eng
В статье рассмотрена методика расчета экспериментальной интенсивности отказов ПЛИС с использованием статистики хи-квадрат, а также влияние сбоев, вызванных ионизирующим излучением, на характеристики надежности современных ПЛИС, выпускаемых по нанометровым проектным нормам.
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.185.4.52.58
УДК 621.3.049.774
ВАК 05.27.01
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.185.4.52.58
УДК 621.3.049.774
ВАК 05.27.01
Теги: chi-square statistics failure rate fpga single event functional interrupt (sefi) single event upset (seu) вызывающая функциональное прерывание (sefi) интенсивность отказов одиночная ошибка одиночный сбой (seu) плис статистика хи-квадрат
Сегодня ПЛИС все чаще применяются в аппаратуре ответственного назначения, которая должна отвечать высоким требованиям по надежности. Однако непрерывное уменьшение технологических проектных норм при изготовлении интегральных схем усугубляет проблему обеспечения отказоустойчивости высокоинтегрированных ПЛИС. Анализ интенсивности отказов и прогнозирование характеристик надежности ПЛИС проводят по результатам ускоренных испытаний, которые за относительно короткий период времени позволяют оценить вероятность появления отказов в процессе эксплуатации устройства. Рассмотрим методику расчета экспериментальной интенсивности отказов ПЛИС с использованием статистики хи-квадрат, а также влияние сбоев, вызванных ионизирующим излучением, на характеристики надежности современных ПЛИС, выпускаемых по нанометровым проектным нормам.
Надежность БИС, в том числе ПЛИС, при эксплуатации характеризуется известной кривой зависимости интенсивности отказов от времени. Эта кривая показывает относительно высокую интенсивность отказов на ранней стадии (в период приработки), сравнительно низкую и стабильную интенсивность отказов в период эксплуатации и возрастающую интенсивность в период износа (после примерно 25 лет непрерывной работы) [1, 2].
Статья содержит формулы. Рекомендуем читать в ПДФ. (Примечание ред.)
Интенсивность отказов зарубежных ПЛИС принято выражать в ФИТах (FIT – Failure in Time, или число отказов за полное время испытаний), так как это удобно и наглядно отражает сверхмалые интенсивности отказов: ФИТ = λ · 109. Интенсивность отказов λ характеризуется размерностью 1 / ч. Поэтому, например, 1 ФИТ эквивалентен одному отказу на 109 приборов в час, интенсивность отказов 5 ФИТ означает, что прогнозируется пять отказов на 1 млн ИС, имеющих наработку 1 000 ч.
Вероятность безотказной работы P(t) для экспоненциального закона распределения вероятностей отказа случайной величины для периода нормальной работы равна [3–5]:
формула (1)
где t0 = MTTF – среднее время наработки до первого отказа или ее математическое ожидание:
MTTF = 1 / λ. (2)
Интенсивность отказов может быть оценена по формуле (3) в предположении, что действуют механизмы отказа, выявляемые температурой [3–5]:
формула (3)
где Δn – число отказавших ИС за время испытаний, N – число ИС в выборке,
Δt – длительность испытаний,
– коэффициент ускорения отказов, выявляемых температурой.
показывает экспоненциальную зависимость от температуры в диапазоне 0,3–1,3 эВ. Если принять, что различные дефекты влияют примерно одинаково на изменение интенсивности отказов, то среднюю энергию активации можно считать равной 0,4 эВ. В соответствии с правилом «10 градусов» принимают, что скорость старения увеличивается вдвое при повышении температуры на 10 °C. Этому закону нарастания скорости старения соответствует энергия активации в пределах 0,7–0,8 эВ. Поэтому величину 0,7 эВ обычно используют в расчетах интенсивности отказов.
В качестве показателя снижения долговечности прибора в результате развития дефектов при повышении температуры от T1 до T2 используют коэффициент ускорения [1–5]:
формула (4)
или с учетом рассеиваемой мощности на переходе:
формула (5)
где верхний индекс T отражает влияние температуры; t1 и t2 – среднее время наработки на отказ при температуре T1 и T2 соответственно; T1, T2 – нормальная и повышенная температура соответственно (например, T1 (°K) = 55 °C + 273, T2 (°K) = 125 °C + 273); k = 8,167 ·10–5 эВ / °K; Ea – энергия активации для наблюдаемого процесса старения; P1, P2 – рассеиваемая мощность на переходе; – термические коэффициенты сопротивления (ТКС) «переход – окружающая среда».
