す MBUの回路要素別の頻度 全イベン 対す 割合

場合、5.3% 7.7% よ 高い こ の値 、SBU 支配的 あ こ を示し い 最終的 、表5.2.7-7 、MBUsの反転の方向性を示す こVirtex 関し 、形状的 ム(縦列)(あ い フレーム) MBU 見 った 、他の 3 種類のシ ー 近接す

ム(縦列) MBUの方向性を支配す こ の結果 、新しいシ ー のレイアウ 、即ち、形 状 ータの単一コ ム(縦列)内の二 のビッ 隣 合ったコ ム(縦列) あ 2 ビッ よ 物理的

接近し い いう幾何学的性質を反映し い

(b) 重イオン試験

Virtex、Virtex-II、およびVirtex-II Pro い 、様々 線エネルギー付与(LETs) 試験 表5.2.7-7 4種類のXILINX FPGASへの63.3 MeVプ ン

照射 発生す アップセッ の相対位置関係別の頻度 全イベン 対す 割合

図5.2.7-3 3種類のXilinx FPGAへの重イオン照射 生 るMBU 全イベントの割合