專利名稱：基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子的集成電路設(shè)計領(lǐng)域，如航空電子的中的抗輻照加固技術(shù)，特別涉及航空專用集成電路設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
在以前的工藝中，由于集成電路的節(jié)點電容較大，工作電壓較高、工作頻率較低， 單粒子瞬時脈沖效應(yīng)(Single Event Transients, SETs)導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)(Single Event Upsets, SEUs)的比例較小，基本不考慮，主要考慮時序邏輯器件自身產(chǎn)生的SEh 效應(yīng)。但是隨著工藝的進步，集成度提高，工作電壓降低、節(jié)點電容減小和工作頻率的提高，使得SETs導(dǎo)致SEh的比例增加，不再可以忽略。國內(nèi)外的眾多學(xué)者對于工藝的等比例縮小對于CMOS電路的軟錯誤影響進行了研究。文獻“W. Wang. High performance radiation hardened register cell design on a standard CMOS process, Proc. IEEE Conf. Electron Devices and Solid-State Circuits,2003,513 515，，禾口 "T. Monier et al.Flipflop hardening for space applications.Proc. Int. Workshop Memory Technol. , Des. and Test.，1998，104 107”提出的輻照加固的鎖存器和寄存器可以在某些程度上降低芯片發(fā)生軟錯誤的概率。但是，這些鎖存器/寄存器的抗輻照能力隨著工藝進步和SETs的脈沖寬度增加而降低。寄存器的三模冗余(Register Triple Modular Redundency, RTMR)是一種高層次的加固寄存器的方法，但是它需要耗費很大的面積和延遲開銷。在未來的工藝中，必須考慮組合邏輯引起的SETs的影響。據(jù)預(yù)測在45nm以下的工藝中，SETs引起的軟錯誤將占據(jù)主要的比例。文獻“A. Balasubramanian，B. L. Bhuva, J. D. Black,and et. al. RHBD Techniques for Mitigating Effects of Single-Event Hits Using Guard-Gates, IEEE Trans. Nucl. Sci. , 2005, 52 (6) :2531_2535，，提出的 SEiTs 濾波技術(shù)，是消除SETs的一種非常有效的方法。雖然如此但是由于工藝的進步，SETs脈沖寬度的增加和系統(tǒng)時鐘頻率的增加，使得濾波技術(shù)的抗SETs的性能嚴(yán)重下降。因此，開發(fā)有效的抗單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子瞬時脈沖效應(yīng)的設(shè)計方法成為深亞微米集成電路的數(shù)據(jù)路徑保護需要解決的一個重點問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的抗輻照加固方法及裝置，采用本發(fā)明的加固方法及裝置，可以更有效地提高系統(tǒng)地抗輻照能力。本專利根據(jù)冗余余數(shù)系統(tǒng)(Redundant Residue Number Systems, RRNS)的特點提出了基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計加固架構(gòu)以對抗單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)和單粒子瞬時脈沖效應(yīng)。 本專利主要創(chuàng)新在于提出的基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的加固策略不同于前向差錯控制編碼技術(shù) (Forward Error Control，F(xiàn)EC)，例如漢明碼或者Reed-Solomon編碼，基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的冗余余數(shù)可以像普通操作數(shù)一樣參與運算，但是經(jīng)過漢明碼或者Reed-Solomon碼編碼后的數(shù)據(jù)無法參與信號處理的數(shù)值運算。