На рис. 1 показана экстраполяция результатов ускоренных испытаний, проводимых при температуре 167,5 °C, на условия эксплуатации при температуре 70 °C при = 188 и Ea = 0,7 эВ [6].
Если в качестве ускоряющего фактора использовать напряженность электрического поля, то для выявления дефектов оксида коэффициент ускорения равен [1, 7–9]:
формула (6)
где ΔUn = U1 – U2, U2 < U1 (для различных серий ПЛИС используются разные напряжения), U2 – повышенное напряжение при испытаниях, U1 – рабочее напряжение, например, 13,2 и 12 В или 3,96 и 3,3 В.
Зарубежные компании-производители ПЛИС в качестве моделей коэффициента ускорения (ускоряющий фактор – повышенное напряжение) используют следующие выражения:
Atmel [7]: где β = 0,5–1 [B–1];
Altera [8, 9]: для подзатворных диэлектриков МОП-транзисторов – ,
где – толщина подзатворного диэлектрика МОП-транзистора (при технологических проектных нормах более 90 нм, Ea = 0,7 эВ, β = 3,2 [B–1]); для межслойных диэлектриков металлизации (Ea = 0,7 эВ, β = 2,0 [B–1]) – Kумд = .
Экспериментальную интенсивность отказов ПЛИС ведущие компании (в частности Atmel, Xilinx, Altera, QuickLogic, Actel) оценивают с использованием статистики χ2 (хи-квадрат) [1–11]:
формула (7)
где , χ2 – распределение хи-квадрат (табулированная величина, зависящая от доверительной вероятности и числа отказов); – доверительная вероятность, связанная с уровнем значимости CL соотношением ; – число степеней свободы, где n – количество отказавших ИС; N – общее число испытуемых ИС; Ky – обобщенный коэффициент ускорения (например, ); – время испытаний; – приведенное полное время испытаний или эквивалентные приборо-часы (в зарубежной литературе принята аббревиатура EDH – Equivalent Device Hours). Значения EDH обычно приводятся к температуре 55 °C.
Использование формулы (7) предполагает рассмотрение значения U как случайной величины, распределенной по закону χ2 [6, 8, 9]. При отсутствии отказов за время испытаний (n = 0, m = 2) их интенсивность описывается экспоненциальным распределением времени до наступления отказа. Оценка интенсивности отказов ПЛИС, полученная с использованием распределения χ2, справедлива только для периода нормальной работы устройства на кривой интенсивности отказов.
Рассмотрим порядок расчета интенсивности отказов, когда при испытаниях используются два ускоряющих фактора: повышенная температура и повышенное напряжение питания [3]. За рубежом используют понятие HTOL – High Temperature Operating Life Test (метод 1005, 1006 по MIL-STD – 883). В отечественной практике под HTOL понимают электротермотренировку (ЭТТ), статическую или динамическую, которая проводится при предельных электрических нагрузках (обычно 20–30% номинального напряжения питания VCC) и предельной температуре (125–150 °C). Время испытаний не превышает 1 000 ч. ЭТТ ускоряет процесс старения БИС (в том числе ПЛИС) и предназначена для «выжигания» ранних отказов и повышения надежности оставшихся в партии изделий. Динамическая ЭТТ связана с отказами в результате износа с низкой энергией активации (порядка 0,3–0,4 эВ).
Условия и режимы проведения ЭТТ для определения интенсивности отказов зарубежные компании устанавливают самостоятельно, однако в большинстве случаев они аналогичны указанным в MIL-HDBK‑217.
Результаты ускоренных испытаний КМОП ПЛИС типа FPGA компании Microsemi с 60%-ным уровнем значимости и энергией активации отказов Ea = 0,7 эВ, приведенные к температуре 55 °C, представлены в табл. 1 [11]. А в табл. 2 отражены результаты ускоренных испытаний КМОП ПЛИС типа FPGA компании Altera с 60%-ным уровнем значимости и энергией активации отказов 0,7 эВ, приведенные к температуре 70 °C.
