專利名稱：基于冗余余數系統的抗輻照加固方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子的集成電路設計領域，如航空電子的中的抗輻照加固技術，特別涉及航空專用集成電路設計方法。
背景技術：
在以前的工藝中，由于集成電路的節點電容較大，工作電壓較高、工作頻率較低， 單粒子瞬時脈沖效應(Single Event Transients, SETs)導致單粒子翻轉效應(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生的SEh 效應。但是隨著工藝的進步，集成度提高，工作電壓降低、節點電容減小和工作頻率的提高，使得SETs導致SEh的比例增加，不再可以忽略。國內外的眾多學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。據預測在45nm以下的工藝中，SETs引起的軟錯誤將占據主要的比例。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，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時鐘頻率的增加，使得濾波技術的抗SETs的性能嚴重下降。因此，開發有效的抗單粒子翻轉和單粒子瞬時脈沖效應的設計方法成為深亞微米集成電路的數據路徑保護需要解決的一個重點問題。

發明內容
本發明的目的是提供一種新的抗輻照加固方法及裝置，采用本發明的加固方法及裝置，可以更有效地提高系統地抗輻照能力。本專利根據冗余余數系統(Redundant Residue Number Systems, RRNS)的特點提出了基于冗余余數系統的設計加固架構以對抗單粒子翻轉效應和單粒子瞬時脈沖效應。 本專利主要創新在于提出的基于冗余余數系統的加固策略不同于前向差錯控制編碼技術 (Forward Error Control，FEC)，例如漢明碼或者Reed-Solomon編碼，基于冗余余數系統的冗余余數可以像普通操作數一樣參與運算，但是經過漢明碼或者Reed-Solomon碼編碼后的數據無法參與信號處理的數值運算。
基于本發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系統的加固架構，其冗余余數可以參與運算。基于本發明的一種抗輻照加固方法，其包括二進制操作數到冗余余數系統的操作數的轉化步驟；運算步驟；以及糾錯步驟。基于本發明的一種抗輻照加固方法，其還包括所述操作數轉化步驟將二進制操作數轉化為冗余余數系統表示。基于本發明的一種抗輻照加固方法，其還包括操作數的所述冗余余數系統表示包括信息余數和冗余余數。基于本發明的一種抗輻照加固方法，其還包括所述運算步驟將經過了所述二進制操作數到冗余余數系統的操作數的轉化的運算數進行運算，由于輻照環境的存在，當有軟錯誤發生時，得到存在錯誤的運算結果；當無軟錯誤發生時，得到正確的運算結果。基于本發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果進行糾錯。基于本發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果以及表征存在錯誤的運算結果的余數之間的冗余關系進行糾錯。基于本發明的一種抗輻照加固方法，其還包括糾錯后的結果通過冗余余數系統的操作數到二進制操作數的轉化為二進制的表示。基于本發明的一種基于冗余余數系統的加固裝置，該裝置包括二進制操作數到冗余余數的操作數的轉化模塊、運算模塊以及糾錯模塊。基于本發明的一種基于冗余余數系統的加固裝置，所述糾錯模塊通過存在錯誤的運算結果以及表征存在錯誤的運算結果的余數之間的冗余關系進行糾錯。本發明提出了基于冗余余數系統的抗輻照加固方法。該方法主要用來加固系統中的數據路徑，在系統的數據路徑設計中，把數據路徑的操作數輸入到本發明的加固架構中， 采用冗余余數系統的運算代替原來的二進制運算，當有軟錯誤發生在運算模塊時，可以通過糾錯模塊把運算模塊的結果轉化為正確的運算結果，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的硬件設計中。本發明所述的新的基于RRNS的設計架構的數據路徑，和原來的系統相比，既保證了系統的抗輻照性能，又可以降低系統的開銷。


圖1、基于RRNS的加固架構的加固流程示意圖。圖2、基于余數基選擇的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合具體實施方式
對本發明的上述發明內容作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發明上述技術思想情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發明的范圍內。見圖1、圖2、圖3所示，一種基于冗余余數系統的抗輻照加固方法，所述方法基于冗余余數系統的加固架構(一種基于冗余余數系統的抗輻照加固裝置)，其冗余余數可以