基于本發(fā)明的一種抗輻照加固方法，其特征在于，所述方法基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的加固架構(gòu)，其冗余余數(shù)可以參與運算?；诒景l(fā)明的一種抗輻照加固方法，其包括二進制操作數(shù)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)的轉(zhuǎn)化步驟；運算步驟；以及糾錯步驟?；诒景l(fā)明的一種抗輻照加固方法，其還包括所述操作數(shù)轉(zhuǎn)化步驟將二進制操作數(shù)轉(zhuǎn)化為冗余余數(shù)系統(tǒng)表示。基于本發(fā)明的一種抗輻照加固方法，其還包括操作數(shù)的所述冗余余數(shù)系統(tǒng)表示包括信息余數(shù)和冗余余數(shù)?；诒景l(fā)明的一種抗輻照加固方法，其還包括所述運算步驟將經(jīng)過了所述二進制操作數(shù)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)的轉(zhuǎn)化的運算數(shù)進行運算，由于輻照環(huán)境的存在，當(dāng)有軟錯誤發(fā)生時，得到存在錯誤的運算結(jié)果；當(dāng)無軟錯誤發(fā)生時，得到正確的運算結(jié)果。基于本發(fā)明的一種抗輻照加固方法，其還包括所述糾錯步驟將所述存在錯誤的運算結(jié)果進行糾錯?；诒景l(fā)明的一種抗輻照加固方法，其還包括所述糾錯步驟通過所述存在錯誤的運算結(jié)果以及表征存在錯誤的運算結(jié)果的余數(shù)之間的冗余關(guān)系進行糾錯?；诒景l(fā)明的一種抗輻照加固方法，其還包括糾錯后的結(jié)果通過冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)到二進制操作數(shù)的轉(zhuǎn)化為二進制的表示?；诒景l(fā)明的一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的加固裝置，該裝置包括二進制操作數(shù)到冗余余數(shù)的操作數(shù)的轉(zhuǎn)化模塊、運算模塊以及糾錯模塊?；诒景l(fā)明的一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的加固裝置，所述糾錯模塊通過存在錯誤的運算結(jié)果以及表征存在錯誤的運算結(jié)果的余數(shù)之間的冗余關(guān)系進行糾錯。本發(fā)明提出了基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固方法。該方法主要用來加固系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)路徑，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)路徑設(shè)計中，把數(shù)據(jù)路徑的操作數(shù)輸入到本發(fā)明的加固架構(gòu)中， 采用冗余余數(shù)系統(tǒng)的運算代替原來的二進制運算，當(dāng)有軟錯誤發(fā)生在運算模塊時，可以通過糾錯模塊把運算模塊的結(jié)果轉(zhuǎn)化為正確的運算結(jié)果，從而達到抗輻照的能力。該方法簡單高效，可以很容易的嵌入到系統(tǒng)的硬件設(shè)計中。本發(fā)明所述的新的基于RRNS的設(shè)計架構(gòu)的數(shù)據(jù)路徑，和原來的系統(tǒng)相比，既保證了系統(tǒng)的抗輻照性能，又可以降低系統(tǒng)的開銷。


圖1、基于RRNS的加固架構(gòu)的加固流程示意圖。圖2、基于余數(shù)基選擇的RRNS糾錯算法的處理過程。圖3、108階FIR濾波器示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明的上述發(fā)明內(nèi)容作進一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。見圖1、圖2、圖3所示，一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固方法，所述方法基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的加固架構(gòu)(一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固裝置)，其冗余余數(shù)可以
參與運算。一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固方法，其包括二進制操作數(shù)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)的轉(zhuǎn)化步驟；運算步驟；以及，糾錯步驟。一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固方法，所述操作數(shù)轉(zhuǎn)化步驟將二進制操作數(shù)轉(zhuǎn)化為冗余余數(shù)系統(tǒng)表示。—種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固方法，所述操作數(shù)的所述冗余余數(shù)系統(tǒng)表示包括信息余數(shù)和冗余余數(shù)。