Доминирующими механизмами отказов для ПЛИС серии Stratix V, изготовленных по 28-нм КМОП-процессу (High Performance) кремниевой фабрики TSMC являются: пробой подзатворного диэлектрика (0,53 эВ); пробой межслойных диэлектриков (0,56 эВ); сквозные пустоты (1 эВ). Серия Stratix V работает при напряжениях питания Vcc 0,85 или 0,9 В в зависимости от скорости ПЛИС. При ускоренных испытаниях использовались напряжения 1,1 и 1,2 В. Общая интенсивность отказов с применением статистики χ2 при нуле отказов составила 47 ФИТ. Согласно отчету за I квартал 2017 года интенсивность отказов ИС этой же серии, изготовленной в TSMC по аналогичному техпроцессу, составила 38,5 ФИТ [8, 9].
Результаты ускоренных испытаний КМОП ПЛИС от Xilinx с 60%-ным уровнем значимости и энергией активации отказов 0,7 эВ, приведенные к температуре 55 °C, представлены в табл. 3 [12, 13].
При переходе на новые технологические поколения ПЛИС по мере уменьшения геометрических размеров транзисторов и напряжения питания важную роль стала играть проблема сбоев, вызванных ионизирующим излучением. Эти виды отказов можно сравнить с такими проблемами, снижающими надежность современных БИС, как электромиграция, времязависимый пробой подзатворного диэлектрика и др.
Современные ПЛИС, выпускаемые по нанометровым проектным нормам, как на основе СОЗУ или флеш-памяти, так и с токопроводящими перемычками (antifuse), в той или иной мере подвержены радиационным воздействиям, что может ограничивать их применение в будущем [14]. Одиночные сбои переключения ячеек памяти, проявляющиеся в обратимом изменении ее состояния, вызванные ионизирующим излучением (Single Event Upset – SEU), рассматривались раньше как проблема, актуальная только для аэрокосмических вариантов применения. Однако за последние годы выяснилось, что эта проблема распространилась и на БИС, работающие в атмосфере и даже на уровне Земли, стала одним из основных источников системных сбоев радиоаппаратуры.
Рассмотрим ситуацию на примере ПЛИС компании Xilinx. В табл. 4 представлены сведения об интенсивности программных ошибок (которые принято измерять в ФИТах / Мбайт) для ПЛИС на базе СОЗУ от Xilinx разных технологических поколений. Эти данные были получены по результатам ускоренных испытаний с использованием источника нейтронов LANSCE (Los Alamos Neutron Science Center, Лос-Аламосский центр по изучению физики нейтронов) и измерений атмосферного нейтронного воздействия, проводимых в реальном времени (на уровне системы) в местностях, различающихся высотой над уровнем моря (горные вершины и под землей), в соответствии с методикой JESD89A / 89-1A [13]. При измерениях учитывались ошибки в ПЛИС, вызванные одиночными сбоями ячеек конфигурационной памяти CRAM вследствие воздействия ионизирующего излучения.
При испытаниях использовалась специальная экспериментальная установка LANSCE для имитации радиационной среды земной атмосферы.
Ошибки в ПЛИС оказывают влияние на работу системы, вызывая функциональные прерывания (Single Event Functional Interrupt – SEFI). Для оценки влияния ионизирующего излучения на проекты, реализованные в базисе ПЛИС, применяется такое понятие, как «фактор уязвимости устройства» (DVF). DVF для типичного проекта в ПЛИС составляет 5%, поскольку не все конфигурационные биты ПЛИС могут использоваться в проекте и из-за наличия критичных бит для реализуемой логической функции. В наихудшем случае DVF не превышает 10% сбоев, вызывающих программную ошибку.
Ранние ПЛИС Xilinx серии Virtex-II демонстрировали интенсивность программных ошибок на уровне 405 ФИТ / Мбайт и содержали около 106 конфигурационных бит. Данные, представленные в табл. 4, показывают, что для ПЛИС, выпущенных по 45-, 28- и 16-нм проектным нормам, характерно устойчивое снижение интенсивности программных ошибок как в условиях воздействия тепловых нейтронов и альфа-частиц при экспериментальных испытаниях с использованием источника нейтронов LANSCE, так и при атмосферном нейтронном воздействии. Непрерывное снижение интенсивности программных ошибок стало возможным в результате применения инновационных конструкторско-технологических решений, например при разработке ячейки памяти, обладающей иммунитетом к SEU.
