Control hardware de una FPGA para el estudio de su comportamiento bajo radiación en entornos hostiles

Abstract

En la actualidad, los sistemas embebidos han logrado un gran auge gracias a sus diferentes campos de aplicación y a sus bajos costos comparados con sistemas de cómputo tradicionales. Desde su invención en el año 1984, la gran capacidad de reconfiguración y adaptación que ofrecen las FPGA las hace muy atractivas en múltiples sectores, tales como el aeroespacial o el industrial. Sin embargo, los efectos de la radiación en estos dispositivos, cuyo comportamiento viene determinado por una memoria de configuración, pueden ser tan catastróficos que su uso en entornos de alta radiación debe venir acompañado por una serie de técnicas de protección, tanto a nivel tecnológico como de diseño. Por este motivo, y para realizar una posterior investigación sobre el comportamiento de un determinado circuito implementado en una FPGA en entornos hostiles y bajo las condiciones mencionadas, surge este trabajo. Para realizar las pruebas de inyección de fallos, bien a través de plataformas de emulación o de un sistema de aceleración de partículas, es necesario un sistema externo de control del circuito, en particular de los datos de entrada-salida y del reloj del mismo. Este sistema de generación de reloj, que se ha desarrollado en este trabajo, se ha integrado en un sistema global de inyección de errores que permite poner a prueba la vulnerabilidad de cualquier circuito frente a radiación real. En este trabajo se aborda el estudio de la transmisión de una señal de reloj de manera fiable entre dos FPGA a distancia moderada, mediante la implementación de diferentes técnicas, que permiten aumentar la inmunización al ruido impulsivo y la radiación electromagnética. Para alcanzar este propósito se han utilizado varias FPGA de las familias Artix 7 y Virtex 5 del fabricante Xilinx. Por último, se han obtenido y comparado resultados reales del envío de dicha señal a diferentes distancias y frecuencias.Currently embedded systems have achieved a great boom thanks to its different fields of application and its low costs compared to traditional computer systems. Since its invention in 1984, the great capacity of reconfiguration and adaptation offered by FPGAs makes them very attractive in multiple sectors such as aerospace or industrial. However, the effects of radiation on these devices, whose behavior is determined by a configuration memory can be so catastrophic that its use in high radiation environments must be accompanied by a series of technological and design protection techniques. . For this reason and to carry out a subsequent investigation on the behavior of a specific circuit implemented in an FPGA in hostile environments and under the conditions mentioned, the reason for this project arises. To perform the fault injection tests either through emulation platforms or a particle acceleration system, an external circuit control system is needed, in particular the input-output data and its clock. This clock generation system will be integrated into a global error injection system that will allow testing the vulnerability of any circuit against real radiation. The objective of this work is to study the transmission of a clock signal in a reliable way between two FPGAs through the implementation of different techniques, through immunization to impulsive noise and electromagnetic radiation are addressed. To achieve this purpose, several FPGAs from the Artix 7 and Virtex 5 families of the manufacturer Xilinx have been used. Finally, real results of the sending of said signal at different distances and frequencies have been obtained and compared.