一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固方法，所述運算步驟將經(jīng)過了所述二進制操作數(shù)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)的轉(zhuǎn)化的運算數(shù)進行運算，由于輻照環(huán)境的存在，當(dāng)有軟錯誤發(fā)生時，得到存在錯誤的運算結(jié)果；當(dāng)無軟錯誤發(fā)生時，得到正確的運算結(jié)果。一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固方法，所述糾錯步驟通過所述存在錯誤的運算結(jié)果進行糾錯。一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固方法，所述糾錯步驟通過所述存在錯誤的運算結(jié)果以及表征存在錯誤的運算結(jié)果的余數(shù)之間的冗余關(guān)系進行糾錯。一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固方法，所述糾錯后的結(jié)果通過冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)到二進制操作數(shù)的轉(zhuǎn)化為二進制的表示。一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固裝置，該裝置包括二進制操作數(shù)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)的轉(zhuǎn)化模塊、運算模塊以及糾錯模塊。一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固裝置，所述糾錯模塊通過存在錯誤的運算結(jié)果以及表征存在錯誤的運算結(jié)果的余數(shù)之間的冗余關(guān)系進行糾錯?；赗RNS的加固架構(gòu)(加固裝置)包括三個部分二進制系統(tǒng)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的數(shù)值轉(zhuǎn)換模塊(Binary to Residue，B2I )、基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的運算模塊(Operation Module, 0M)和基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的糾錯模塊(Correction Module, CM)。二進制系統(tǒng)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的數(shù)值轉(zhuǎn)換模塊(B2R)二進制系統(tǒng)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的數(shù)值轉(zhuǎn)換模塊模塊主要實現(xiàn)二進制操作數(shù)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)的轉(zhuǎn)化。冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)由一組兩兩互質(zhì)余數(shù)基Im1, m2，…， mk，mk+1，···，!!!&}的余數(shù)來描述，其中k和r為正整數(shù)，前k個數(shù)構(gòu)成了一組非冗余的余數(shù)基，對應(yīng)著一個小的余數(shù)系統(tǒng)，它們的乘積為Μκ，為冗余余數(shù)系統(tǒng)的合理動態(tài)范圍，剩下的 r(r稱為冗余度)個數(shù)構(gòu)成了一組冗余的余數(shù)基，它們被用來實現(xiàn)檢錯和糾錯的功能。二進制的表示的操作數(shù)X在二進制系統(tǒng)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的數(shù)值轉(zhuǎn)換模塊中轉(zhuǎn)化為冗余余數(shù)系統(tǒng)的表示^^{〈々 ，…，〈^^，〈n i+l，···，〈々 },其中{〈々q，···，〈々 }是信息余數(shù)， {〈X〉mi+1，…，〈Z〉mi+j冗余余數(shù)，^OmiSX對于余數(shù)基叫的余數(shù)。其他運算數(shù)和操作數(shù)X—樣
通過二進制系統(tǒng)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的數(shù)值轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為冗余余數(shù)系統(tǒng)的表示。其轉(zhuǎn)化的過程就是對操作數(shù)分別對余數(shù)基IiVm2,…，mk，mk+1，…，mk+J進行求余數(shù)的運算?；谌哂嘤鄶?shù)系統(tǒng)的運算模塊(OM)
