Availability Analysis of Xilinx 7-Series FPGA against Soft Error

Xilinx 7-Series FPGA의 소프트 에러에 대한 가용성 분석

Xilinx 7-Series FPGA(Field Programmable Gate Array)s mainly used for the implementation of high-performance digital circuit have SRAM-type configuration memory and can malfunction when soft errors occur in their configuration memory. SEM(Soft Error Mitigation Controller) offered by Xilinx helps users mitigate the influence of soft errors in configuration memory. When soft errors occur, SEM Controller can recover the state of FPGA through partial reconfiguration if the soft errors are correctable by ECC(Error Correction Code) and CRC(Cyclic Redundancy Code). This paper presents the availability analysis of Xilinx 7-Series FPGAs against soft errors under the protection of the SEM Controller. Availability functions are derived and compared according to the correction capability of the SEM Controller. The result may help to estimate the reliability of SRAM-based FPGA running in an environment where soft errors may occur.

고성능 디지털 회로 구현에 매우 많이 사용되는 Xilinx사의 7-Series FPGA(Field Programmable Gate Array)는 configuration memory가 SRAM 기반으로 제작되어 configuration memory에 소프트 에러(soft error)가 발생하는 경우 FPGA는 오동작하게 된다. Xilinx사에서 제공하는 SEM(Soft Error Mitigation) Controller를 이용하면 configuration memory에서 발생하는 소프트 에러의 영향을 줄일 수 있다. SEM Controller는 FPGA의 configuration memory 영역에 추가된 ECC(Error Correction Code)와 CRC(Cyclic Redundancy Code) 기능을 이용하여 configuration memory에 발생한 소프트 에러를 감지하여 필요시 partial reconfiguration 과정을 수행하여 FPGA의 기능을 소프트 에러 발생 이전으로 복구한다. 본 논문에서는 Xilinx사의 7-Series FPGA에서 SEM Controller를 이용하여 configuration memory의 소프트 에러를 검출하고 정정할 때 FPGA의 신뢰도를 가용성(availability) 관점에서 분석한다. 이를 위해 SEM Controller의 소프트 에러 정정 성능에 따른 가용성 함수를 유도하고 그 효과를 검토한다. 연구 결과는 소프트 에러가 발생하는 환경에서 동작하는 SRAM 기반 FPGA의 신뢰성 예측에 사용할 수 있을 것으로 기대된다.