摘　要: 介紹空間輻射環境對FPGA造成的各種輻射效應及所需要采取的加固措施。不同類型的FPGA中的輻射機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，其輻射效應主要是介質的絕緣擊穿，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。在基于SRAM型FPGA中的輻射效應會造成配置失效，加固措施主要是采用監測電路，當配置發生錯誤時，通過重新配置來恢復系統。
　　關鍵詞: FPGA 輻射效應 抗輻射" title="抗輻射">抗輻射加固

　　電子系統在航天領域的應用越來越廣泛，而空間輻射環境對電子系統的影響是不可忽視的。輻射會使器件的性能參數發生退化，以至失效，影響衛星的可靠運行，縮短衛星的壽命。據衛星資料統計，其異常記錄中有70%是由空間輻射環境引起的。
　　隨著航天電子技術的發展，ASIC開始受到設計者關注，尤其是可編程" title="可編程">可編程邏輯器件。
　　可編程ASIC中的現場可編程門陣列(FPGA)將半定制的門陣列電路的優點和可編程邏輯器件的用戶可編程特性兩者結合在一起，不僅包含大量的門電路，使設計的電子產品達到了小型化、集成化、可靠性高、速度快，而且為設計者提供系統內可再編程(或可再配置)的能力，使新一代電子系統具有極強的靈活性和適應性，可為許多復雜的信號處理和信息加工的實現提供新的思路和方法。同時大大縮短了設計周期，減少了設計費用，降低了設計風險。因此FPGA已經成為可編程ASIC中頗受宇航電子設計者們歡迎的一類器件。
　　近年來出現了不少抗輻射加固類型的產品，但由于成本較高，所以一些非加固的普通商用/軍用產品仍然具有很強的吸引力。
1 空間輻射環境
　　近地空間是一個強輻射環境，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。
　　粒子輻射是對空間飛行器影響最嚴重的環境，其來源主要有三種：
　　① 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，這些粒子所占據的區域稱為“輻射帶”。
　　② 太陽宇宙線
　　太陽風：太陽日冕層噴射出的高速粒子流。主要成分為質子，強度隨太陽活動周期變化。
　　耀斑：伴隨著大量高能帶電粒子的發射，稱太陽粒子事件。主要成分是質子，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。
　　空間電離輻射環境極其復雜，包括所有自然界中的元素的原子核，從質子(原子數z＝1)到鈾(z＝92)。這些粒子譜數值上達15階，能量大于10²¹eV。其中大多數是全裸的，但另外一些離子在到達地球時仍保持著一定的原始電荷分布。其密度、組成、頻譜隨時間、地點及到達時的方向而變化。
2 FPGA的類型
　　FPGA的結構主要分為三部分：可編程邏輯塊，可編程I/O模塊、可編程內部連線。
　　可編程邏輯塊和可編程互連資源的構造主要有兩種類型：即查找表類型和多路" title="多路">多路開關型。
　　查找表型FPGA的可編程邏輯單元是由功能為查找表的靜態存貯器(SRAM)構成函數發生器，由它來控制執行FPGA應用函數的邏輯。M個輸入的邏輯函數真值表存貯在一個2M×1的SRAM中，SRAM的地址線起輸入的作用，SRAM的輸出為邏輯函數的值，由此輸出狀態控制傳輸門或多路開關信號的通斷，實現與其它功能塊的可編程連接。
　　多路開關型可編程邏輯塊的基本構成是一個多路開關的配置。利用多路開關的特性，在多路開關的每個輸入接到固定電平或輸入信號時，可實現不同的邏輯功能。大量的多路開關和邏輯門連接起來，可以構成實現大量函數的邏輯塊。
　　FPGA由其配置機制的不同分為兩類：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構。反熔絲是在兩層導體之間的一層很薄的絕緣介質。每個反熔絲占有等效于一個接觸孔或通孔的面積，在電壓加到此元件上時介質擊穿，從而把兩層導電材料連在一起。
　　可再配置器件主要為基于SRAM結構。利用SRAM單元來控制晶體管開關。每個晶體管開關的狀態都由相應的SRAM中的值來確定。片上SRAM是配置存貯器，用來存儲邏輯單元陣列(LCA)的配置數據。配置存儲器控制功能、布線、特性、時序、I/O驅動等。基于SRAM的FPGA在商業領域已經得到了廣泛的應用，它是通過將狀態信息載入SRAM單元來實現配置。為用戶提供了最大的靈活性，使得系統內或在軌編程成為可能。另外，這類器件提供了再配置計算平臺以最大功率；提供了改變需求的靈活性，以及糾正邏輯錯誤和恢復飛行中的故障的潛力，已成為空間飛行器電子器件的發展主題之一。
3 FPGA中的輻射效應
　　FPGA生產者所采用的不同的工藝和結構直接影響其輻射特性。信息存儲結構的類型選擇將決定輻射性能，并將決定關鍵功能的特性。
3.1 基于反熔絲型FPGA中的輻射效應
