ESA – Mitigación de SEE (Efectos de Evento Único) de las FPGA RTG4

Las FPGA basadas en flash son relativamente productos nuevos dentro de la cartera de FPGA de aplicación espacial, y el flujo de desarrollo conforme a las exigencias espaciales no ha sido probado aún en su totalidad mediante un amplio aprendizaje y una dinámica de retroalimentación con los clientes. 

Aunque no ha sido desarrollado inicialmente para un entorno espacial hostil, la FPGA basada en flash de tercera generación de Microsemi, conocida como IGLOO2 y PROASIC3, se utiliza ampliamente en aplicaciones espaciales gracias a la resistencia a la radiación de la configuración basada en flash y a la implantación de una técnica de diseño específica contra los efectos de la radiación. La cuarta generación (RT Polarfire y RTG4) destinada a aplicaciones espaciales convencionales, como los ordenadores de alto rendimiento a bordo y la carga útil de procesamiento de datos de ancho de banda alto, ya se aplica en recursos programables de alto rendimiento resistentes a la radiación, memorias digitales, bucles de seguimiento de fases (PLL) e interfaces de entrada y salida. La ejecución automática de las técnicas de mitigación de SEU (alteraciones de evento único) y el filtro de SET (transitorio de evento único) es posible a través de las herramientas de síntesis y place and route, respectivamente. 

Al ser relativamente nuevos, estos dispositivos cuentan con antecedentes espaciales y datos relativos a la radiación muy escasos en comparación con otras soluciones más maduras como es la familia de antifusibles RTAX de Microsemi. La implantación adecuada de técnicas de mitigación SEU y SET es difícil de confirmar y verificar de forma automática y rigurosa, ya que las herramientas de verificación formal de la automatización de diseño electrónico (EDA, por sus siglas en inglés), como Synopsys Formality y Mentor Formal Pro, no pueden confirmar la equivalencia lógica de un diseño resistente a la radiación frente a su homólogo sin mitigar, ni verificar la implantación adecuada en las áreas especificadas. Esto podría conducir a posibles deficiencias de diseño y a fallos imprevistos bajo la radiación. Por otro lado, estudios anteriores realizados por Airbus Defense & Space en colaboración con el GSFC de la NASA han mostrado sensibilidad a la radiación de SEE en el tejido de la FPGA RTG4 y la capacidad de reprogramación de celdas de configuración.

Para entender mejor las FPGA basadas en flash de tercera y cuarta generación de Microsemi y su rendimiento frente a la radiación, la ESA emitió un contrato a ARQUIMEA con los objetivos siguientes:

• El desarrollo de los núcleos IP resistentes a la radiación con técnicas de mitigación SEU y SET personalizadas aplicadas a un nivel RTL (lenguaje de transferencia de registro)/Netlist (lista de redes) para permitir la comparación con una versión de referencia sin mitigar.
• La realización de una amplia campaña de ensayos de radiación, dirigida a las FPGA basadas en flash de cuarta generación de Microsemi (RTG4 en concreto) para verificar la dureza de tejido y la efectividad de técnicas complementarias de mitigación SEU y SET personalizadas.

La actividad exigió el desarrollo de varios vehículos de pruebas complejas en la FPGA RTG4 para validar el impacto bajo una intensa radiación de iones y protones del tejido de la FPGA y diseños mitigados SEU y SET comparados con sus homólogos sin mitigar. Igualmente, se tuvieron en cuentas las limitaciones de planificación y el posible daño de las FPGA RTG4 por operaciones de rectificado o fallo eléctrico como los riesgos principales del proyecto.

ARQUIMEA dirigió un consorcio que llevó a cabo el diseño de circuitos integrados resistentes a la radiación en funcionamiento en el RTG4, así como las herramientas de verificación para probar la equivalencia de los diseños con y sin técnicas de mitigación de SEE. Los dispositivos se validaron bajo radiación utilizando la configuración de las pruebas de SEE propia de ARQUIMEA.

Se llevaron a cabo dos campañas de SEE en el FPGA RTG4 bajo iones y protones pesados en noviembre de 2019. Las mediciones confirmaron los resultados de Microsemi y el GSFC de la NASA. No obstante, se observaron los comportamientos siguientes:

• El filtro de SET mejora la sección transversal únicamente con energías LET más bajas y frecuencias más altas.
• Las almohadillas de contacto probadas presentan SET, a veces muy por encima de 10ns de ancho.
• El PLL presenta SET y SEFI con sección transversal y umbral de LET aceptables para la mayoría de las aplicaciones espaciales.
• La FPGA SERDES muestra sensibilidad a la radiación con una BER degradada a bajo LET y un escenario complejo de SEFI.