<!DOCTYPE article
PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20190208//EN"
       "JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
 <front>
  <journal-meta>
   <journal-id journal-id-type="publisher-id">Modeling of systems and processes</journal-id>
   <journal-title-group>
    <journal-title xml:lang="en">Modeling of systems and processes</journal-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>Моделирование систем и процессов</trans-title>
    </trans-title-group>
   </journal-title-group>
   <issn publication-format="print">2219-0767</issn>
  </journal-meta>
  <article-meta>
   <article-id pub-id-type="publisher-id">91113</article-id>
   <article-id pub-id-type="doi">10.12737/2219-0767-2024-17-4-59-67</article-id>
   <article-categories>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="ru">
     <subject>Технические науки</subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="en">
     <subject></subject>
    </subj-group>
    <subj-group>
     <subject>Технические науки</subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    <article-title xml:lang="en">Methods of protection of FPGA-based digital devices from ionizing radiation in space conditions</article-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>Методы защиты цифровых устройств на базе ПЛИС от ионизирующего излучения в условиях космического пространства</trans-title>
    </trans-title-group>
   </title-group>
   <contrib-group content-type="authors">
    <contrib contrib-type="author">
     <name-alternatives>
      <name xml:lang="ru">
       <surname>Котляров</surname>
       <given-names>В. В.</given-names>
      </name>
      <name xml:lang="en">
       <surname>Kotliarov</surname>
       <given-names>V. V.</given-names>
      </name>
     </name-alternatives>
    </contrib>
    <contrib contrib-type="author">
     <name-alternatives>
      <name xml:lang="ru">
       <surname>Шевченко</surname>
       <given-names>А. В.</given-names>
      </name>
      <name xml:lang="en">
       <surname>Shevchenko</surname>
       <given-names>A. V.</given-names>
      </name>
     </name-alternatives>
     <xref ref-type="aff" rid="aff-1"/>
    </contrib>
    <contrib contrib-type="author">
     <name-alternatives>
      <name xml:lang="ru">
       <surname>Анциферова</surname>
       <given-names>Валентина Ивановна</given-names>
      </name>
      <name xml:lang="en">
       <surname>Antsiferova</surname>
       <given-names>V. Ivanovna</given-names>
      </name>
     </name-alternatives>
     <xref ref-type="aff" rid="aff-2"/>
    </contrib>
   </contrib-group>
   <aff-alternatives id="aff-1">
    <aff>
     <institution xml:lang="ru">Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова</institution>
     <country>Россия</country>
    </aff>
    <aff>
     <institution xml:lang="en">Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov</institution>
     <country>Russian Federation</country>
    </aff>
   </aff-alternatives>
   <aff-alternatives id="aff-2">
    <aff>
     <institution xml:lang="ru">Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова</institution>
    </aff>
    <aff>
     <institution xml:lang="en">Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov</institution>
    </aff>
   </aff-alternatives>
   <pub-date publication-format="print" date-type="pub" iso-8601-date="2024-12-27T11:27:50+03:00">
    <day>27</day>
    <month>12</month>
    <year>2024</year>
   </pub-date>
   <pub-date publication-format="electronic" date-type="pub" iso-8601-date="2024-12-27T11:27:50+03:00">
    <day>27</day>
    <month>12</month>
    <year>2024</year>
   </pub-date>
   <volume>17</volume>
   <issue>4</issue>
   <fpage>59</fpage>
   <lpage>67</lpage>
   <history>
    <date date-type="received" iso-8601-date="2024-11-25T00:00:00+03:00">
     <day>25</day>
     <month>11</month>
     <year>2024</year>
    </date>
    <date date-type="accepted" iso-8601-date="2024-12-09T00:00:00+03:00">
     <day>09</day>
     <month>12</month>
     <year>2024</year>
    </date>
   </history>
   <self-uri xlink:href="https://naukaru.ru/en/nauka/article/91113/view">https://naukaru.ru/en/nauka/article/91113/view</self-uri>
   <abstract xml:lang="ru">
