FPGA中的空间辐射效应及加固技术[转帖] FPGA, 辐射效应, 转帖, 空间, 加固

ljp

FPGA中的空间辐射效应及加固技术
电子系统在航天领域的应用越来越广泛，而空间辐射环境对电子系统的影响是不可忽视的。辐射会使器件的性能参数发生退化，以至失效，影响卫星的可靠运行，缩短卫星的寿命。据卫星资料统计，其异常记录中有７０％是由空间辐射环境引起的。　
　　随着航天电子技术的发展，ＡＳＩＣ开始受到设计者关注，尤其是可编程逻辑器件。　
　　可编程ＡＳＩＣ中的现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）将半定制的门阵列电路的优点和可编程逻辑器件的用户可编程特性两者结合在一起，不仅包含大量的门电路，使设计的电子产品达到了小型化、集成化、可靠性高、速度快，而且为设计者提供系统内可再编程（或可再配置）的能力，使新一代电子系统具有极强的灵活性和适应性，可为许多复杂的信号处理和信息加工的实现提供新的思路和方法。同时大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险。因此ＦＰＧＡ已经成为可编程ＡＳＩＣ中颇受宇航电子设计者们欢迎的一类器件。　
　　近年来出现了不少抗辐射加固类型的产品，但由于成本较高，所以一些非加固的普通商用／军用产品仍然具有很强的吸引力。
　
１ 空间辐射环境
　
近地空间是一个强辐射环境，主要包括太阳的电磁辐射及粒子辐射。　
太阳的电磁辐射包括(射线、Ｘ射线、紫外线、可见光、红外线、微波及无线电波等。　
粒子辐射是对空间飞行器影响最严重的环境，其来源主要有三种：　
① 地球辐射带　
在地球周围，存在着被地磁捕获的大量带电粒子，这些粒子所占据的区域称为“辐射带”。　
② 太阳宇宙线　
太阳风：太阳日冕层喷射出的高速粒子流。主要成分为质子，强度随太阳活动周期变化。　
耀斑：伴随着大量高能带电粒子的发射，称太阳粒子事件。主要成分是质子，其次是α粒子，重离子。　
③ 银河宇宙线　
来自银河系的高能带电粒子。主要成分为质子，其次是α粒子，各种元素的原子核、重离子和微量电子。　
空间电离辐射环境极其复杂，包括所有自然界中的元素的原子核，从质子(原子数ｚ＝１)到铀(ｚ＝９２)。这些粒子谱数值上达１５阶，能量大于１０２１ｅＶ。其中大多数是全裸的，但另外一些离子在到达地球时仍保持着一定的原始电荷分布。其密度、组成、频谱随时间、地点及到达时的方向而变化。
　
２ ＦＰＧＡ的类型
　
　ＦＰＧＡ的结构主要分为三部分：可编程逻辑块，可编程Ｉ／Ｏ模块、可编程内部连线。　
　可编程逻辑块和可编程互连资源的构造主要有两种类型：即查找表类型和多路开关型。　
　查找表型ＦＰＧＡ的可编程逻辑单元是由功能为查找表的静态存贮器（ＳＲＡＭ）构成函数发生器，由它来控制执行ＦＰＧＡ应用函数的逻辑。Ｍ个输入的逻辑函数真值表存贮在一个２Ｍ×１的ＳＲＡＭ中，ＳＲＡＭ的地址线起输入的作用，ＳＲＡＭ的输出为逻辑函数的值，由此输出状态控制传输门或多路开关信号的通断，实现与其它功能块的可编程连接。　
　多路开关型可编程逻辑块的基本构成是一个多路开关的配置。利用多路开关的特性，在多路开关的每个输入接到固定电平或输入信号时，可实现不同的逻辑功能。大量的多路开关和逻辑门连接起来，可以构成实现大量函数的逻辑块。　
　ＦＰＧＡ由其配置机制的不同分为两类：可再配置型和一次性编程型。　
　一次性编程器件多采用基于反熔丝结构。反熔丝是在两层导体之间的一层很薄的绝缘介质。每个反熔丝占有等效于一个接触孔或通孔的面积，在电压加到此元件上时介质击穿，从而把两层导电材料连在一起。　
　可再配置器件主要为基于ＳＲＡＭ结构。利用ＳＲＡＭ单元来控制晶体管开关。每个晶体管开关的状态都由相应的ＳＲＡＭ中的值来确定。片上ＳＲＡＭ是配置存贮器，用来存储逻辑单元阵列（ＬＣＡ）的配置数据。配置存储器控制功能、布线、特性、时序、Ｉ／Ｏ驱动等。基于ＳＲＡＭ的ＦＰＧＡ在商业领域已经得到了广泛的应用，它是通过将状态信息载入ＳＲＡＭ单元来实现配置。为用户提供了最大的灵活性，使得系统内或在轨编程成为可能。另外，这类器件提供了再配置计算平台以最大功率；提供了改变需求的灵活性，以及纠正逻辑错误和恢复飞行中的故障的潜力，已成为空间飞行器电子器件的发展主题之一。
　
３ ＦＰＧＡ中的辐射效应　

