太空射線-中子對汽車電子設(shè)備影響及分析

設(shè)想一下：如果你驅(qū)車以每小時75英里的速度在高速公路上疾馳，一邊駕駛著2006才購買的新車，一邊欣賞著Steve Miller的Greatest Hits樂曲。突然間，引擎管理系統(tǒng)或穩(wěn)定控制系統(tǒng)失效。

如果出現(xiàn)這一幕，您不僅僅可能會遭遇嚴(yán)重或可能是致命的車禍，而且車廠也可能被毀譽(yù)一旦，假設(shè)類似情況不止你一個的話。

隨著汽車從純機(jī)械設(shè)備向現(xiàn)代高度集成的線控駕駛汽車電子系統(tǒng)發(fā)展，設(shè)計工程現(xiàn)在面臨越來越多的挑戰(zhàn)。它們必須持續(xù)把復(fù)雜的電子設(shè)備添加到每一個后續(xù)車型年，與此同時，仍然要維持高標(biāo)準(zhǔn)的品質(zhì)和可靠性，并滿足嚴(yán)格的低成本和大批量生產(chǎn)的要求。

傳統(tǒng)上，這些開發(fā)商一直采用微控制器(MCU)、ASIC和碩大的線束來實(shí)現(xiàn)和控制這些系統(tǒng)并擴(kuò)展每一代汽車的性能。目前，這些技術(shù)已經(jīng)逼近了它們的極限，并因復(fù)雜性呈指數(shù)增長而引發(fā)了對可靠性問題的關(guān)注。為了解決這些問題，許多設(shè)計工程師正在轉(zhuǎn)向采用FPGA作為下一代汽車電子設(shè)計的靈活和低成本的解決方案。

太空射線引發(fā)的故障

為了確?，F(xiàn)代汽車中各種系統(tǒng)的功能運(yùn)轉(zhuǎn)正常，必須對元器件提出可靠性數(shù)據(jù)的要求。雖然人們掌握元器件可靠性的大部分原理，但是，在選擇可編程邏輯器件如FPGA的過程中，要把一些獨(dú)特的問題納入應(yīng)該考慮的因素。

明確地說，技術(shù)決策人要預(yù)見到將影響可編程邏輯系統(tǒng)的故障源。雖然來自太空(宇宙射線)的中子轟擊的概念聽起來就像蹦出Star Trek的插曲，中子導(dǎo)致的錯誤現(xiàn)實(shí)上對許多類型的電子設(shè)備都有危害。

中子導(dǎo)致的固件錯誤(firm error)已經(jīng)從一件麻煩事變?yōu)橹卮髥栴}。例如，如果中子導(dǎo)致基于SRAM(基于靜態(tài))的FPGA的(以下簡稱：SRAM FPGA)配置單元被擾亂，就可能導(dǎo)致功能喪失。如果出現(xiàn)這種情況，它就可能造成主系統(tǒng)失常。展望未來，這種問題將更為嚴(yán)重，因?yàn)閷淼纳顏單⒚字圃旃に噷⒊掷m(xù)為基于FPGA的汽車電子系統(tǒng)的設(shè)計工程師帶來實(shí)實(shí)在在的挑戰(zhàn)。

在集成電路內(nèi)部由中子造成的單事件擾亂(SEU)可能在各種類型非易失性存儲單元中都會出現(xiàn)。上述SRAM FPGA采用內(nèi)部存儲單元來保持FPGA的配置狀態(tài)或(個性)。這些存儲器單元面對更為嚴(yán)重的可靠性威脅。當(dāng)內(nèi)容被改變的時候，它被稱為“軟錯誤”，因?yàn)槭菙?shù)據(jù)錯誤，而功能不受影響。雖然該器件可以采用校正數(shù)據(jù)成功地重新寫入，對SRAM數(shù)據(jù)和寄存器可以分別采用EDAC(錯誤檢測和校正)或TMR(隧道磁阻)。軟錯誤可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或“系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障”。

如果SRAM FPGA配置存儲器單元受到破壞，那就稱為“固件錯誤”，因?yàn)檫@些錯誤不易檢測或校正并且本質(zhì)上不是瞬時現(xiàn)象。一旦在FPGA中出現(xiàn)固件錯誤，必須采用初始配置對該器件進(jìn)行重新載入。在一些情況下，必須重新上電以清除故障，然后，重新配置。

這些配置單元中，只要有一個遭遇中子導(dǎo)致的SEU，后果都是嚴(yán)重的。如果配置為被擾亂并改變狀態(tài)，它可能會改變整個器件的功能，導(dǎo)致重大數(shù)據(jù)崩潰或向系統(tǒng)中的其它電路發(fā)送虛假的信號。在極端情況下，如果固件錯誤長期未被檢測到其存在，那么，就能變成“硬故障(hard errors)”并對器件本身或包含該器件的系統(tǒng)造成破壞。這類問題的常見例子是：中子導(dǎo)致的穩(wěn)故障把信號導(dǎo)向錯誤的路徑，從而造成短路。

