Исследование внутренних дефектов ПЛИС: ищем черную кошку в темной комнате
Сезон 2: Плата содержит 4 кристалла XC7K160T, которые не работают больше 2–3 недель. В чем причина отказа? Разбираемся
1.Программное обеспечение.
Была проведена проверка количества элементов LUT между триггерами. Она показала, что это
количество достигает 12, однако это не приводит к большим временным задержкам и легко
укладывается в 4 нс, и даже почти всегда в 3 нс. В процессе получения результата комбинаторных операций (сложение и сравнение многоразрядных чисел) есть опасность повышенного потребления тока и локальных разогревов из-за значительного разброса времен распространения импульсов, и как следствие появление предельных частот переключения до 1ГГц. На рисунке 1 ниже видно, что на каждый такт происходит не одно переключение, а несколько.
Рис. 1
Поэтому была предпринята попытка применения конвейера для вычислений и оценка с
использованием симуляции на GATE уровне. Переключений оказалось не слишком много, и
конвейеризация привела только к повышению тока потребления, поэтому больше не применялась. Оценка кода показала, что он написан настолько оптимально насколько возможно. Любые изменения в частности и алгоритма (например, аппроксимация умножением, которое применимо при делении на фиксированную константу) могут привести лишь к увеличению используемых ресурсов. Поэтому дальнейшее касалось в основном поиска причин выхода из строя чипов.
2.Проверка температурного режима.
Одна из причин выхода кристалла из строя может быть перегрев. Критической температурой кристалла можно считать температуру более 80 градусов. По словам эксперта (Novomar) наступает «деградация» кремния. Обычно именно так проводят испытания на отказ кристаллов, за короткое время удается оценить, сколько проработает кристалл в нормальных условиях. Температурные измерения показали, что при самых плохих условиях и длительной работе температура выше 70 градусов не поднимается. (См. Рис. 2) Из чего следует, что даже при тактовой частоте 300 МГц вряд ли может сократиться срок службы кристалла. На рисунке виден график, когда вычисление длится не долго. Было проверено, что в длительном режиме так же температура выше 70 градусов не поднимается.
Рис. 2
3.Ток потребления ядра и переходные отверстия.
Был измерен ток потребления ядра (VCCINT и VCCBRAM) FPGA. Напряжение питания 1.0В.
На рисунке 3 приведен график тока потребления ядра от тактовой частоты блока обработки
данных. Реальный и расчетный. Расчетный меньше, поскольку режим отсутствия вычислений и
режим вычислений усредняется. Тут видно, что ток может достигать значения до 15 А, при этом
контактов питания у FPGA 21 шт. т.о. ток каждого пина примерно составит 0.7 А. В печати есть 2 места (M14, N13 и L13, K12), где на одно переходное отверстие приходиться 2 пина. Т.о. ток
составит 1.4 А. Расчетное значение на переходное отверстие 1.5 А, рекомендуемое разработчиками — 1 А. Было проведено испытание этих отверстий на разрушение от тока.
Длительное испытание током 4 А (несколько часов) никак не повлияло на переходное отверстие. Сопротивление его составило несколько mOhm. Кроме того, на плате со снятыми FPGA все отверстия были проверены на обрывы, которые не обнаружены. Вывод таков, что по этой причине плата в переразводке не нуждается. Причина выхода кристаллов из строя не в этом. На рис 3 приведен график мощности потребления ядром, но поскольку напряжение
питания ядра 1 В, то ток численно равен мощности.
Рис. 3
4. Последовательность подачи питания на кристалл.
Последовательность подачи питания на кристалл такова: VCCINT→ VCCBRAM→VCCAUX&
VCCO; VCCINT и VCCBRAM допускается подавать одновременно. В данном проекте последовательность нарушена. Это видно на осциллограмме на рисунке 4. В течение 5 мс
напряжение VCCO 3.3 В превышает 1.5 В, а VCCINT еще не вышел на номинальное значение. Это
не рекомендуется производителем.
Рис. 4
Однако в такой ситуации выход из строя возможен в момент включения питания. А реально
кристалл выходит из строя во время длительной работы. Тем не менее, рекомендуется на
контакты INHIBIT стабилизаторов 3.3 В и 1.8 В установить конденсаторы 1.0 мкФ на GND. Это
позволит задержать их запуск на несколько миллисекунд, и обеспечить выполнение требования
последовательности включения питания. См. рис. 5.