經(jīng)過B2R的運算數(shù)輸入到基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的運算模塊中，進行余數(shù)運算，由于輻照環(huán)境的存在，經(jīng)過一系列余數(shù)運算后，當(dāng)有錯誤發(fā)生時，運算的結(jié)果為Y'，Y'為存在錯誤的運算結(jié)果。Y'在OM模塊的冗余余數(shù)系統(tǒng)的表示
為 r={{Y')mr·--AyXAyX^--^mJ ,其中{〈r〉mi，".，〈r'U 是信息余數(shù)，
，…，〈f'U冗余余數(shù)。其運算模塊不具體于任何的運算，而是根據(jù)系統(tǒng)需要的各種運算?；谌哂嘤鄶?shù)系統(tǒng)的糾錯模塊(CM)基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的糾錯模塊中通過Y'以及所表征Y'的余數(shù)之間的冗余關(guān)系進行糾錯得到正確的Y，Y={{Y)m^-AY)mAY)^---^Y)mJ其中，{〈 ^，…，〈F〉mi}是信息余數(shù)和{〈巧 ，…，PU是冗余余數(shù)。再通過CM模塊內(nèi)部的R2B模塊轉(zhuǎn)化為二進制的表示，即得到正確的運算結(jié)果Y。其糾錯過程如下(1)在RRNS的余數(shù)基中，選擇最優(yōu)糾錯余數(shù)基O^1， 2},由接收到的碼字，結(jié)合基擴展的方法，求出校正子八工和Δ2。(2)確定校正子為零的個數(shù)i)若A1 = Δ2 = 0，則無錯，終止。ii)若只有一個為零，則在校驗余數(shù)上發(fā)生一個差錯，將其糾正。iii)若兩個都非零，則轉(zhuǎn)(3)。(3)對所有非糾錯余數(shù)基逐一做單個差錯的一致性檢驗。驗證一致性方程組的解是否為一致解。若是，則轉(zhuǎn)(4)；否則，轉(zhuǎn)(5)。(4)只有在第1個位置有一個差錯，將其糾正，終止。(5)檢測到不只一個差錯，終止。上述過程可以通過圖2更為直觀地理解。本發(fā)明通過冗余余數(shù)系統(tǒng)運算代替二進制運算，通過B2R模塊把二進制表示的數(shù)值轉(zhuǎn)化到冗余余數(shù)系統(tǒng)中，其二進制的運算同樣轉(zhuǎn)化為OM模塊中的基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的運算。在運算過程中，由于輻照環(huán)境的存在，當(dāng)有軟錯誤發(fā)生在OM模塊時，可以通過CM模塊和OM模塊運算的結(jié)果得到正確的運算結(jié)果，從而達到抗輻照的作用。在基于RRNS的加固架構(gòu)中，為了進一步提高系統(tǒng)的抗輻照能力，需要對CM模塊進行重點保護。為了獲得更好的對抗軟錯誤的能力，基于RRNS技術(shù)，還可以使用組合加固方案 RRNS+Guard gate (SEiTs 濾波)-RTMR(G-RTiffi)，RRNS+Pipeline-Level Triple Modular Redundency(PTMR)禾口 RRNS+Module-Level Triple Modular Redundency(MTMR)等。其中 G-RTMR、PTMR禾口 MTMR技術(shù)用來力口固CM模塊。需要說明的是，本發(fā)明公布的內(nèi)容是一種系統(tǒng)級的加固方法，不限于硬件和所采用的工藝條件。
實施例下面以圖3所示的FIR濾波器的設(shè)計來具體說明整個發(fā)明專利的實施過程如下圖3為108階HR濾波器，其中Ctl-Cltl7為HR濾波器的系數(shù)，χ (η)為輸入的16位數(shù)據(jù)，y(n)為輸出結(jié)果。HR濾波器的系數(shù)和數(shù)據(jù)寬度為16bits，則根據(jù)數(shù)據(jù)寬度要求，選擇余數(shù)基組，在本實施例中，選擇 RRNS 的余數(shù)基為 Hi1 = 15，m2 = 16，m3 = 17，m4 = 19，m5 = 23，m6 = 29， 其中m5 = 23和m6 = 29為冗余余數(shù)基。其中在B2R模塊中完成x(n)對于所選的RRNS的余數(shù)基進行求余的運算，即 〈x(n)〉mi (1 ≤i≤6)。其具體過程為<x(n)>15，<x(n)>16, <x(n)>17, <x(n)>19, <x(n) >23 和
<x(n)>29。其中求余運算為該領(lǐng)域的公知技術(shù)，不在此進行具體說明。其中在OM模塊中進行與系數(shù)的相乘運算，以及累加。在B2R中的運算結(jié)果 {<x(n)>15，<x(n)>16，<x(n)>17，<x(n)>19，<x(n)>23，<x (n) >29}輸入到 OM 模塊中，與 RRNS 表示的系數(shù){化>15，<Ci>16, <Ci>17, <Ci>19, <Ci>23, <Ci>29} (0≤i≤107)進行相乘并累加，在運算的過程中，對于同一個余數(shù)基的余數(shù)進行相乘和累加。由于輻照環(huán)境的存在，運算結(jié)果余數(shù)向量中當(dāng)存在錯誤時，其運算結(jié)果為Ky(n)' >15, <y(n)' >16, <y (η) >17, <y (η) ‘ >19， <y (η) ‘ >23，<y (η) ‘ >29}，當(dāng)不存在錯誤時，其運算結(jié)果應(yīng)為 Ky (η) >15，<y (η) >16，<y (η) >17，