　ＦＰＧＡ生产者所采用的不同的工艺和结构直接影响其辐射特性。信息存储结构的类型选择将决定辐射性能，并将决定关键功能的特性。
　

ljp

３．１ 基于反熔丝型ＦＰＧＡ中的辐射效应　
基于反熔丝型ＦＰＧＡ常用于非易失性空间飞行应用场合。反熔丝介质是一薄层ＯＮＯ夹层，约为８０～９０埃的等氧层厚度。ＦＰＧＡ设计中会有一定百分比的互连通道由介质击穿形成。当两个互相交叉的导体的逻辑层不同时，非编程的反熔丝就会存在偏压，这显然有赖于任务周期和两个信号的相位。　
当工作在５．５ＶＤＣ限制范围内时，偏压反熔丝的隔离ＯＮＯ中的电场强度大约为６ＭＶ／ｃｍ。当一个重离子撞击偏压反熔丝并随之发生穿通时，就形成了单粒子介质击穿，造成不期望出现的局部连接。这种连接可能表现为：　
　ａ． 只是小电流增加(可能会增加故障率) 。　
　ｂ． 由于减少的时间和电压裕量而引起的间断。　
　ｃ． 硬错误。　
显然，一个特定单粒子介质击穿的严重程度取决于对反熔丝击穿环境下电路的考虑。　

　３．２ 基于ＳＲＡＭ型的ＦＰＧＡ中的辐射效应　
　发生于基于ＳＲＡＭ型的ＦＰＧＡ中的较严重的辐射效应为配置翻转。　
　配置位容易受单粒子效应影响而发生翻转，并可能导致对集成电路控制能力的丧失。当受到重离子辐射时，器件会明显地失去所有的功能，直到电源重新启动，并伴随着器件电流的变化。结构特性是影响ＦＰＧＡ辐射敏感度的因素。如：上电复位电路可能会翻转并改变再配置器件的状态。这对于用在关键部位的基于ＳＲＡＭ的门阵列具有重要意义。如果在基于ＳＲＡＭ的ＦＰＧＡ装载了错误的配置将会毁坏器件。系统资源可能会由于失去了对三态总线的控制或触发了系统的关键事件而导致崩溃。　
　基于ＳＲＡＭ的ＦＰＧＡ中的单粒子翻转很大程度上决定于工艺、结构特点和系统设计。例如：一个单粒子效应可以使芯片的两个输出驱动端口相连接，结果是出现意想不到的高电流状态，其电流密度超出可靠工作的要求。另外，总线与内部三态总线的冲突可能会引起过载；上拉电阻和三态总线的绝缘导致输入端和振荡器的悬浮；改变输出摆率会使时序混乱或进入暂稳态；将输入模块改为输出配置，引起ＦＰＧＡ和（或）板上其它元件的损坏；逻辑错误会使系统板发生故障，或是被检测到而进入保护状态并重新配置，或造成久损坏，若在关键电路中则发生状态改变。　
　在电路级，单粒子效应对基于ＳＲＡＭ的ＦＰＧＡ中的配置存储器有很强的影响。例如：常用的基于ＳＲＡＭ的ＦＰＧＡＸＣ４０００的Ｉ／Ｏ单元，其器件的关键功能属性由ＳＲＡＭ控制。包括上拉和下拉电阻、输入阈值、输入和输出时钟极性、输入延时、输出极性、Ｉ／Ｏ是直通或寄存、该单元为输入或输出。对系统级的影响有：由于上拉电阻的使能使得功率微弱增加；由于改变输入延迟导致操作间歇；由于改变输出极性产生错误结果；由于被用来作高阻输入的单元的三态缓冲级被使能而导致系统崩溃。在器件内部，对于有些结构，配置ＳＲＡＭ翻转能导致布线网络中的驱动器冲突，三态总线中的总线冲突，若上拉电阻没有连接则总线悬浮，等等。这些单粒子效应可能使器件由于过载而牺牲硬件可靠性。
　
４ 抗辐射加固措施　