Заключение
Для оценки экспериментальной интенсивности отказов ПЛИС по результатам квалификационных испытаний в производственных условиях используется статистика χ2, которая справедлива только для периода нормальной работы ИС на «ваннообразной» кривой интенсивности отказов, когда «ранние» отказы исключены, а также при больших значениях эквивалентных приборо-часов (EDH). Результаты ускоренных испытаний (ускоряющий фактор – температура в сочетании с повышенным напряжением), проведенных зарубежными компаниями-производителями, показали сверхнизкую интенсивность отказов ПЛИС, не превышающую 200 ФИТ, что гарантирует 100 тыс. ч безотказной работы.
По мере уменьшения минимальных геометрических размеров элементов и снижения напряжения питания современных ПЛИС сбои, вызванные ионизирующим излучением, становятся все более важным фактором, влияющим на характеристики ИС. Для снижения интенсивности сбоев компании внедряют как схемотехнические, так и технологические решения, направленные на повышение стойкости ПЛИС к внешним воздействиям.
ЛИТЕРАТУРА
Строгонов А. Оценка долговечности БИС по результатам ускоренных испытаний // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 3. C. 10–16.
Строгонов А., Цыбин С., Городков П. Расчет количественных показателей надежности цифровых БИС с использованием справочника MIL-HDBK‑217F и программы MTBF Calculator фирмы ALD // Компоненты и технологии. 2015. № 1. C. 6–12.
Silicon Solution Company. Oki Electric Industry Co., Ltd. '04 Hand Book for QUALITY / RELIABILITY. May 11, 2004.
ADI Reliability Handbook. monitoring_predication.pdf. – http://www.analog.com
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/UG‑311.pdf
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/HBD851-D.PDF. Quality & Reliability Handbook
2010 Atmel Corporation. Rev.: ATMELQHBK –
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.
188.4679&rep=rep1&type=pdfAtmel Quality Handbook
Reliability Report 57. 1H 2014. – www.altera.com
Reliability Report. 1H 2017. – www.intel.com
Quality & Reliability Guide. February 2001. – www.actel.com
Reliability Report. RT0001. Microsemi FPGA and SoC Products. – www.microsemi.com
Device Reliability Report. Second Half 2017. UG116 (v10.8). March 22, 2018. – www.xilinx.com
Device Reliability Report. Second Half 2018. UG116 (v10.10). March 22, 2019. – www.xilinx.com
ПЛИС и параллельные архитектуры для применения в аэрокосмической области. Программные ошибки и отказоустойчивое проектирование / Под ред. Кастеншмидт Ф., Реха П.; перевод с англ. и научная редакция Цыбина С.А, Быстрицкого А.В, Строгонова А. В., Городкова П. С. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2018. 326 с.
Надежность БИС, в том числе ПЛИС, при эксплуатации характеризуется известной кривой зависимости интенсивности отказов от времени. Эта кривая показывает относительно высокую интенсивность отказов на ранней стадии (в период приработки), сравнительно низкую и стабильную интенсивность отказов в период эксплуатации и возрастающую интенсивность в период износа (после примерно 25 лет непрерывной работы) [1, 2].
Статья содержит формулы. Рекомендуем читать в ПДФ. (Примечание ред.)
Интенсивность отказов зарубежных ПЛИС принято выражать в ФИТах (FIT – Failure in Time, или число отказов за полное время испытаний), так как это удобно и наглядно отражает сверхмалые интенсивности отказов: ФИТ = λ · 109. Интенсивность отказов λ характеризуется размерностью 1 / ч. Поэтому, например, 1 ФИТ эквивалентен одному отказу на 109 приборов в час, интенсивность отказов 5 ФИТ означает, что прогнозируется пять отказов на 1 млн ИС, имеющих наработку 1 000 ч.
Вероятность безотказной работы P(t) для экспоненциального закона распределения вероятностей отказа случайной величины для периода нормальной работы равна [3–5]:
формула (1)
где t0 = MTTF – среднее время наработки до первого отказа или ее математическое ожидание:
MTTF = 1 / λ. (2)
Интенсивность отказов может быть оценена по формуле (3) в предположении, что действуют механизмы отказа, выявляемые температурой [3–5]:
формула (3)
где Δn – число отказавших ИС за время испытаний, N – число ИС в выборке,
Δt – длительность испытаний,
– коэффициент ускорения отказов, выявляемых температурой.
