Couverture ElectroniqueS n°127

Jusqu'ici, le problème des radiations ionisantes n'affectait que les composants en altitude. Les technologies Cmos submicroniques ont amené le phénomène au niveau du sol. Entre autres, les FPGA à base de Sram sont visés par les neutrons. Les parades existent et leur usage préconisé dans les grands systèmes. Certaines particules hautement énergétiques de l'atmosphère peuvent engendrer des dysfonctionnements dans les composants semiconducteurs à haut degré d'intégration, telles les mémoires. Cette constatation n'a rien de nouveau. En effet, dès 1979, deux équipes travaillant séparément, chez Intel et aux Bell Labs, expliquent des défauts dans des Dram par la collision entre un neutron atmosphérique et un atome de silicium dans une cellule mémoire. Quelques années plus tard, il est établi que ce phénomène affecte aussi les Sram. Des solutions, architecturales et/ou logicielles, ont été mises au point pour pallier ces défauts de fonctionnement n'intervenant cependant qu'en altitude, donc dans les applications avioniques et spatiales (Electronique n° 53 p. 46). Le problème revient pourtant à l'ordre du jour et pour des systèmes au niveau de la mer ! Il concerne les circuits numériques réalisés dans les récentes technologies de plus en plus fines et, particulièrement, les réseaux logiques programmables configurés par points Sram. Si le phénomène est en lui-même bien connu, son occurrence est difficile à prévoir et les dégâts possibles sont très délicats à évaluer. De plus, au-delà du débat purement scientifique, une certaine polémique d'ordre marketing a pris place compliquant une approche réaliste du problème. Néanmoins, un concepteur averti, même trop, est préférable lorsqu'il est question de fiabilité dans les applications sensibles. Pas de surprise pour les FPGA à base de Sram Concernant les points mémoires de configuration des FPGA à base de Sram, la polémique a, malheureusement, un peu tourné au débat public quant à la fiabilité de ces réseaux prédiffusés programmables. La société Actel, qui ne propose que des FPGA à base d'antifusibles ou de flash, a fait appel à la société française iRoc Technologies pour effectuer des tests impartiaux sur des circuits réels. Etant donné que les durées sont très longues entre chaque événement de type SEU à la surface de la terre, il fut décidé d'utiliser les techniques de tests accélérés du centre scientifique de Los Alamos (Lansce pour Los Alamos Neutron Science Center). Les circuits ont été bombardés par un flux intensif de neutrons, avec un contrôle strict du spectre d'énergie, afin de simuler jusqu'à des centaines d'années d'exposition à diverses altitudes dont l'altitude zéro. Les matrices programmables testées furent les suivantes : chez Actel, l'APA1000 (flash, 1 million portes système, Cmos 0,22 µm) et l'AX1000 (anti-fusibles, 1 million portes système, Cmos 0,15 µm) ; chez Xilinx, deux matrices Spartan XC2V3000 et XC3S1000 (Sram, 3 et 1 million portes système, Cmos 90 nm) ; chez Altera, l'EP1C20 (Sram, 1 million portes système, 0,13 µm). Durant l'exposition, deux mesures étaient effectuées. L'une portait sur le nombre de points de configuration victimes d'un SEU, l'autre comptabilisait la quantité d'erreurs fonctionnelles engendrées. En effet, un SEU ne provoque pas forcément d'erreur fonctionnelle, tout dépend s'il « tombe » sur un point effectivement utilisé pour la configuration du FPGA. La société iRoc a adopté la procédure définie dans le standard JESD-89 pour ces tests. Ce standard décrit à la fois une méthodologie de test accéléré pour les neutrons et une pour l'estimation du taux de FIT (failure in time). Un FIT correspond à une défaillance en 10 9 heures, soit environ 114 000 années. Avant de prendre connaissance des résultats, il faut rappeler que les circuits intégrés typiques ont des taux de FIT inférieurs à 100 ; pour les applications à fiabilité élevée, ces taux sont compris entre 10 et 20. Les résultats obtenus par iRoc sont, pour l'altitude zéro, de 460 FIT pour le FPGA d'Altera, 320 et 1150 FIT respectivement pour les deux circuits de Xilinx.Et, bien sûr, zéro pour les FPGA d'Actel puisqu'ils sont structurellement immunisés contre type de problème. Les résultats ne sont donc pas vraiment une surprise, et c'est bien ce qu'en pensaient les fournisseurs de FPGA à base de Sram. Pour Altera, la résistance aux radiations cosmiques des circuits d'Actel leur offre une niche dans l'avionique et le spatial. Au niveau de la terre, ils n'ont pas eu d'écho de problèmes de ce type avec tous leurs FPGA actuellement en activité. Xilinx a réagi avec des chiffres issus des millions d'applications incluant des FPGA Sram livrés dans le monde et de tests effectués en environnement réel (test Rosetta). Notons que si l'on prend une donnée moyenne des mesures d'iRoc, soit 500 FIT, ceci correspond à une erreur fonctionnelle en 230 ans. Avec Rosetta,pour les mêmes circuits, les résultats sont d'une erreur entre 240 à 560 ans. Il apparaît donc difficile d'établir des méthodes de mesure assez réalistes pour convaincre tout le monde, mais les chiffres n'autorisent pas à ignorer le problème.Si tout ou partie d'une application exige une haute fiabilité, il appartient aux concepteurs de prendre les protections adéquates. Et ces mesures existent. Pour l'altération d'éléments autres que les points mémoire servant à la configuration, Xilinx dispose d'un outil permettant d'agrémenter automatiquement une conception classique avec des modules à triple redondance et vote majoritaire. Une alternative à cette redondance architecturale s'appliquant en outre à la Sram de configuration est la redondance temporelle. Quand le cahier des charges l'autorise, le FPGA effectue une tâche, puis se reconfigure, répète sa tâche et compare les résultats. Il y a également toutes les mesures de correction d'erreurs. Enfin, dans les applications moins sensibles, un bon moyen consiste tout simplement à reconfigurer régulièrement le FPGA. Des FPGA pour l'espace En dépit de leur sensibilité aux neutrons, des FPGA à base de Sram sont conçus et utilisés pour les applications spatiales. Ainsi récemment, Xilinx a commencé la fabrication de sa famille QPro, basée sur la série Virtex-II mais perfectionnée pour convenir aux environnements à hautes radiations. La complexité de ces FPGA atteint six millions de portes système. De même, Atmel met à disposition les matrices AT40KEL040 : des FPGA Sram reprogrammables dans le système, dérivés des produits AT40K40AL et intégrant dans leur structure une circuiterie de protection contre les SEU. Ces réseaux prédiffusés programmables comprennent jusqu'à 50 000 portes équivalentes Asic et 18 Kbits de Sram pour l'utilisateur. Notons enfin qu'Actel, fort de ses produits naturellement immunisés contre les SEU, propose des FPGA à antifusibles, baptisés RTAX-S, durcis contre toutes radiations, en technologie Cmos 0,15 µm. Ces matrices incluent 250 000 portes équivalentes Asic et 288 Kbits de Sram embarquée.

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