    <p>Полупроводниковые устройства, такие как программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), в условиях космического пространства подвергаются воздействию ионизирующего излучения, что приводит к негативным последствиям, изменениям электрических характеристик, появлением паразитных токов и возникновению одиночных сбоев (SEU). В данной работе рассматриваются конструктивно-технологические и аппаратно-программные методы повышения радиационной стойкости цифровых устройств на базе ПЛИС. В конструктивно-технологических методах акцент делается на использование защитных экранов из материалов с высокими поглощающими свойствами, применение радиационно-стойких технологических процессов, таких как кремний на изоляторе (КНИ), оптимизацию конструкции транзисторов и выбор радиационно-стойких материалов. Математические модели описывают снижение индуцированного заряда и изменение порогового напряжения транзисторов под воздействием радиации.&#13;
Аппаратно-программные методы основаны на введении избыточности и использовании алгоритмов для обнаружения и коррекции ошибок, вызванных радиационными воздействиями. Рассматриваются модульное и временное резервирование, помехоустойчивое кодирование и методы реконфигурации. Модульное резервирование использует тройное дублирование компонентов с мажоритарным голосованием для определения корректного выхода. Временное резервирование сочетает аппаратную и временную избыточность для обнаружения ошибок с временным сдвигом. Математический анализ надежности систем резервирования проводится с использованием экспоненциальных моделей вероятности безотказной работы.&#13;
Предложены рекомендации по оптимальному выбору методов защиты в зависимости от конкретных условий эксплуатации, требований к надежности и ограничений по ресурсам.</p>
   </abstract>
   <trans-abstract xml:lang="en">
    <p>Semiconductor devices, such as programmable logic integrated circuits (PLICs), are exposed to ionizing radiation in space conditions, which leads to negative consequences, changes in electrical characteristics, appearance of parasitic currents and occurrence of single faults (SEU). In this paper, design-technological and hardware-software methods for improving the radiation resistance of FPGA-based digital devices are discussed. The design-technological methods focus on the use of shields made of materials with high absorption properties, the use of radiation-resistant manufacturing processes such as silicon-on-insulator (SIN), optimization of transistor design and selection of radiation-resistant materials. Mathematical models describe the reduction of induced charge and the change in the threshold voltage of transistors under the influence of radiation.&#13;
Hardware and software methods are based on the introduction of redundancy and the use of algorithms to detect and correct errors caused by radiation effects. Modular and temporal redundancy, noise-tolerant coding, and reconfiguration techniques are discussed. Modular redundancy uses triple redundant components with majority voting to determine the correct output. Temporal redundancy combines hardware and temporal redundancy to detect time-shifted errors. Mathematical reliability analysis of redundancy systems is carried out using exponential models of failure probability.&#13;
Recommendations on the optimal choice of protection methods depending on specific operating conditions, reliability requirements and resource constraints are proposed</p>
   </trans-abstract>
   <kwd-group xml:lang="ru">
    <kwd>Радиационная стойкость</kwd>
    <kwd>ПЛИС</kwd>
    <kwd>однократные сбои</kwd>
    <kwd>резервирование</kwd>
    <kwd>помехоустойчивое кодирование</kwd>
    <kwd>ионизирующее излучение</kwd>
   </kwd-group>
   <kwd-group xml:lang="en">
    <kwd>Radiation immunity</kwd>
    <kwd>FPGA</kwd>
    <kwd>single faults</kwd>
    <kwd>redundancy</kwd>
    <kwd>noise tolerant coding</kwd>
    <kwd>ionizing radiation</kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
 </front>
 <body>