　　基于反熔絲型FPGA常用于非易失性空間飛行應用場合。反熔絲介質是一薄層ONO夾層，約為80～90埃的等氧層厚度。FPGA設計中會有一定百分比的互連通道由介質擊穿形成。當兩個互相交叉的導體的邏輯層不同時，非編程的反熔絲就會存在偏壓，這顯然有賴于任務周期和兩個信號的相位。
　　當工作在5.5VDC限制范圍內時，偏壓反熔絲的隔離ONO中的電場強度大約為6MV/cm。當一個重離子撞擊偏壓反熔絲并隨之發生穿通時，就形成了單粒子介質擊穿，造成不期望出現的局部連接。這種連接可能表現為：
　　a. 只是小電流增加(可能會增加故障率) 。
　　b. 由于減少的時間和電壓裕量而引起的間斷。
　　c. 硬錯誤。
　　顯然，一個特定單粒子介質擊穿的嚴重程度取決于對反熔絲擊穿環境下電路的考慮。
3.2 基于SRAM型的FPGA中的輻射效應
　　發生于基于SRAM型的FPGA中的較嚴重的輻射效應為配置翻轉。
　　配置位容易受單粒子效應影響而發生翻轉，并可能導致對集成電路控制能力的喪失。當受到重離子輻射時，器件會明顯地失去所有的功能，直到電源重新啟動，并伴隨著器件電流的變化。結構特性是影響FPGA輻射敏感度的因素。如：上電復位電路可能會翻轉并改變再配置器件的狀態。這對于用在關鍵部位的基于SRAM的門陣列具有重要意義。如果在基于SRAM的FPGA裝載了錯誤的配置將會毀壞器件。系統資源可能會由于失去了對三態總線的控制或觸發了系統的關鍵事件而導致崩潰。
　　基于SRAM的FPGA中的單粒子翻轉很大程度上決定于工藝、結構特點和系統設計。例如：一個單粒子效應可以使芯片的兩個輸出驅動端口相連接，結果是出現意想不到的高電流狀態，其電流密度超出可靠工作的要求。另外，總線與內部三態總線的沖突可能會引起過載；上拉電阻和三態總線的絕緣導致輸入端和振蕩器的懸浮；改變輸出擺率會使時序混亂或進入暫穩態；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；邏輯錯誤會使系統板發生故障，或是被檢測到而進入保護狀態并重新配置，或造成久損壞，若在關鍵電路中則發生狀態改變。
　　在電路級，單粒子效應對基于SRAM的FPGA中的配置存儲器有很強的影響。例如：常用的基于SRAM的FPGAXC4000的I/O單元，其器件的關鍵功能屬性由SRAM控制。包括上拉和下拉電阻、輸入閾值、輸入和輸出時鐘極性、輸入延時、輸出極性、I/O是直通或寄存、該單元為輸入或輸出。對系統級的影響有：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致操作間歇；由于改變輸出極性產生錯誤結果；由于被用來作高阻輸入的單元的三態緩沖級被使能而導致系統崩潰。在器件內部，對于有些結構，配置SRAM翻轉能導致布線網絡中的驅動器沖突，三態總線中的總線沖突，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應用于輻射環境是相當具有吸引力的工作。
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，并對輸入緩沖級進行改進。
　　(2) 電路設計加固措施
　　目前在抗輻射加固電路設計中較多采用冗余技術來實現對故障的檢測和隔離。主要包括三模冗余；復制及比較；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。
4.2 基于SRAM型FPGA的抗輻射加固措施
　　(1) 工藝加固措施
　　作為基礎工藝，SRAM配置存儲器比其它工藝具有明顯優勢，但是，也有很明顯的結構上的弱點。即使考慮了各種門計數方法以后，對于商業器件，這些基于SRAM的器件現在仍然處于臨界密度。因此，它不可能象其它FPGA用戶存儲器那樣利用三模冗余或海明碼來克服單粒子效應。而需要對非常大量的單元做單粒子加固。另外，還可以在FPGA內部采取輻射監控措施，隨時檢測和糾正錯誤配置。
　　(2) 電路設計加固措施
　　系統板上可以包括檢查FPGA配置的邏輯。這可以通過如下方法實現：讀取其中的內容或讓FPGA計算一個其內容的校驗和與存在一個可靠寄存器中的計算值相比較。
　　當電路級器件的狀態發生改變時，就需要重復再加載的過程。這需要錯誤監控電路來保證滿足系統的可靠性，通過對配置恒定地監控來實現。這些可靠的電路將明顯地消耗有效的版面空間，除非在FPGA內部采取了輻射加固監控措施。
　　單粒子容錯的應用將使用監測電路來確保配置存儲器內容的正確，以及在出現錯誤的情況下進行糾正。必須要保證不會發生永久性的電路故障。如果有必要進行重載或部分重載，系統設計必須能夠允許電路運行過程中的暫停，同時要禁止任何錯誤的信號傳播到系統的關鍵部分。
　　隨著器件的幾何尺寸進一步縮小，硅的成本在降低，也許可以使為每一配置位提供一個三模冗余加法表決器成為可能，通過非插入式的片上后臺進程刷新配置存儲器來實現。
參考文獻
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