　将ＦＰＧＡ应用于辐射环境是相当具有吸引力的工作。　
　
　４．１ 基于反熔丝型ＦＰＧＡ的抗辐射加固措施　
　(１) 工艺加固措施　
　主要方法是增加反熔丝的厚度，并对输入缓冲级进行改进。　
　(２) 电路设计加固措施　
　目前在抗辐射加固电路设计中较多采用冗余技术来实现对故障的检测和隔离。主要包括三模冗余；复制及比较；编码及自查等方法。这些方法利用的是硬件冗余、信息冗余及时间冗余。　
在基于反熔丝型ＦＰＧＡ中，由于其硬件资源较充裕，可以采用三模冗余及编码技术。　

　４．２ 基于ＳＲＡＭ型ＦＰＧＡ的抗辐射加固措施　
　(１) 工艺加固措施　
　作为基础工艺，ＳＲＡＭ配置存储器比其它工艺具有明显优势，但是，也有很明显的结构上的弱点。即使考虑了各种门计数方法以后，对于商业器件，这些基于ＳＲＡＭ的器件现在仍然处于临界密度。因此，它不可能象其它ＦＰＧＡ用户存储器那样利用三模冗余或海明码来克服单粒子效应。而需要对非常大量的单元做单粒子加固。另外，还可以在ＦＰＧＡ内部采取辐射监控措施，随时检测和纠正错误配置。　
　(2) 电路设计加固措施　
　系统板上可以包括检查ＦＰＧＡ配置的逻辑。这可以通过如下方法实现：读取其中的内容或让ＦＰＧＡ计算一个其内容的校验和与存在一个可靠寄存器中的计算值相比较。　
当电路级器件的状态发生改变时，就需要重复再加载的过程。这需要错误监控电路来保证满足系统的可靠性，通过对配置恒定地监控来实现。这些可靠的电路将明显地消耗有效的版面空间，除非在ＦＰＧＡ内部采取了辐射加固监控措施。　
　单粒子容错的应用将使用监测电路来确保配置存储器内容的正确，以及在出现错误的情况下进行纠正。必须要保证不会发生永久性的电路故障。如果有必要进行重载或部分重载，系统设计必须能够允许电路运行过程中的暂停，同时要禁止任何错误的信号传播到系统的关键部分。　
随着器件的几何尺寸进一步缩小，硅的成本在降低，也许可以使为每一配置位提供一个三模冗余加法表决器成为可能，通过非插入式的片上后台进程刷新配置存储器来实现。
北京清华大学电子工程系 (１０００８４） 李冬梅 王志华 高文焕 张尊侨