  <p>Понятия &quot;радиационная стойкость&quot; и &quot;радиационно-стойкая микросхема&quot; представляют собой значительные упрощения, не учитывающие многообразия факторов, влияющих на функционирование электронных устройств в условиях ионизирующего излучения. Реальность такова, что существует широкий спектр источников и типов ионизирующего излучения, каждый из которых оказывает своеобразное воздействие на электронные компоненты. Следовательно, для различных областей применения требуется разработка специфических мер защиты, учитывающих конкретные наборы воздействующих факторов и уровни радиационного фона [6]. Микросхема, предназначенная для эксплуатации на низкой околоземной орбите, должна быть спроектирована с учетом влияния космических лучей, солнечной радиации и частиц, захваченных магнитным полем Земли. В то же время устройства, функционирующие в условиях аварийных ситуаций на ядерных объектах, подвергаются иным видам излучения.Из-за этого и возникает необходимость дифференцированного подхода к разработке методов повышения радиационной стойкости электронных систем. Универсальное решение, обеспечивающее полную защиту от всех возможных радиационных воздействий, практически недостижимо. Поэтому важно учитывать специфические условия эксплуатации и характерные для них радиационные факторы при выборе методов защиты.ПЛИС стали неотъемлемой частью таких систем благодаря своей гибкости и возможностям реконфигурации. Однако воздействие радиации особенно критично для ПЛИС, используемых в космической технике, поскольку ошибки, вызванные SEU, могут привести к сбоям в работе бортовых систем, нарушению передачи данных и даже к полной потере управляемости аппарата. Поэтому улучшение радиационной стойкости цифровых устройств является важной задачей при разработке электронных систем для космического применения.</p>
 </body>
 <back>
  <ref-list>
   <ref id="B1">
    <label>1.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Журавлева И.В., Попова Е.А. Полупроводниковые технологии для реализации радиационно-стойких СБИС // Моделирование систем и процессов. – 2022. – Т. 15, № 1. – С. 44-52.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Zhuravleva I.V., Popova E.A. Poluprovodnikovye tehnologii dlya realizacii radiacionno-stoykih SBIS // Modelirovanie sistem i processov. – 2022. – T. 15, № 1. – S. 44-52.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B2">
    <label>2.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Журавлева, И.В. Основные факторы ионизирующих излучений космического пространства, действующие на микросхемы / И.В. Журавлева // Моделирование систем и процессов. – 2019. – Т. 12, № 3. – С. 11-16.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Zhuravleva, I.V. Osnovnye faktory ioniziruyuschih izlucheniy kosmicheskogo prostranstva, deystvuyuschie na mikroshemy / I.V. Zhuravleva // Modelirovanie sistem i processov. – 2019. – T. 12, № 3. – S. 11-16.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B3">
    <label>3.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Зольников К.В., Гамзатов Н.Г., Евдокимова С.А., Потапов А.В., Допира Р.В., Кучеров Ю.С., Яночкин И.Е., Стоянов С.В., Плотников А.М. Моделирование процессов в полупроводниковых структурах при радиационном воздействии // Моделирование систем и процессов. – 2022. – Т. 15, № 3. – С. 106-127.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Zol'nikov K.V., Gamzatov N.G., Evdokimova S.A., Potapov A.V., Dopira R.V., Kucherov Yu.S., Yanochkin I.E., Stoyanov S.V., Plotnikov A.M. Modelirovanie processov v poluprovodnikovyh strukturah pri radiacionnom vozdeystvii // Modelirovanie sistem i processov. – 2022. – T. 15, № 3. – S. 106-127.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B4">
    <label>4.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">А.Е. Козюков, Н.Г. Гамзатов, С.В. Гречаный [и др.]. Общие подходы оценки стойкости к воздействию ионизирующего излучения космического пространства для зарубежной электронной компонентной базы предприятий – разработчиков / // Моделирование систем и процессов. – 2021. – Т. 14, № 4. – С. 58-66. – DOI: 10.12737/2219-0767-2021-14-4-58-66.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">A.E. Kozyukov, N.G. Gamzatov, S.V. Grechanyy [i dr.]. Obschie podhody ocenki stoykosti k vozdeystviyu ioniziruyuschego izlucheniya kosmicheskogo prostranstva dlya zarubezhnoy elektronnoy komponentnoy bazy predpriyatiy – razrabotchikov / // Modelirovanie sistem i processov. – 2021. – T. 14, № 4. – S. 58-66. – DOI: 10.12737/2219-0767-2021-14-4-58-66.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B5">
