摘 要: 介紹空間輻射環(huán)境對(duì)FPGA造成的各種輻射效應(yīng)及所需要采取的加固措施。不同類型的FPGA中的輻射機(jī)理及加固措施有所不同。在基于反熔絲" title="反熔絲">反熔絲型FPGA中，其輻射效應(yīng)主要是介質(zhì)的絕緣擊穿，加固措施主要是增加反熔絲厚度，采用三模" title="三模">三模冗余等技術(shù)。在基于SRAM型FPGA中的輻射效應(yīng)會(huì)造成配置失效，加固措施主要是采用監(jiān)測(cè)電路，當(dāng)配置發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，通過重新配置來恢復(fù)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞: FPGA 輻射效應(yīng) 抗輻射" title="抗輻射">抗輻射加固
電子系統(tǒng)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，而空間輻射環(huán)境對(duì)電子系統(tǒng)的影響是不可忽視的。輻射會(huì)使器件的性能參數(shù)發(fā)生退化，以至失效，影響衛(wèi)星的可靠運(yùn)行，縮短衛(wèi)星的壽命。據(jù)衛(wèi)星資料統(tǒng)計(jì)，其異常記錄中有70%是由空間輻射環(huán)境引起的。
隨著航天電子技術(shù)的發(fā)展，ASIC開始受到設(shè)計(jì)者關(guān)注，尤其是可編程" title="可編程">可編程邏輯器件。
可編程ASIC中的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)將半定制的門陣列電路的優(yōu)點(diǎn)和可編程邏輯器件的用戶可編程特性兩者結(jié)合在一起，不僅包含大量的門電路，使設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品達(dá)到了小型化、集成化、可靠性高、速度快，而且為設(shè)計(jì)者提供系統(tǒng)內(nèi)可再編程(或可再配置)的能力，使新一代電子系統(tǒng)具有極強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，可為許多復(fù)雜的信號(hào)處理和信息加工的實(shí)現(xiàn)提供新的思路和方法。同時(shí)大大縮短了設(shè)計(jì)周期，減少了設(shè)計(jì)費(fèi)用，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。因此FPGA已經(jīng)成為可編程ASIC中頗受宇航電子設(shè)計(jì)者們歡迎的一類器件。
近年來出現(xiàn)了不少抗輻射加固類型的產(chǎn)品，但由于成本較高，所以一些非加固的普通商用/軍用產(chǎn)品仍然具有很強(qiáng)的吸引力。
1 空間輻射環(huán)境
近地空間是一個(gè)強(qiáng)輻射環(huán)境，主要包括太陽的電磁輻射及粒子輻射。
太陽的電磁輻射包括(射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波及無線電波等。
粒子輻射是對(duì)空間飛行器影響最嚴(yán)重的環(huán)境，其來源主要有三種：
?、?地球輻射帶
在地球周圍，存在著被地磁捕獲的大量帶電粒子，這些粒子所占據(jù)的區(qū)域稱為“輻射帶”。
?、?太陽宇宙線
太陽風(fēng)：太陽日冕層噴射出的高速粒子流。主要成分為質(zhì)子，強(qiáng)度隨太陽活動(dòng)周期變化。
耀斑：伴隨著大量高能帶電粒子的發(fā)射，稱太陽粒子事件。主要成分是質(zhì)子，其次是α粒子，重離子。
③ 銀河宇宙線
來自銀河系的高能帶電粒子。主要成分為質(zhì)子，其次是α粒子，各種元素的原子核、重離子和微量電子。
空間電離輻射環(huán)境極其復(fù)雜，包括所有自然界中的元素的原子核，從質(zhì)子(原子數(shù)z＝1)到鈾(z＝92)。這些粒子譜數(shù)值上達(dá)15階，能量大于1021eV。其中大多數(shù)是全裸的，但另外一些離子在到達(dá)地球時(shí)仍保持著一定的原始電荷分布。其密度、組成、頻譜隨時(shí)間、地點(diǎn)及到達(dá)時(shí)的方向而變化。
2 FPGA的類型
FPGA的結(jié)構(gòu)主要分為三部分：可編程邏輯塊，可編程I/O模塊、可編程內(nèi)部連線。
可編程邏輯塊和可編程互連資源的構(gòu)造主要有兩種類型：即查找表類型和多路" title="多路">多路開關(guān)型。
查找表型FPGA的可編程邏輯單元是由功能為查找表的靜態(tài)存貯器(SRAM)構(gòu)成函數(shù)發(fā)生器，由它來控制執(zhí)行FPGA應(yīng)用函數(shù)的邏輯。M個(gè)輸入的邏輯函數(shù)真值表存貯在一個(gè)2M×1的SRAM中，SRAM的地址線起輸入的作用，SRAM的輸出為邏輯函數(shù)的值，由此輸出狀態(tài)控制傳輸門或多路開關(guān)信號(hào)的通斷，實(shí)現(xiàn)與其它功能塊的可編程連接。