показывает экспоненциальную зависимость от температуры в диапазоне 0,3–1,3 эВ. Если принять, что различные дефекты влияют примерно одинаково на изменение интенсивности отказов, то среднюю энергию активации можно считать равной 0,4 эВ. В соответствии с правилом «10 градусов» принимают, что скорость старения увеличивается вдвое при повышении температуры на 10 °C. Этому закону нарастания скорости старения соответствует энергия активации в пределах 0,7–0,8 эВ. Поэтому величину 0,7 эВ обычно используют в расчетах интенсивности отказов.
В качестве показателя снижения долговечности прибора в результате развития дефектов при повышении температуры от T1 до T2 используют коэффициент ускорения [1–5]:
формула (4)
или с учетом рассеиваемой мощности на переходе:
формула (5)
где верхний индекс T отражает влияние температуры; t1 и t2 – среднее время наработки на отказ при температуре T1 и T2 соответственно; T1, T2 – нормальная и повышенная температура соответственно (например, T1 (°K) = 55 °C + 273, T2 (°K) = 125 °C + 273); k = 8,167 ·10–5 эВ / °K; Ea – энергия активации для наблюдаемого процесса старения; P1, P2 – рассеиваемая мощность на переходе; – термические коэффициенты сопротивления (ТКС) «переход – окружающая среда».
На рис. 1 показана экстраполяция результатов ускоренных испытаний, проводимых при температуре 167,5 °C, на условия эксплуатации при температуре 70 °C при = 188 и Ea = 0,7 эВ [6].
Если в качестве ускоряющего фактора использовать напряженность электрического поля, то для выявления дефектов оксида коэффициент ускорения равен [1, 7–9]:
формула (6)
где ΔUn = U1 – U2, U2 < U1 (для различных серий ПЛИС используются разные напряжения), U2 – повышенное напряжение при испытаниях, U1 – рабочее напряжение, например, 13,2 и 12 В или 3,96 и 3,3 В.
Зарубежные компании-производители ПЛИС в качестве моделей коэффициента ускорения (ускоряющий фактор – повышенное напряжение) используют следующие выражения:
Atmel [7]: где β = 0,5–1 [B–1];
Altera [8, 9]: для подзатворных диэлектриков МОП-транзисторов – ,
где – толщина подзатворного диэлектрика МОП-транзистора (при технологических проектных нормах более 90 нм, Ea = 0,7 эВ, β = 3,2 [B–1]); для межслойных диэлектриков металлизации (Ea = 0,7 эВ, β = 2,0 [B–1]) – Kумд = .
Экспериментальную интенсивность отказов ПЛИС ведущие компании (в частности Atmel, Xilinx, Altera, QuickLogic, Actel) оценивают с использованием статистики χ2 (хи-квадрат) [1–11]:
формула (7)
где , χ2 – распределение хи-квадрат (табулированная величина, зависящая от доверительной вероятности и числа отказов); – доверительная вероятность, связанная с уровнем значимости CL соотношением ; – число степеней свободы, где n – количество отказавших ИС; N – общее число испытуемых ИС; Ky – обобщенный коэффициент ускорения (например, ); – время испытаний; – приведенное полное время испытаний или эквивалентные приборо-часы (в зарубежной литературе принята аббревиатура EDH – Equivalent Device Hours). Значения EDH обычно приводятся к температуре 55 °C.
Использование формулы (7) предполагает рассмотрение значения U как случайной величины, распределенной по закону χ2 [6, 8, 9]. При отсутствии отказов за время испытаний (n = 0, m = 2) их интенсивность описывается экспоненциальным распределением времени до наступления отказа. Оценка интенсивности отказов ПЛИС, полученная с использованием распределения χ2, справедлива только для периода нормальной работы устройства на кривой интенсивности отказов.