<y(n)> 19' <y(n)> 23， <y(n)> 29」其中在CM模塊中進行余數(shù)向量的糾錯工作。當(dāng)有錯誤發(fā)生時OM輸入的帶有錯誤的運算結(jié)果 Ky (n)' >15,<y(n)' >16,<y(n)' >17,<y(n)' >19,<y(n)' >23,<y(n)' >29}， 在糾錯模塊中完成糾錯，糾錯過程如圖2所示，即可以得到正確的運算結(jié)果y (n)。因此當(dāng)有軟錯誤發(fā)生在OM模塊時，通過CM模塊可以得到正確的運算結(jié)果，從而達到抗輻照的作用。計算機仿真和分析表明，采用本發(fā)明所述的新的基于RRNS的加固架構(gòu)的數(shù)據(jù)路徑，和原來的系統(tǒng)相比，既保證了系統(tǒng)的抗輻照性能，又可以降低系統(tǒng)的開銷。
權(quán)利要求
1.一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固方法，其特征在于，所述方法基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的加固架構(gòu)，其冗余余數(shù)可以參與運算。
2.一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固方法，其特征在于，其包括二進制操作數(shù)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)的轉(zhuǎn)化步驟；運算步驟；以及，糾錯步驟。
3.如權(quán)利要求2所述的抗輻照加固方法，其特征在于，所述操作數(shù)轉(zhuǎn)化步驟將二進制操作數(shù)轉(zhuǎn)化為冗余余數(shù)系統(tǒng)表示。
4.如權(quán)利要求3所述的抗輻照加固方法，其特征在于，操作數(shù)的所述冗余余數(shù)系統(tǒng)表示包括信息余數(shù)和冗余余數(shù)。
5.如權(quán)利要求2所述的抗輻照加固方法，其特征在于，所述運算步驟將經(jīng)過了所述二進制操作數(shù)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)的轉(zhuǎn)化的運算數(shù)進行運算，由于輻照環(huán)境的存在，當(dāng)有軟錯誤發(fā)生時，得到存在錯誤的運算結(jié)果；當(dāng)無軟錯誤發(fā)生時，得到正確的運算結(jié)果。
6.如權(quán)利要求5所述的抗輻照加固方法，其特征在于，所述糾錯步驟將所述存在錯誤的運算結(jié)果進行糾錯。
7.如權(quán)利要求6所述的抗輻照加固方法，其特征在于，所述糾錯步驟通過所述存在錯誤的運算結(jié)果以及表征存在錯誤的運算結(jié)果的余數(shù)之間的冗余關(guān)系進行糾錯。
8.如權(quán)利要求7所述的抗輻照加固方法，其特征在于，糾錯后的結(jié)果通過冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)到二進制操作數(shù)的轉(zhuǎn)化為二進制的表示。
9.一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的抗輻照加固裝置，其特征在于該裝置包括二進制操作數(shù)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)的轉(zhuǎn)化模塊、運算模塊以及糾錯模塊。
10.如權(quán)利要求9所述的抗輻照加固裝置，其特征在于，糾錯模塊通過存在錯誤的運算結(jié)果以及表征存在錯誤的運算結(jié)果的余數(shù)之間的冗余關(guān)系進行糾錯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于冗余余數(shù)系統(tǒng)(RRNS)的抗輻照加固方法，其特征在于所述方法基于冗余余數(shù)系統(tǒng)的加固架構(gòu)，其冗余余數(shù)可以參與運算。該方法主要包括二進制操作數(shù)到冗余余數(shù)系統(tǒng)的操作數(shù)的轉(zhuǎn)化步驟、運算步驟以及糾錯步驟。本發(fā)明所述的新的基于RRNS的設(shè)計架構(gòu)的數(shù)據(jù)路徑，和原來的系統(tǒng)相比，既保證了系統(tǒng)的抗輻照性能，又可以降低系統(tǒng)的開銷。
文檔編號G06F17/50GK102163250SQ20111011980
公開日2011年8月24日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者李磊, 胡劍浩, 馬上 申請人:電子科技大學(xué)