多路開關(guān)型可編程邏輯塊的基本構(gòu)成是一個(gè)多路開關(guān)的配置。利用多路開關(guān)的特性，在多路開關(guān)的每個(gè)輸入接到固定電平或輸入信號(hào)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能。大量的多路開關(guān)和邏輯門連接起來，可以構(gòu)成實(shí)現(xiàn)大量函數(shù)的邏輯塊。
FPGA由其配置機(jī)制的不同分為兩類：可再配置型和一次性編程型。
一次性編程器件多采用基于反熔絲結(jié)構(gòu)。反熔絲是在兩層導(dǎo)體之間的一層很薄的絕緣介質(zhì)。每個(gè)反熔絲占有等效于一個(gè)接觸孔或通孔的面積，在電壓加到此元件上時(shí)介質(zhì)擊穿，從而把兩層導(dǎo)電材料連在一起。
可再配置器件主要為基于SRAM結(jié)構(gòu)。利用SRAM單元來控制晶體管開關(guān)。每個(gè)晶體管開關(guān)的狀態(tài)都由相應(yīng)的SRAM中的值來確定。片上SRAM是配置存貯器，用來存儲(chǔ)邏輯單元陣列(LCA)的配置數(shù)據(jù)。配置存儲(chǔ)器控制功能、布線、特性、時(shí)序、I/O驅(qū)動(dòng)等?；赟RAM的FPGA在商業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，它是通過將狀態(tài)信息載入SRAM單元來實(shí)現(xiàn)配置。為用戶提供了最大的靈活性，使得系統(tǒng)內(nèi)或在軌編程成為可能。另外，這類器件提供了再配置計(jì)算平臺(tái)以最大功率；提供了改變需求的靈活性，以及糾正邏輯錯(cuò)誤和恢復(fù)飛行中的故障的潛力，已成為空間飛行器電子器件的發(fā)展主題之一。
3 FPGA中的輻射效應(yīng)
FPGA生產(chǎn)者所采用的不同的工藝和結(jié)構(gòu)直接影響其輻射特性。信息存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的類型選擇將決定輻射性能，并將決定關(guān)鍵功能的特性。
3.1 基于反熔絲型FPGA中的輻射效應(yīng)
基于反熔絲型FPGA常用于非易失性空間飛行應(yīng)用場(chǎng)合。反熔絲介質(zhì)是一薄層ONO夾層，約為80～90埃的等氧層厚度。FPGA設(shè)計(jì)中會(huì)有一定百分比的互連通道由介質(zhì)擊穿形成。當(dāng)兩個(gè)互相交叉的導(dǎo)體的邏輯層不同時(shí)，非編程的反熔絲就會(huì)存在偏壓，這顯然有賴于任務(wù)周期和兩個(gè)信號(hào)的相位。
當(dāng)工作在5.5VDC限制范圍內(nèi)時(shí)，偏壓反熔絲的隔離ONO中的電場(chǎng)強(qiáng)度大約為6MV/cm。當(dāng)一個(gè)重離子撞擊偏壓反熔絲并隨之發(fā)生穿通時(shí)，就形成了單粒子介質(zhì)擊穿，造成不期望出現(xiàn)的局部連接。這種連接可能表現(xiàn)為：
a. 只是小電流增加(可能會(huì)增加故障率) 。
b. 由于減少的時(shí)間和電壓裕量而引起的間斷。
c. 硬錯(cuò)誤。
顯然，一個(gè)特定單粒子介質(zhì)擊穿的嚴(yán)重程度取決于對(duì)反熔絲擊穿環(huán)境下電路的考慮。
3.2 基于SRAM型的FPGA中的輻射效應(yīng)
發(fā)生于基于SRAM型的FPGA中的較嚴(yán)重的輻射效應(yīng)為配置翻轉(zhuǎn)。
配置位容易受單粒子效應(yīng)影響而發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并可能導(dǎo)致對(duì)集成電路控制能力的喪失。當(dāng)受到重離子輻射時(shí)，器件會(huì)明顯地失去所有的功能，直到電源重新啟動(dòng)，并伴隨著器件電流的變化。結(jié)構(gòu)特性是影響FPGA輻射敏感度的因素。如：上電復(fù)位電路可能會(huì)翻轉(zhuǎn)并改變?cè)倥渲闷骷臓顟B(tài)。這對(duì)于用在關(guān)鍵部位的基于SRAM的門陣列具有重要意義。如果在基于SRAM的FPGA裝載了錯(cuò)誤的配置將會(huì)毀壞器件。系統(tǒng)資源可能會(huì)由于失去了對(duì)三態(tài)總線的控制或觸發(fā)了系統(tǒng)的關(guān)鍵事件而導(dǎo)致崩潰。
基于SRAM的FPGA中的單粒子翻轉(zhuǎn)很大程度上決定于工藝、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。例如：一個(gè)單粒子效應(yīng)可以使芯片的兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)端口相連接，結(jié)果是出現(xiàn)意想不到的高電流狀態(tài)，其電流密度超出可靠工作的要求。另外，總線與內(nèi)部三態(tài)總線的沖突可能會(huì)引起過載；上拉電阻和三態(tài)總線的絕緣導(dǎo)致輸入端和振蕩器的懸??；改變輸出擺率會(huì)使時(shí)序混亂或進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)；將輸入模塊改為輸出配置，引起FPGA和(或)板上其它元件的損壞；邏輯錯(cuò)誤會(huì)使系統(tǒng)板發(fā)生故障，或是被檢測(cè)到而進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并重新配置，或造成久損壞，若在關(guān)鍵電路中則發(fā)生狀態(tài)改變。