Рассмотрим порядок расчета интенсивности отказов, когда при испытаниях используются два ускоряющих фактора: повышенная температура и повышенное напряжение питания [3]. За рубежом используют понятие HTOL – High Temperature Operating Life Test (метод 1005, 1006 по MIL-STD – 883). В отечественной практике под HTOL понимают электротермотренировку (ЭТТ), статическую или динамическую, которая проводится при предельных электрических нагрузках (обычно 20–30% номинального напряжения питания VCC) и предельной температуре (125–150 °C). Время испытаний не превышает 1 000 ч. ЭТТ ускоряет процесс старения БИС (в том числе ПЛИС) и предназначена для «выжигания» ранних отказов и повышения надежности оставшихся в партии изделий. Динамическая ЭТТ связана с отказами в результате износа с низкой энергией активации (порядка 0,3–0,4 эВ).
Условия и режимы проведения ЭТТ для определения интенсивности отказов зарубежные компании устанавливают самостоятельно, однако в большинстве случаев они аналогичны указанным в MIL-HDBK‑217.
Результаты ускоренных испытаний КМОП ПЛИС типа FPGA компании Microsemi с 60%-ным уровнем значимости и энергией активации отказов Ea = 0,7 эВ, приведенные к температуре 55 °C, представлены в табл. 1 [11]. А в табл. 2 отражены результаты ускоренных испытаний КМОП ПЛИС типа FPGA компании Altera с 60%-ным уровнем значимости и энергией активации отказов 0,7 эВ, приведенные к температуре 70 °C.
Доминирующими механизмами отказов для ПЛИС серии Stratix V, изготовленных по 28-нм КМОП-процессу (High Performance) кремниевой фабрики TSMC являются: пробой подзатворного диэлектрика (0,53 эВ); пробой межслойных диэлектриков (0,56 эВ); сквозные пустоты (1 эВ). Серия Stratix V работает при напряжениях питания Vcc 0,85 или 0,9 В в зависимости от скорости ПЛИС. При ускоренных испытаниях использовались напряжения 1,1 и 1,2 В. Общая интенсивность отказов с применением статистики χ2 при нуле отказов составила 47 ФИТ. Согласно отчету за I квартал 2017 года интенсивность отказов ИС этой же серии, изготовленной в TSMC по аналогичному техпроцессу, составила 38,5 ФИТ [8, 9].
Результаты ускоренных испытаний КМОП ПЛИС от Xilinx с 60%-ным уровнем значимости и энергией активации отказов 0,7 эВ, приведенные к температуре 55 °C, представлены в табл. 3 [12, 13].
При переходе на новые технологические поколения ПЛИС по мере уменьшения геометрических размеров транзисторов и напряжения питания важную роль стала играть проблема сбоев, вызванных ионизирующим излучением. Эти виды отказов можно сравнить с такими проблемами, снижающими надежность современных БИС, как электромиграция, времязависимый пробой подзатворного диэлектрика и др.
Современные ПЛИС, выпускаемые по нанометровым проектным нормам, как на основе СОЗУ или флеш-памяти, так и с токопроводящими перемычками (antifuse), в той или иной мере подвержены радиационным воздействиям, что может ограничивать их применение в будущем [14]. Одиночные сбои переключения ячеек памяти, проявляющиеся в обратимом изменении ее состояния, вызванные ионизирующим излучением (Single Event Upset – SEU), рассматривались раньше как проблема, актуальная только для аэрокосмических вариантов применения. Однако за последние годы выяснилось, что эта проблема распространилась и на БИС, работающие в атмосфере и даже на уровне Земли, стала одним из основных источников системных сбоев радиоаппаратуры.
Рассмотрим ситуацию на примере ПЛИС компании Xilinx. В табл. 4 представлены сведения об интенсивности программных ошибок (которые принято измерять в ФИТах / Мбайт) для ПЛИС на базе СОЗУ от Xilinx разных технологических поколений. Эти данные были получены по результатам ускоренных испытаний с использованием источника нейтронов LANSCE (Los Alamos Neutron Science Center, Лос-Аламосский центр по изучению физики нейтронов) и измерений атмосферного нейтронного воздействия, проводимых в реальном времени (на уровне системы) в местностях, различающихся высотой над уровнем моря (горные вершины и под землей), в соответствии с методикой JESD89A / 89-1A [13]. При измерениях учитывались ошибки в ПЛИС, вызванные одиночными сбоями ячеек конфигурационной памяти CRAM вследствие воздействия ионизирующего излучения.
