K čemu je dobré Precision Hi-Rel

V poslední době se objevují zprávy o možných problémech s FPGA obvody v případě abnormálního solárního záření předvídaného na rok 2013. Z tohoto důvodu se jeví zajímavé podívat se na důvody možných problémů i na jejich možné předejití již v obvodovém návrhu.

Se zmenšujícími se rozměry tranzistorů a propojení na integrovaných obvodech se tyto součástky stávají náchylnějšími k novým typům poruch, které mohou mít pro jejich činnost fatální následky. Jedná se o tzv. Single Event Upset (SEU), jednorázové náhodné (neboli měkké) poruchy, které mohou být vyprovokovány například vysoce energetickou částicí kosmického záření.

Pro aplikace, ve kterých je velmi důležitá spolehlivost (např. kardiostimulátory a jiné) a pro aplikace, kde je zvýšené riziko poruch SEU (např. satelity) je velkou výzvou minimalizovat možné důsledky těchto poruch. Důležitým příspěvkem v tomto snažení je produkt Precision Hi-Rel od firmy Mentor Graphics. Jedná se o nástroj pro syntézu obvodů FPGA, který byl vytvořen ve spolupráci s NASA. Zahrnuje funkce, které zajišťují automatickou detekci a zotavení po poruchách typu SEU u stavových automatů (finite-state-machine – FSM), a to nezávisle na metodě zakódování vnitřních stavů. Porucha tak nezpůsobí neplatný přechod do jiného stavu, případně do neznámého stavu.

Obr. 1 Řešení bez TMR a s TMR

U některých aplikací není tento přístup (detekce poruchy a následné zotavení) postačující. Zotavení z poruchy totiž v typickém případě zahrnuje systémový reset, který vyžaduje jeden nebo více přídavných hodinových cyklů. Pro tyto aplikace nabízí Precision Hi-Rel řešení, absorbující poruchu typu SEU bez potřeby přerušení resp. přídavných hodinových cyklů. Toto řešení může být aplikováno v rámci celého obvodu nebo jen v rámci jednoho/několika modulu/modulů. Řešení využívá trojitou redundanci (TMR – Tripple Modular Redundancy) – obr. 1. Kritický modul je zopakován třikrát a za předpokladu současného výskytu jediné poruchy typu SEU je z výstupů všech tří identických modulů vypočtena majorita. Snadno lze dovodit, že tento majoritní signál je za předpokladu výskytu jediné poruchy vždy správně. Precision Hi-Rel doplní automaticky obvody TMR až na úrovni syntézy obvodu. Návrhářům tím značně zjednodušší život.

Rozeznáváme tři typy TMR:

• lokální TMR – ztrojeny jsou všechny navržené sekvenční elementy
• distribuovaná TMR – ztrojena je navíc kombinační logika včetně výpočtu majority
• globální TMR – oproti distribuované TMR jsou ztrojeny i globální buffery. Tato metoda poskytuje nejvyšší odolnost proti poruchám typu SEU.

Precision Hi-Rel umožňuje pracovat s obvody zahrnujícími mimo jiné bloky RAM, DSP, SRL. Návrháři mohou respektovat všechna pravidla návrhu a omezení, aniž by se zatěžovali tím, že v průběhu syntézy budou doplněny obvody TMR.

V porovnání s jinými přístupy je tento nástroj velmi uživatelsky přátelský a poskytuje rychle kvalitní výsledky.

Bližší informace o nástroji Precision Hi-Rel můžete získat ve firmě ASICentrum s. r. o., která je distributorem SW Mentor Graphics pro návrh obvodů FPGA (tel. 239 043 646).