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Lehrstuhl für Informatik 12
Zuverlässige FPGA-basierte Systeme
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Zuverlässige FPGA-basierte adaptive Systeme in der Luft- und Raumfahrt

Kurzbeschreibung des Projektes

Im Entwurf digitaler Schaltungen bieten SRAM-basierte FPGAS durch ihre Rekonfigurierbarkeit gegenüber ASICs eine höhere Flexibilität, eine schnellere Markteinführung und geringere NRE-Kosten für eine Vielzahl von Anwendungen in der Audio- und Multimediaverarbeitung sowie in der Datenübertragungstechnik. Wegen ihrer Strahlungsanfälligkeit werden in der Luft- und Raumfahrt SRAM-basierte FPGAs aus Zuverlässigkeitsgründen bisher noch weitgehend vermieden. Während in der Luftfahrt bereits Flash-basierte FPGAs mit relativ geringer Logikdichte eingesetzt werden, sind in Satellitensystemen noch ASIC-Bausteine vorherrschend. In Anbetracht der langen Lebenszyklen von Satelliten will man in Zukunft trotz der erhöhten Strahlungsbelastung statt ASIC-Bausteine SRAM-basierte FPGAs verwenden, da in der Satellitentechnik vor allem in Forschungsmissionen Algorithmen und Protokolle einer schnellen Weiterentwicklung unterliegen.

Durch das Eintreffen kosmischer Strahlung im FPGA können im Konfigurationsspeicher des FPGAs sogenannten Single-Event-Upsets (SEUs) auftreten. Mit dem Begriff SEU verbindet man das ungewollte Kippen von Bits im Konfigurationsspeicher, das dazu führt, dass das korrekte Verhalten der Schaltung nicht mehr gewährleistet ist. Durch die fortwährende Miniaturisierung der CMOS-Technologie wird sich in Zukunft die Anfälligkeit des Konfigurationsspeichers SRAM-basierter FPGAs gegenüber SEUs noch weiter verschärfen, so dass auch in erdnahen, sicherheitskritischen Systemen entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen werden müssen.

Um ein Fehlerverhalten der Schaltung zu verhindern, wird die Schaltung insgesamt redundant ausgelegt. Typischerweise werden zu diesem Zweck im FPGA die einzelnen Module des Systems 3-fach instanziiert, wobei die Ausgänge der Module in einem sogenannten Voter zusammengeführt und bitweise verglichen werden. Über Mehrheitsentscheid können somit die richtigen Daten detektiert werden. Im Allgemeinen nennt man dieses Vorgehen Triple-Modular-Redundancy (TMR). Die redundante Auslegung der Schaltung allein ist aber nicht hinreichend, um ein zuverlässiges System zu gewährleisten, da durch eine Aufkumulation der SEUs im Konfigurationsspeicher mehrere Module falsche Daten liefern können. Daher müssen die einzelnen SEUs im Konfigurationsspeicher möglichst schnell, gemessen an der mittleren Korrekturzeit, korrigiert werden. Dies wird durch sogenannte Scrubbing-Verfahren erreicht, indem periodisch oder ereignisgesteuert der Konfigurationsspeicher mit den korrekten Konfigurationsdaten überschrieben wird.

TMR führt im Allgemeinen zu einem hohen Fächen- und Scrubbing zu einem zusätzlichen Leistungsverbrauch. Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen Konzepte entwickelt werden, um TMR und Scrubbing effizient und adaptiv entsprechend der momentanen Strahlungsbelastung einzusetzen. Die Adaptivität des Systems soll hierbei durch die partiell dynamische Rekonfigurierbarkeit SRAM-basierter FPGAs realisiert werden.

Ziele

Im Einzelnen werden in diesem Forschungsprojekt folgende Ziele verfolgt:

  • Erschließung neuer Einsatzgebiete für SRAM-basierte FPGAs als Plattform adaptiver Systeme in der Luft- und Raumfahrt
  • Entwicklung neuartiger Entwurfsmethoden zur Erhöhung der Zuverlässigkeit digitaler Schaltungen in FPGAs gegenüber Single-Event-Upsets
  • Anwendung der entwickelten Methoden in der Heinrich-Hertz-Satellitenmission
  • Reduzierung der Mean-Time-To-Repair durch optimierte Scrubbing-Verfahren
  • Partielles und adaptives Triple-Modular-Redundancy
  • Entwicklung eines partiell dynamisch rekonfigurierbaren System-on-Chip (SoC) für die Luft- und Raumfahrt
  • Erforschung und Integration zuverlässigkeitserhöhender Maßnahmen in das SoC

Förderung

Dieses Forschungsprojekt ist ein Pilotprojekt des Interdisziplinären Zentrums für Eingebettete Systeme (ESI) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und wird durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie gefördert.

IZ ESI Logo Interdisziplinäres Zentrum für Eingebettete Systeme, D-91058 Erlangen

Projektpartner

Fraunhofer IIS Logo Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen, D-91058 Erlangen
Logo der Universität Universität Erlangen-Nürnberg, D-91058 Erlangen

Kontakt

  Impressum Stand: 21 June 2013.   B.S.