    <label>5.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Назаренко А. А., Максимов И. А., Кочура С. Г. Возможность унификации требований по радиационной стойкости для космических аппаратов с различными условиями функционирования // Сибирский аэрокосмический журнал. 2023. Т. 24, № 1. С. 126–135. Doi: 10.31772/2712-8970-2023-24-1-126-135.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Nazarenko A. A., Maksimov I. A., Kochura S. G. Vozmozhnost' unifikacii trebovaniy po radiacionnoy stoykosti dlya kosmicheskih apparatov s razlichnymi usloviyami funkcionirovaniya // Sibirskiy aerokosmicheskiy zhurnal. 2023. T. 24, № 1. S. 126–135. Doi: 10.31772/2712-8970-2023-24-1-126-135.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B6">
    <label>6.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Максимов И. А., Кочура С. Г., Авдюшкин С. А. Основные положения методологии обеспечения стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов к воздействию радиационных эффектов космического пространства // Сибирский аэрокосмический журнал. 2023. Т. 24, № 1. С. 116–125. Doi: 10.31772/2712-8970-2023-24-1-116-125.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Maksimov I. A., Kochura S. G., Avdyushkin S. A. Osnovnye polozheniya metodologii obespecheniya stoykosti bortovoy apparatury kosmicheskih apparatov k vozdeystviyu radiacionnyh effektov kosmicheskogo prostranstva // Sibirskiy aerokosmicheskiy zhurnal. 2023. T. 24, № 1. S. 116–125. Doi: 10.31772/2712-8970-2023-24-1-116-125.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B7">
    <label>7.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">В.К. Зольников, С.А. Евдокимова, Е.В. Грошева, А.И. Яньков. Результаты оценки надежности микросхемы 1921ВК028 // Моделирование систем и процессов. – 2019. – Т. 12, № 4. – С. 37-41.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">V.K. Zol'nikov, S.A. Evdokimova, E.V. Grosheva, A.I. Yan'kov. Rezul'taty ocenki nadezhnosti mikroshemy 1921VK028 // Modelirovanie sistem i processov. – 2019. – T. 12, № 4. – S. 37-41.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B8">
    <label>8.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Pagonis, G., Leon, V., Soudris, D., Lentaris, G. (2023). Increasing the Fault Tolerance of COTS FPGAs in Space: SEU Mitigation Techniques on MPSoC. In: Palumbo, F., Keramidas, G., Voros, N., Diniz, P.C. (eds) Applied Reconfigurable Computing. Architectures, Tools, and Applications. ARC 2023. Lecture Notes in Computer Science, vol 14251. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-42921-7_15</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Pagonis, G., Leon, V., Soudris, D., Lentaris, G. (2023). Increasing the Fault Tolerance of COTS FPGAs in Space: SEU Mitigation Techniques on MPSoC. In: Palumbo, F., Keramidas, G., Voros, N., Diniz, P.C. (eds) Applied Reconfigurable Computing. Architectures, Tools, and Applications. ARC 2023. Lecture Notes in Computer Science, vol 14251. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-42921-7_15</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B9">
    <label>9.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Журавлева И.В., Попова Е.А. Полупроводниковые технологии для реализации радиационно-стойких СБИС// Моделирование систем и процессов. – 2022. – Т. 15, № 1. – С. 44-52.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Zhuravleva I.V., Popova E.A. Poluprovodnikovye tehnologii dlya realizacii radiacionno-stoykih SBIS// Modelirovanie sistem i processov. – 2022. – T. 15, № 1. – S. 44-52.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B10">
    <label>10.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Петросянц К.О, Силкин Д.С, Попов Д.А. TCAD-моделирование нанометровых структур FinFET на объемном кремнии с учетом воздействия радиации / // Изв. вузов. Электроника. 2021. Т. 26. № 5. С. 374–386. DOI: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-26-5-374-386</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Petrosyanc K.O, Silkin D.S, Popov D.A. TCAD-modelirovanie nanometrovyh struktur FinFET na ob'emnom kremnii s uchetom vozdeystviya radiacii / // Izv. vuzov. Elektronika. 2021. T. 26. № 5. S. 374–386. DOI: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-26-5-374-386</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B11">
