Russian Federation
Russian Federation
621.382
Semiconductor devices, such as programmable logic integrated circuits (PLICs), are exposed to ionizing radiation in space conditions, which leads to negative consequences, changes in electrical characteristics, appearance of parasitic currents and occurrence of single faults (SEU). In this paper, design-technological and hardware-software methods for improving the radiation resistance of FPGA-based digital devices are discussed. The design-technological methods focus on the use of shields made of materials with high absorption properties, the use of radiation-resistant manufacturing processes such as silicon-on-insulator (SIN), optimization of transistor design and selection of radiation-resistant materials. Mathematical models describe the reduction of induced charge and the change in the threshold voltage of transistors under the influence of radiation. Hardware and software methods are based on the introduction of redundancy and the use of algorithms to detect and correct errors caused by radiation effects. Modular and temporal redundancy, noise-tolerant coding, and reconfiguration techniques are discussed. Modular redundancy uses triple redundant components with majority voting to determine the correct output. Temporal redundancy combines hardware and temporal redundancy to detect time-shifted errors. Mathematical reliability analysis of redundancy systems is carried out using exponential models of failure probability. Recommendations on the optimal choice of protection methods depending on specific operating conditions, reliability requirements and resource constraints are proposed
Radiation immunity, FPGA, single faults, redundancy, noise tolerant coding, ionizing radiation
Понятия "радиационная стойкость" и "радиационно-стойкая микросхема" представляют собой значительные упрощения, не учитывающие многообразия факторов, влияющих на функционирование электронных устройств в условиях ионизирующего излучения. Реальность такова, что существует широкий спектр источников и типов ионизирующего излучения, каждый из которых оказывает своеобразное воздействие на электронные компоненты.
Следовательно, для различных областей применения требуется разработка специфических мер защиты, учитывающих конкретные наборы воздействующих факторов и уровни радиационного фона [6]. Микросхема, предназначенная для эксплуатации на низкой околоземной орбите, должна быть спроектирована с учетом влияния космических лучей, солнечной радиации и частиц, захваченных магнитным полем Земли. В то же время устройства, функционирующие в условиях аварийных ситуаций на ядерных объектах, подвергаются иным видам излучения.
Из-за этого и возникает необходимость дифференцированного подхода к разработке методов повышения радиационной стойкости электронных систем. Универсальное решение, обеспечивающее полную защиту от всех возможных радиационных воздействий, практически недостижимо. Поэтому важно учитывать специфические условия эксплуатации и характерные для них радиационные факторы при выборе методов защиты.
ПЛИС стали неотъемлемой частью таких систем благодаря своей гибкости и возможностям реконфигурации. Однако воздействие радиации особенно критично для ПЛИС, используемых в космической технике, поскольку ошибки, вызванные SEU, могут привести к сбоям в работе бортовых систем, нарушению передачи данных и даже к полной потере управляемости аппарата. Поэтому улучшение радиационной стойкости цифровых устройств является важной задачей при разработке электронных систем для космического применения.
1. Zhuravleva I.V., Popova E.A. Poluprovodnikovye tehnologii dlya realizacii radiacionno-stoykih SBIS // Modelirovanie sistem i processov. – 2022. – T. 15, № 1. – S. 44-52.
2. Zhuravleva, I.V. Osnovnye faktory ioniziruyuschih izlucheniy kosmicheskogo prostranstva, deystvuyuschie na mikroshemy / I.V. Zhuravleva // Modelirovanie sistem i processov. – 2019. – T. 12, № 3. – S. 11-16.
3. Zol'nikov K.V., Gamzatov N.G., Evdokimova S.A., Potapov A.V., Dopira R.V., Kucherov Yu.S., Yanochkin I.E., Stoyanov S.V., Plotnikov A.M. Modelirovanie processov v poluprovodnikovyh strukturah pri radiacionnom vozdeystvii // Modelirovanie sistem i processov. – 2022. – T. 15, № 3. – S. 106-127.
