|
Microchip Technology Inc. 航空航天業(yè)務(wù)部高級產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師 Julian Di Matteo 
在挑選現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）半導體產(chǎn)品時(shí)，衛星和航天器系統設計人員有幾種不同的選擇。一種是選擇商用現貨（COTS）組件，這種做法可降低組件單位成本，縮短交付時(shí)間，但可靠性通常不足，必須進(jìn)行篩選（導致成本和工程資源增加），并且需要使用軟硬三重模塊冗余（TMR）來(lái)減輕空間輻射效應。對于要求不能出現故障的任務(wù)，設計人員通常會(huì )選擇采用抗輻射設計（RHBD）技術(shù)的FPGA，雖然成本較高，但這類(lèi)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)篩選和認證，符合合格制造商清單（QML）Q類(lèi)和V類(lèi)標準。QML V類(lèi)是航天用半導體的最高認證標準。載人任務(wù)和安全關(guān)鍵型任務(wù)依靠QML-V組件降低故障風(fēng)險。 提高性能、增強板上數據處理能力以及提供高速通信能力，這些航空領(lǐng)域的挑戰性需求日益增加，設計人員必須設計出滿(mǎn)足這些需求的系統。此類(lèi)耐輻射RT FPGA以其制造商的航天經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)知識為后盾，依托通過(guò)QML V類(lèi)測試的多個(gè)解決方案，提供了一種采用耐輻射設計的解決方案。本文重點(diǎn)介紹航天應用可以采用的不同FPGA技術(shù)以及組件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。 空間輻射效應 由于商用現貨組件無(wú)法免疫各種空間輻射效應的影響，會(huì )導致集成電路性能下降或出現故障，因此需使用RT FPGA。 在各種輻射效應中，有一種稱(chēng)為總電離劑量（TID），它是由空間中的帶電粒子和伽馬射線(xiàn)引起的輻射所致。這種輻射可通過(guò)在材料中產(chǎn)生電離而積聚能量。電離會(huì )改變材料的電荷激發(fā)、電荷傳輸、鍵合和解離特性，從而對器件參數造成不利影響。TID是電子器件在指定時(shí)段（通常是任務(wù)時(shí)間）的電離輻射累加。損傷程度取決于輻射量，用輻射吸收劑量（RAD）表示。視TID輻射耐受性而定，器件可能會(huì )產(chǎn)生功能性或參數性故障。FPGA中受TID輻射影響的常見(jiàn)參數包括傳輸延時(shí)增加，這會(huì )降低器件性能。另一個(gè)故障機制是，在受到高TID輻射后，泄漏電流會(huì )增大。 另一類(lèi)輻射效應是單粒子效應（SEE）。這是指瞬態(tài)翻轉、瞬變或永久性損傷，因粒子（例如質(zhì)子、重離子和α粒子等）輻射撞擊到晶體管的敏感區域所致，會(huì )引發(fā)各種故障。SEE表現為包括單粒子翻轉（SEU）在內的不同形式，在重離子、α粒子或質(zhì)子等高能電離粒子照射電路或通過(guò)集成電路時(shí)產(chǎn)生，會(huì )導致系統邏輯中斷。 同樣令人棘手的是單粒子鎖定（SEL），這是一種因單粒子誘導的高電流狀態(tài)導致器件功能喪失的情況。SEL不一定具有破壞性。對于具有破壞性的鎖定粒子，電流不會(huì )恢復到標稱(chēng)值。而對于不具有破壞性的鎖定粒子，在FPGA上電循環(huán)后，高電平電流將恢復到標稱(chēng)值。 FPGA技術(shù)比較 FPGA有四種基本類(lèi)型： SRAM型FPGA SRAM型FPGA使用靜態(tài)存儲器存儲邏輯單元配置數據。SRAM具有易失性，掉電后器件配置會(huì )丟失。而上電時(shí)必須對FPGA進(jìn)行編程。SRAM型技術(shù)的功耗往往更高，對輻射更敏感。 閃存型FPGA 可重新編程的閃存型FPGA主要使用閃存來(lái)存儲配置。閃存技術(shù)不受SEU影響，因而不再受到FPGA配置存儲器中輻射所致粒子翻轉的威脅。與SRAM型FPGA的功耗相比，RTG4閃存型FPGA的功耗最多可減少50%。采用閃存技術(shù)不需要外部存儲器、冗余或連續配置監視，從而在多個(gè)方面簡(jiǎn)化了設計。