Рис. 5
5.Принципиальная схема
Изучение схемы показало, что на пин M12 VCCADC подается питание 3.3 В. Это нарушает
предельно допустимые значения для кристалла, которое составляет для этого пина 2.0 В, номинал 1.8 В. Необходимо либо переразвести плату и подключить этот пин к 1.8 В, либо уменьшить питание 3.3 В до 1.8 В. Но тогда требуется переключить сигнал CFGBVS_0 подключить на GND. Также это может изменить другие режимы, поэтому, кажется, лучше переразвести.
6. Изучение состояния неисправных кристаллов.
На исправном устройстве обнаружена проблема с ресетом. Т.е. при включении все светодиоды горят и устройство не выходит в рабочий режим. Проблему удалось обойти, убрав внешний ресет, и генерируя его внутри кристалла. Однако, на неисправном образце проблема на 3 чипах из четырех. На двух из них внутренний сигнал RST никак не реагирует на изменение состояния пина (J26), на одном — реагирует только если его замыкать на землю, а так у него состояние 1, хотя должно быть 0. И только на одном корректно работает. Это наводит на мысль, что-либо это результат воздействия на пин статического электричества, (хотя, мне сказано, что пин не используется), либо проблема тоже связана с неправильным питанием пина ADCVCC (M12), или с неправильным порядком включения питания.
6.1 SLICES
Теперь самое интересное. Была написана программа, заполняющая по очереди слайсы
(элементарные ячейки) триггерами, и организована память на них. Сканирование кристалла
показало наличие неисправных элементов. На рис. 6 показаны эти элементы желтым. (Кроме
бледно-желтой полоски по левому краю). На рис. 7 более подробно.
Рис. 6
Рис. 7
Результат тестирования можно посмотреть в лог файлах. Расчет неисправного элемента выглядит так: Например, файл: test_X0–108Y160–191_Dev1(com5).txt
ERROR AT A:000D
WR:55555555
RD:43555555
Адрес 0xD, 13: Позиция слайса: X = 13, Y = 160 + (позиция неправильных битов) = 160 + 25 = 185 и остальные: 186, 188. Итак, X=13, Y = 185, 186,188
Так были получены позиции неисправных слайсов. Сам тест с исходниками в архиве TEST_SLICES (27'07'2016). В папке Versions лежат и bit файлы для запуска. Они рассчитаны на кварц 125 МГц, скорость порта 115200. На рисунках видно еще зеленый прямоугольник, это блок XADC, тот у которого неправильное питание, 3.3 В вместо 1.8В. Если XILINX близко к действительности показывает расположение элементов, то видно, что предположение о порче кристалла по этой причине может быть правдой. Исключить битые слайсы из системы и запретить разводчику их использовать можно командами:
set_property PROHIBIT 1 [get_sites SLICE_X17Y243] — запрещает отдельные слайсы.
set_property PROHIBIT 1 [get_sites -range SLICE_X1Y176: SLICE_X25Y223]
— запрещает набор слайсов.
Полный набор таких команд можно найти в фале main1.xdc в проекте архиве BRAM_TEST.
6.2 BRAM
Используя данные о битых слайсах был построен тест с использованием 98% блоков
памяти. Результат тестирования на рис. 8.
Рис. 8
Более подробно на рис. 9. Красными точками помечены неисправные слайсы, не используемые
для работы теста.
Рис. 9
Можно видеть, что почти половина памяти BRAM повреждена. Причем поврежденная область так
же находиться ближе к модулю ADC, на который подается неправильное питание. Возможно это
не случайность. Если учесть, что тест слайсов показывает не все неисправности, а только по
одному триггеру и несколько LUT на слайс, считаю использовать кристалл с ограничением
количества ядер для проекта не эффективно. Его работа будет непредсказуема, и может не
показывать надежных результатов. К тому же, слишком велики повреждения BRAM. И также
нужно учитывать, что на некоторых других чипах могут быть другие повреждения и не совпадать с уже найденными.
Заключение:
1. Плата нуждается в переразводке с исправлением питания на ADC_VCC (M12) и установке
дополнительных конденсаторов на выводы INHIBIT стабилизаторов +3.3В и +1.8В. Также, если
сигнал RST выводиться за пределы платы с помощью длинных проводов (не считая платы со
светодиодами), желательно предусмотреть защиту от статического электричества.
2.При большой необходимости можно попробовать собрать проект, например, на 80–90
ядер, внеся ограничения на использование BRAM и SLICES, без использования внешнего пина RST, применив внутренний сгенерированный ресет.
PS: После выполнения рекомендации 1 проблемы пропали.
М.Е. Генералов, 2018