    <label>11.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Cui, Y.; Feng, J.; Li, Y.; Wen, L.; Guo, Q. Proton Radiation Effects of CMOS Image Sensors on Different Star Map Recognition Algorithms for Star Sensors. Electronics 2023, 12, 1629. https://doi.org/10.3390/electronics12071629</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Cui, Y.; Feng, J.; Li, Y.; Wen, L.; Guo, Q. Proton Radiation Effects of CMOS Image Sensors on Different Star Map Recognition Algorithms for Star Sensors. Electronics 2023, 12, 1629. https://doi.org/10.3390/electronics12071629</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B12">
    <label>12.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Roy, S. (2024). Advanced FPGA Implementation Techniques. In: Advanced Digital System Design. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-41085-7_18</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Roy, S. (2024). Advanced FPGA Implementation Techniques. In: Advanced Digital System Design. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-41085-7_18</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B13">
    <label>13.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Zhu, W., Lian, D., Zhang, Q. et al. Damage Mechanism Analysis and Protection Method of Ionizing Radiation Based on Electromagnetic Radiation Characteristics. Russ Phys J 64, 1522–1535 (2021). https://doi.org/10.1007/s11182-021-02486-0</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Zhu, W., Lian, D., Zhang, Q. et al. Damage Mechanism Analysis and Protection Method of Ionizing Radiation Based on Electromagnetic Radiation Characteristics. Russ Phys J 64, 1522–1535 (2021). https://doi.org/10.1007/s11182-021-02486-0</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B14">
    <label>14.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Журавлева, И.В. Развитие технологии систем на кристалле для современной электронной компонентной базы / И.В. Журавлева, Е.А. Попова // Моделирование систем и процессов. – 2021. – Т. 14, № 4. – С. 12-20. – DOI: 10.12737/2219-0767-2021-14-4-12-20.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Zhuravleva, I.V. Razvitie tehnologii sistem na kristalle dlya sovremennoy elektronnoy komponentnoy bazy / I.V. Zhuravleva, E.A. Popova // Modelirovanie sistem i processov. – 2021. – T. 14, № 4. – S. 12-20. – DOI: 10.12737/2219-0767-2021-14-4-12-20.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B15">
    <label>15.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Zhao, Y., Yue, S., Zheng, H., Wang, L. (2024). Aerospace Microelectronics. In: Wang, Y., Chi, MH., Lou, J.JC., Chen, CZ. (eds) Handbook of Integrated Circuit Industry. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-99-2836-1_90</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Zhao, Y., Yue, S., Zheng, H., Wang, L. (2024). Aerospace Microelectronics. In: Wang, Y., Chi, MH., Lou, J.JC., Chen, CZ. (eds) Handbook of Integrated Circuit Industry. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-99-2836-1_90</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B16">
    <label>16.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Schnürle K, Bortfeldt J, Englbrecht FS, Gianoli C, Hartmann J, Hofverberg P, Meyer S, Niepel K, Yohannes I, Vidal M, Landry G, Hérault J, Schreiber J, Parodi K and Würl M (2023) Development of integration mode proton imaging with a single CMOS detector for a small animal irradiation platform. Front. Phys. 10:1044156. doi: 10.3389/fphy.2022.1044156</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Schnürle K, Bortfeldt J, Englbrecht FS, Gianoli C, Hartmann J, Hofverberg P, Meyer S, Niepel K, Yohannes I, Vidal M, Landry G, Hérault J, Schreiber J, Parodi K and Würl M (2023) Development of integration mode proton imaging with a single CMOS detector for a small animal irradiation platform. Front. Phys. 10:1044156. doi: 10.3389/fphy.2022.1044156</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
  </ref-list>
 </back>
</article>