這種技術(shù)也無(wú)需使用散熱器，因此可縮小設計尺寸并減小重量，而且有助于降低功耗，這對于電子模塊通過(guò)太陽(yáng)能電池板供電的情況尤為重要。 SONOS型FPGA 此類(lèi)FPGA的一個(gè)示例是Microchip的RT PolarFire FPGA，其具備表征化輻射數據、低功耗以及不受SEU配置影響的輻射性能，并提供經(jīng)過(guò)QML-V認證的高可靠性組件。這些FPGA在28納米工藝節點(diǎn)上基于硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅（SONOS）非易失性（NV）技術(shù)開(kāi)發(fā)。已通過(guò)測量逆變器的傳輸延時(shí)對28納米和較早的65納米進(jìn)行了技術(shù)對比。測試結果表明，在性能上，采用28納米SONOS技術(shù)比采用65納米閃存技術(shù)要高出2.5倍。這些SONOS型FPGA在提供低功耗解決方案的同時(shí)，還具備出色的抗輻射性能，并且不受SEU影響。SONOS型FPGA已通過(guò)QML-V認證，是需要進(jìn)行高速信號處理的應用的理想之選。 圖1給出了閃存型FPGA和SONOS型FPGA為免受SEU影響而采用的架構。
Incoming Particles Causes Firm Errors in Configuration Cells for Logic Modules, Leading to... 入射粒子導致邏輯模塊的配置單元中出現固件錯誤，從而導致... No Change 無(wú)變化 Logic Module 邏輯模塊 Incoming Particle Causes Firm Error in Routing Matrix, leading to... 入射粒子導致路由矩陣中出現固件錯誤，從而導致... Routing Matrix 路由矩陣 圖1——閃存型FPGA和SONOS型FPGA的配置存儲器不受SEU影響 反熔絲型FPGA 反熔絲型FPGA只可編程一次，與閃存型FPGA和SONOS型FPGA相比，關(guān)鍵的可重編程優(yōu)勢受到限制。反熔絲開(kāi)始并不導電，但燒斷后可以導電（其特性與熔絲相反）。反熔絲技術(shù)的抗輻射能力非常強。 如何開(kāi)發(fā)RT FPGA RT FPGA基于具備卓越輻射TID性能的多種制造工藝開(kāi)發(fā)。這包括通過(guò)在電路級內置TMR的觸發(fā)器實(shí)現的RHBD。如果尚未在芯片級實(shí)現TMR，則可以實(shí)現部署在軟件中的TMR（稱(chēng)為軟TMR）。芯片開(kāi)發(fā)完成后，會(huì )對RT FPGA進(jìn)行嚴格的認證。 要使器件達到最高標準，必須符合美國國防部發(fā)布的MIL-PRF-38535標準，這項標準為軍用和航空集成電路確立了一致的認證、測試和可靠性標準。MIL-PRF-38535針對想加入美國國防后勤局（DLA）發(fā)布的QML中的制造商定義了一些要求。 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的另一方面是表征SEE性能，在未改變芯片設計的情況下，它不隨晶圓批次而變化。凍結設計后，FPGA制造商即可開(kāi)始SEE表征過(guò)程。器件投產(chǎn)后，只要設計沒(méi)有變化，并且組件已完全表征，就不需要進(jìn)行額外的SEE性能測試。 一些工藝方法的TID性能可能會(huì )因晶圓批次而異，因此，必須在生產(chǎn)期間基于晶圓執行TID性能測試，以保證器件符合目標TID等級規格（25 krad、100 krad和300 krad）。 RT FPGA對航天器設計的影響 最新的RT FPGA具有諸多優(yōu)勢，為簡(jiǎn)化相關(guān)設計提供了豐富的選擇，而且能顯著(zhù)提高板上數據處理能力。為滿(mǎn)足這些需求，RT FPGA工藝節點(diǎn)在縮小以提高性能及加快信號處理速度，并提供更大的存儲容量和更多DSP功能。此外，RT FPGA還提供其他一些關(guān)鍵優(yōu)勢，包括可重新編程，比ASIC的開(kāi)發(fā)速度快等。通常，FPGA在升空后不會(huì )重新編程，但隨著(zhù)設計復雜性的提高，在系統設計人員遵循設計原則并對與在軌重新編程相關(guān)的成功率和風(fēng)險進(jìn)行審慎評估的前提下，可以選擇重新編程。 |