參與運算。一種基于冗余余數系統的抗輻照加固方法，其包括二進制操作數到冗余余數系統的操作數的轉化步驟；運算步驟；以及，糾錯步驟。一種基于冗余余數系統的抗輻照加固方法，所述操作數轉化步驟將二進制操作數轉化為冗余余數系統表示。—種基于冗余余數系統的抗輻照加固方法，所述操作數的所述冗余余數系統表示包括信息余數和冗余余數。一種基于冗余余數系統的抗輻照加固方法，所述運算步驟將經過了所述二進制操作數到冗余余數系統的操作數的轉化的運算數進行運算，由于輻照環境的存在，當有軟錯誤發生時，得到存在錯誤的運算結果；當無軟錯誤發生時，得到正確的運算結果。一種基于冗余余數系統的抗輻照加固方法，所述糾錯步驟通過所述存在錯誤的運算結果進行糾錯。一種基于冗余余數系統的抗輻照加固方法，所述糾錯步驟通過所述存在錯誤的運算結果以及表征存在錯誤的運算結果的余數之間的冗余關系進行糾錯。一種基于冗余余數系統的抗輻照加固方法，所述糾錯后的結果通過冗余余數系統的操作數到二進制操作數的轉化為二進制的表示。一種基于冗余余數系統的抗輻照加固裝置，該裝置包括二進制操作數到冗余余數系統的操作數的轉化模塊、運算模塊以及糾錯模塊。一種基于冗余余數系統的抗輻照加固裝置，所述糾錯模塊通過存在錯誤的運算結果以及表征存在錯誤的運算結果的余數之間的冗余關系進行糾錯。基于RRNS的加固架構(加固裝置)包括三個部分二進制系統到冗余余數系統的數值轉換模塊(Binary to Residue，B2I )、基于冗余余數系統的運算模塊(Operation Module, 0M)和基于冗余余數系統的糾錯模塊(Correction Module, CM)。二進制系統到冗余余數系統的數值轉換模塊(B2R)二進制系統到冗余余數系統的數值轉換模塊模塊主要實現二進制操作數到冗余余數系統的操作數的轉化。冗余余數系統的操作數由一組兩兩互質余數基Im1, m2，…， mk，mk+1，···，!!!&}的余數來描述，其中k和r為正整數，前k個數構成了一組非冗余的余數基，對應著一個小的余數系統，它們的乘積為Μκ，為冗余余數系統的合理動態范圍，剩下的 r(r稱為冗余度)個數構成了一組冗余的余數基，它們被用來實現檢錯和糾錯的功能。二進制的表示的操作數X在二進制系統到冗余余數系統的數值轉換模塊中轉化為冗余余數系統的表示^^{〈々 ，…，〈^^，〈n i+l，···，〈々 },其中{〈々q，···，〈々 }是信息余數， {〈X〉mi+1，…，〈Z〉mi+j冗余余數，^OmiSX對于余數基叫的余數。其他運算數和操作數X—樣
通過二進制系統到冗余余數系統的數值轉換模塊轉化為冗余余數系統的表示。其轉化的過程就是對操作數分別對余數基IiVm2,…，mk，mk+1，…，mk+J進行求余數的運算。基于冗余余數系統的運算模塊(OM)
經過B2R的運算數輸入到基于冗余余數系統的運算模塊中，進行余數運算，由于輻照環境的存在，經過一系列余數運算后，當有錯誤發生時，運算的結果為Y'，Y'為存在錯誤的運算結果。Y'在OM模塊的冗余余數系統的表示
為 r={{Y')mr·--AyXAyX^--^mJ ,其中{〈r〉mi，".，〈r'U 是信息余數，
，…，〈f'U冗余余數。其運算模塊不具體于任何的運算，而是根據系統需要的各種運算。基于冗余余數系統的糾錯模塊(CM)基于冗余余數系統的糾錯模塊中通過Y'以及所表征Y'的余數之間的冗余關系進行糾錯得到正確的Y，Y={{Y)m^-AY)mAY)^---^Y)mJ其中，{〈 ^，…，〈F〉mi}是信息余數和{〈巧 ，…，PU是冗余余數。再通過CM模塊內部的R2B模塊轉化為二進制的表示，即得到正確的運算結果Y。其糾錯過程如下(1)在RRNS的余數基中，選擇最優糾錯余數基O^1， 2},由接收到的碼字，結合基擴展的方法，求出校正子八工和Δ2。(2)確定校正子為零的個數i)若A1 = Δ2 = 0，則無錯，終止。ii)若只有一個為零，則在校驗余數上發生一個差錯，將其糾正。iii)若兩個都非零，則轉(3)。(3)對所有非糾錯余數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(4)；否則，轉(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。本發明通過冗余余數系統運算代替二進制運算，通過B2R模塊把二進制表示的數值轉化到冗余余數系統中，其二進制的運算同樣轉化為OM模塊中的基于冗余余數系統的運算。在運算過程中，由于輻照環境的存在，當有軟錯誤發生在OM模塊時，可以通過CM模塊和OM模塊運算的結果得到正確的運算結果，從而達到抗輻照的作用。