在電路級(jí)，單粒子效應(yīng)對(duì)基于SRAM的FPGA中的配置存儲(chǔ)器有很強(qiáng)的影響。例如：常用的基于SRAM的FPGAXC4000的I/O單元，其器件的關(guān)鍵功能屬性由SRAM控制。包括上拉和下拉電阻、輸入閾值、輸入和輸出時(shí)鐘極性、輸入延時(shí)、輸出極性、I/O是直通或寄存、該單元為輸入或輸出。對(duì)系統(tǒng)級(jí)的影響有：由于上拉電阻的使能使得功率微弱增加；由于改變輸入延遲導(dǎo)致操作間歇；由于改變輸出極性產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果；由于被用來作高阻輸入的單元的三態(tài)緩沖級(jí)被使能而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。在器件內(nèi)部，對(duì)于有些結(jié)構(gòu)，配置SRAM翻轉(zhuǎn)能導(dǎo)致布線網(wǎng)絡(luò)中的驅(qū)動(dòng)器沖突，三態(tài)總線中的總線沖突，若上拉電阻沒有連接則總線懸浮，等等。這些單粒子效應(yīng)可能使器件由于過載而犧牲硬件可靠性。
4 抗輻射加固措施
將FPGA應(yīng)用于輻射環(huán)境是相當(dāng)具有吸引力的工作。
4.1 基于反熔絲型FPGA的抗輻射加固措施
(1) 工藝加固措施
主要方法是增加反熔絲的厚度，并對(duì)輸入緩沖級(jí)進(jìn)行改進(jìn)。
(2) 電路設(shè)計(jì)加固措施
目前在抗輻射加固電路設(shè)計(jì)中較多采用冗余技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的檢測(cè)和隔離。主要包括三模冗余；復(fù)制及比較；編碼及自查等方法。這些方法利用的是硬件冗余、信息冗余及時(shí)間冗余。
在基于反熔絲型FPGA中，由于其硬件資源較充裕，可以采用三模冗余及編碼技術(shù)。
4.2 基于SRAM型FPGA的抗輻射加固措施
(1) 工藝加固措施
作為基礎(chǔ)工藝，SRAM配置存儲(chǔ)器比其它工藝具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是，也有很明顯的結(jié)構(gòu)上的弱點(diǎn)。即使考慮了各種門計(jì)數(shù)方法以后，對(duì)于商業(yè)器件，這些基于SRAM的器件現(xiàn)在仍然處于臨界密度。因此，它不可能象其它FPGA用戶存儲(chǔ)器那樣利用三模冗余或海明碼來克服單粒子效應(yīng)。而需要對(duì)非常大量的單元做單粒子加固。另外，還可以在FPGA內(nèi)部采取輻射監(jiān)控措施，隨時(shí)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤配置。
(2) 電路設(shè)計(jì)加固措施
系統(tǒng)板上可以包括檢查FPGA配置的邏輯。這可以通過如下方法實(shí)現(xiàn)：讀取其中的內(nèi)容或讓FPGA計(jì)算一個(gè)其內(nèi)容的校驗(yàn)和與存在一個(gè)可靠寄存器中的計(jì)算值相比較。
當(dāng)電路級(jí)器件的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，就需要重復(fù)再加載的過程。這需要錯(cuò)誤監(jiān)控電路來保證滿足系統(tǒng)的可靠性，通過對(duì)配置恒定地監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)。這些可靠的電路將明顯地消耗有效的版面空間，除非在FPGA內(nèi)部采取了輻射加固監(jiān)控措施。
單粒子容錯(cuò)的應(yīng)用將使用監(jiān)測(cè)電路來確保配置存儲(chǔ)器內(nèi)容的正確，以及在出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下進(jìn)行糾正。必須要保證不會(huì)發(fā)生永久性的電路故障。如果有必要進(jìn)行重載或部分重載，系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須能夠允許電路運(yùn)行過程中的暫停，同時(shí)要禁止任何錯(cuò)誤的信號(hào)傳播到系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。
隨著器件的幾何尺寸進(jìn)一步縮小，硅的成本在降低，也許可以使為每一配置位提供一個(gè)三模冗余加法表決器成為可能，通過非插入式的片上后臺(tái)進(jìn)程刷新配置存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)。
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