4. A.E. Kozyukov, N.G. Gamzatov, S.V. Grechanyy [i dr.]. Obschie podhody ocenki stoykosti k vozdeystviyu ioniziruyuschego izlucheniya kosmicheskogo prostranstva dlya zarubezhnoy elektronnoy komponentnoy bazy predpriyatiy – razrabotchikov / // Modelirovanie sistem i processov. – 2021. – T. 14, № 4. – S. 58-66. – DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2021-14-4-58-66.
5. Nazarenko A. A., Maksimov I. A., Kochura S. G. Vozmozhnost' unifikacii trebovaniy po radiacionnoy stoykosti dlya kosmicheskih apparatov s razlichnymi usloviyami funkcionirovaniya // Sibirskiy aerokosmicheskiy zhurnal. 2023. T. 24, № 1. S. 126–135. Doi:https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-1-126-135.
6. Maksimov I. A., Kochura S. G., Avdyushkin S. A. Osnovnye polozheniya metodologii obespecheniya stoykosti bortovoy apparatury kosmicheskih apparatov k vozdeystviyu radiacionnyh effektov kosmicheskogo prostranstva // Sibirskiy aerokosmicheskiy zhurnal. 2023. T. 24, № 1. S. 116–125. Doi:https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-1-116-125.
7. V.K. Zol'nikov, S.A. Evdokimova, E.V. Grosheva, A.I. Yan'kov. Rezul'taty ocenki nadezhnosti mikroshemy 1921VK028 // Modelirovanie sistem i processov. – 2019. – T. 12, № 4. – S. 37-41.
8. Pagonis, G., Leon, V., Soudris, D., Lentaris, G. (2023). Increasing the Fault Tolerance of COTS FPGAs in Space: SEU Mitigation Techniques on MPSoC. In: Palumbo, F., Keramidas, G., Voros, N., Diniz, P.C. (eds) Applied Reconfigurable Computing. Architectures, Tools, and Applications. ARC 2023. Lecture Notes in Computer Science, vol 14251. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-42921-7_15
9. Zhuravleva I.V., Popova E.A. Poluprovodnikovye tehnologii dlya realizacii radiacionno-stoykih SBIS// Modelirovanie sistem i processov. – 2022. – T. 15, № 1. – S. 44-52.
10. Petrosyanc K.O, Silkin D.S, Popov D.A. TCAD-modelirovanie nanometrovyh struktur FinFET na ob'emnom kremnii s uchetom vozdeystviya radiacii / // Izv. vuzov. Elektronika. 2021. T. 26. № 5. S. 374–386. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.24151/1561-5405-2021-26-5-374-386
11. Cui, Y.; Feng, J.; Li, Y.; Wen, L.; Guo, Q. Proton Radiation Effects of CMOS Image Sensors on Different Star Map Recognition Algorithms for Star Sensors. Electronics 2023, 12, 1629. https://doi.org/10.3390/electronics12071629
12. Roy, S. (2024). Advanced FPGA Implementation Techniques. In: Advanced Digital System Design. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-41085-7_18
13. Zhu, W., Lian, D., Zhang, Q. et al. Damage Mechanism Analysis and Protection Method of Ionizing Radiation Based on Electromagnetic Radiation Characteristics. Russ Phys J 64, 1522–1535 (2021). https://doi.org/10.1007/s11182-021-02486-0
14. Zhuravleva, I.V. Razvitie tehnologii sistem na kristalle dlya sovremennoy elektronnoy komponentnoy bazy / I.V. Zhuravleva, E.A. Popova // Modelirovanie sistem i processov. – 2021. – T. 14, № 4. – S. 12-20. – DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2021-14-4-12-20.
15. Zhao, Y., Yue, S., Zheng, H., Wang, L. (2024). Aerospace Microelectronics. In: Wang, Y., Chi, MH., Lou, J.JC., Chen, CZ. (eds) Handbook of Integrated Circuit Industry. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-99-2836-1_90
16. Schnürle K, Bortfeldt J, Englbrecht FS, Gianoli C, Hartmann J, Hofverberg P, Meyer S, Niepel K, Yohannes I, Vidal M, Landry G, Hérault J, Schreiber J, Parodi K and Würl M (2023) Development of integration mode proton imaging with a single CMOS detector for a small animal irradiation platform. Front. Phys. 10:1044156. doi:https://doi.org/10.3389/fphy.2022.1044156