При испытаниях использовалась специальная экспериментальная установка LANSCE для имитации радиационной среды земной атмосферы.
Ошибки в ПЛИС оказывают влияние на работу системы, вызывая функциональные прерывания (Single Event Functional Interrupt – SEFI). Для оценки влияния ионизирующего излучения на проекты, реализованные в базисе ПЛИС, применяется такое понятие, как «фактор уязвимости устройства» (DVF). DVF для типичного проекта в ПЛИС составляет 5%, поскольку не все конфигурационные биты ПЛИС могут использоваться в проекте и из-за наличия критичных бит для реализуемой логической функции. В наихудшем случае DVF не превышает 10% сбоев, вызывающих программную ошибку.
Ранние ПЛИС Xilinx серии Virtex-II демонстрировали интенсивность программных ошибок на уровне 405 ФИТ / Мбайт и содержали около 106 конфигурационных бит. Данные, представленные в табл. 4, показывают, что для ПЛИС, выпущенных по 45-, 28- и 16-нм проектным нормам, характерно устойчивое снижение интенсивности программных ошибок как в условиях воздействия тепловых нейтронов и альфа-частиц при экспериментальных испытаниях с использованием источника нейтронов LANSCE, так и при атмосферном нейтронном воздействии. Непрерывное снижение интенсивности программных ошибок стало возможным в результате применения инновационных конструкторско-технологических решений, например при разработке ячейки памяти, обладающей иммунитетом к SEU.
Заключение
Для оценки экспериментальной интенсивности отказов ПЛИС по результатам квалификационных испытаний в производственных условиях используется статистика χ2, которая справедлива только для периода нормальной работы ИС на «ваннообразной» кривой интенсивности отказов, когда «ранние» отказы исключены, а также при больших значениях эквивалентных приборо-часов (EDH). Результаты ускоренных испытаний (ускоряющий фактор – температура в сочетании с повышенным напряжением), проведенных зарубежными компаниями-производителями, показали сверхнизкую интенсивность отказов ПЛИС, не превышающую 200 ФИТ, что гарантирует 100 тыс. ч безотказной работы.
По мере уменьшения минимальных геометрических размеров элементов и снижения напряжения питания современных ПЛИС сбои, вызванные ионизирующим излучением, становятся все более важным фактором, влияющим на характеристики ИС. Для снижения интенсивности сбоев компании внедряют как схемотехнические, так и технологические решения, направленные на повышение стойкости ПЛИС к внешним воздействиям.
ЛИТЕРАТУРА
Строгонов А. Оценка долговечности БИС по результатам ускоренных испытаний // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 3. C. 10–16.
Строгонов А., Цыбин С., Городков П. Расчет количественных показателей надежности цифровых БИС с использованием справочника MIL-HDBK‑217F и программы MTBF Calculator фирмы ALD // Компоненты и технологии. 2015. № 1. C. 6–12.
Silicon Solution Company. Oki Electric Industry Co., Ltd. '04 Hand Book for QUALITY / RELIABILITY. May 11, 2004.
ADI Reliability Handbook. monitoring_predication.pdf. – http://www.analog.com
http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/UG‑311.pdf
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/HBD851-D.PDF. Quality & Reliability Handbook
2010 Atmel Corporation. Rev.: ATMELQHBK –
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.
188.4679&rep=rep1&type=pdfAtmel Quality Handbook
Reliability Report 57. 1H 2014. – www.altera.com
Reliability Report. 1H 2017. – www.intel.com
Quality & Reliability Guide. February 2001. – www.actel.com
Reliability Report. RT0001. Microsemi FPGA and SoC Products. – www.microsemi.com
Device Reliability Report. Second Half 2017. UG116 (v10.8). March 22, 2018. – www.xilinx.com
Device Reliability Report. Second Half 2018. UG116 (v10.10). March 22, 2019. – www.xilinx.com
ПЛИС и параллельные архитектуры для применения в аэрокосмической области. Программные ошибки и отказоустойчивое проектирование / Под ред. Кастеншмидт Ф., Реха П.; перевод с англ. и научная редакция Цыбина С.А, Быстрицкого А.В, Строгонова А. В., Городкова П. С. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2018. 326 с.
Отзывы читателей