在基于RRNS的加固架構中，為了進一步提高系統的抗輻照能力，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，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技術用來力口固CM模塊。需要說明的是，本發明公布的內容是一種系統級的加固方法，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濾波器的設計來具體說明整個發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，χ (η)為輸入的16位數據，y(n)為輸出結果。HR濾波器的系數和數據寬度為16bits，則根據數據寬度要求，選擇余數基組，在本實施例中，選擇 RRNS 的余數基為 Hi1 = 15，m2 = 16，m3 = 17，m4 = 19，m5 = 23，m6 = 29， 其中m5 = 23和m6 = 29為冗余余數基。其中在B2R模塊中完成x(n)對于所選的RRNS的余數基進行求余的運算，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域的公知技術，不在此進行具體說明。其中在OM模塊中進行與系數的相乘運算，以及累加。在B2R中的運算結果 {<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{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，對于同一個余數基的余數進行相乘和累加。由于輻照環境的存在，運算結果余數向量中當存在錯誤時，其運算結果為Ky(n)' >15, <y(n)' >16, <y (η) >17, <y (η) ‘ >19， <y (η) ‘ >23，<y (η) ‘ >29}，當不存在錯誤時，其運算結果應為 Ky (η) >15，<y (η) >16，<y (η) >17，
<y(n)> 19' <y(n)> 23， <y(n)> 29」其中在CM模塊中進行余數向量的糾錯工作。當有錯誤發生時OM輸入的帶有錯誤的運算結果 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果y (n)。因此當有軟錯誤發生在OM模塊時，通過CM模塊可以得到正確的運算結果，從而達到抗輻照的作用。計算機仿真和分析表明，采用本發明所述的新的基于RRNS的加固架構的數據路徑，和原來的系統相比，既保證了系統的抗輻照性能，又可以降低系統的開銷。
權利要求
1.一種基于冗余余數系統的抗輻照加固方法，其特征在于，所述方法基于冗余余數系統的加固架構，其冗余余數可以參與運算。
2.一種基于冗余余數系統的抗輻照加固方法，其特征在于，其包括二進制操作數到冗余余數系統的操作數的轉化步驟；運算步驟；以及，糾錯步驟。
3.如權利要求2所述的抗輻照加固方法，其特征在于，所述操作數轉化步驟將二進制操作數轉化為冗余余數系統表示。
4.如權利要求3所述的抗輻照加固方法，其特征在于，操作數的所述冗余余數系統表示包括信息余數和冗余余數。
5.如權利要求2所述的抗輻照加固方法，其特征在于，所述運算步驟將經過了所述二進制操作數到冗余余數系統的操作數的轉化的運算數進行運算，由于輻照環境的存在，當有軟錯誤發生時，得到存在錯誤的運算結果；當無軟錯誤發生時，得到正確的運算結果。
6.如權利要求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果進行糾錯。
7.如權利要求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果以及表征存在錯誤的運算結果的余數之間的冗余關系進行糾錯。
8.如權利要求7所述的抗輻照加固方法，其特征在于，糾錯后的結果通過冗余余數系統的操作數到二進制操作數的轉化為二進制的表示。
9.一種基于冗余余數系統的抗輻照加固裝置，其特征在于該裝置包括二進制操作數到冗余余數系統的操作數的轉化模塊、運算模塊以及糾錯模塊。
10.如權利要求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果以及表征存在錯誤的運算結果的余數之間的冗余關系進行糾錯。
全文摘要
本發明涉及一種基于冗余余數系統(RRNS)的抗輻照加固方法，其特征在于所述方法基于冗余余數系統的加固架構，其冗余余數可以參與運算。該方法主要包括二進制操作數到冗余余數系統的操作數的轉化步驟、運算步驟以及糾錯步驟。本發明所述的新的基于RRNS的設計架構的數據路徑，和原來的系統相比，既保證了系統的抗輻照性能，又可以降低系統的開銷。
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 優先權日2011年5月10日
發明者李磊, 胡劍浩, 馬上 申請人:電子科技大學