對于采用SRAM FPGA的、執(zhí)行重要任務(wù)的汽車電子應(yīng)用系統(tǒng)，中子導(dǎo)致的錯誤有著重要的影響?，F(xiàn)有的檢測技術(shù)，每隔一定間隔讀回FPGA的配置，對防止系統(tǒng)內(nèi)的錯誤毫無幫助。

此外，能夠檢測受破壞配置的讀回電路本身就易于遭受SEU或破壞。進(jìn)一步說，在檢查汽車系統(tǒng)抗中子導(dǎo)致的錯誤中，隨著易受影響的FPGA技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們要求把創(chuàng)新的質(zhì)量認(rèn)證體系添加到AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)之中，以補(bǔ)充JEDEC標(biāo)準(zhǔn) 89的不足。當(dāng)前檢測和校正FPGA固件錯誤的方案增加了系統(tǒng)設(shè)計的額外復(fù)雜性，并增加了電路板的大小和物料的成本，從而增加了發(fā)現(xiàn)中子導(dǎo)致的錯誤的“成本”。

中子導(dǎo)致的固件錯誤可能對整個系統(tǒng)按時間計算的故障(FIT)率影響很大。由于難以檢測和幾乎不可能診斷，軟和穩(wěn)故障可能引發(fā)維護(hù)和服務(wù)問題，從而有可能造成擔(dān)保費(fèi)用攀升。在三種主流FPGA技術(shù)—反熔絲、閃存和SRAM—之中，只有反熔絲和閃存免受抗中子導(dǎo)致的軟錯誤和固件錯誤的影響。

實(shí)例：具有SRAM FPGA的汽車系統(tǒng)

本例分析一個安裝在駕駛室內(nèi)地板中的系統(tǒng)。中子射線密度以Denver計算，元素鈷放置在5000英尺的高處，用SpaceRad 4.5(一種廣泛應(yīng)用的輻射效應(yīng)預(yù)測軟件程序)工具測量。根據(jù)已出版的關(guān)于0.22um SRAM FPGA的輻射數(shù)據(jù)，每天每1百萬門FPGA的預(yù)測擾亂率為1.05E-4。

如果供應(yīng)商在乘員傳感器和氣袋控制模塊中部署1百萬門SRAM FPGA，把每天每1百萬門器件為1.054E-4的擾亂率乘以每天每系統(tǒng)為模擬4.38E-06的擾亂率或4375FIT。這意味著，如果同一供應(yīng)商在50萬輛車中采用基于1百萬門SRAM FPGA的安全系統(tǒng)，把擾亂數(shù)1.05E-4乘以路上的車輛/系統(tǒng)的數(shù)量，就得到所有車輛每天有52.5的總擾亂數(shù)(假設(shè)車輛做恒速工作)。

這就相當(dāng)于每27.4分鐘出現(xiàn)一次擾亂。即使對于每天兩小時的中等車輛使用率，仍然有每天兩次擾亂。因?yàn)檫@些都是穩(wěn)故障，它們都將持續(xù)下去，直到SRAM FPGA被二次加載(通常要重新上電或強(qiáng)迫配置)。

在目前的半導(dǎo)體技術(shù)中，器件中的軟錯誤已經(jīng)受到高度關(guān)注。隨著器件尺寸持續(xù)縮小，人們廣泛認(rèn)為這些軟錯誤將成為主要問題。這些錯誤可能常常極大地降低系統(tǒng)的可用性。為了把系統(tǒng)的可用性維持在可以接受的水平，人們強(qiáng)烈要求避免出現(xiàn)軟錯誤。

未來要做的工作

當(dāng)選擇FPGA的時候，至關(guān)重要的是評價每一種可編程架構(gòu)所有權(quán)的總成本，并識別具有本質(zhì)上可靠的內(nèi)核技術(shù)的供應(yīng)商，不要采用為低檔次要求應(yīng)用而設(shè)計的二等品質(zhì)的商用產(chǎn)品。

對于采用SRAM FPGA的設(shè)計工程師來說，有必要實(shí)現(xiàn)檢測和校正配置錯誤的電路，盡管這會增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。此外，輻射測試數(shù)據(jù)表明，反融絲和基于閃存的FPGA不易于出現(xiàn)因中子導(dǎo)致的擾亂而造成的配置丟失。這使它們特別適用于可靠性要求高的應(yīng)用。

現(xiàn)在，想象以下稍微不同的外景：你以每小時75英里的速度駕駛著新的2006車型在高速公路奔馳，耳畔聆聽著優(yōu)美的Steve Miller的Greatest Hits樂曲。由于對引擎管理系統(tǒng)中采用的基于非易失性閃存的FPGA充滿信心，你推桿加速狂飆，體驗(yàn)著極速帶來的快樂，享受著舒適和無故障的旅行。