FPGA 電路動(dòng)態(tài)老化技術(shù)研究

     摘　要：近年來(lái)，隨著FPGA 電路在軍工和航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，用戶對(duì)FPGA 電路的可靠性要求也越來(lái)越高。在集成電路的可靠性*估試驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)是最重要的試驗(yàn)之一，F(xiàn)PGA 動(dòng)態(tài)老化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以提高FPGA 電路的可靠性。文章通過(guò)研究FPGA 電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能模塊，討論FPGA 電路加載配置過(guò)程的原理和流程，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)老化和靜態(tài)老化的對(duì)比試驗(yàn)和結(jié)果分析，研究出FPGA 電路動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)方法，并在工程實(shí)踐中得到了成功實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

　　1 引言

　　FPGA 是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field ProgrammingGate Array）的縮寫(xiě)，用戶可以編寫(xiě)程序?qū)PGA 內(nèi)部的邏輯模塊和I/O 模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)芯片的邏輯功能。近年來(lái)，F(xiàn)PGA芯片以其大規(guī)模、高集成度、高可靠性、投資少、保密性好、開(kāi)發(fā)方便、使用靈活、可在線編程等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著FPGA 電路在軍工和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，其高可靠性尤為重要，為了提高電路的可靠性，最好的方法是對(duì)電路進(jìn)行篩選，其中老化試驗(yàn)就是篩選過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)之一。

　　考慮到FPGA 電路的工作模式比較復(fù)雜，外部需要存儲(chǔ)器或者FLASH 對(duì)其進(jìn)行配置，F(xiàn)PGA 才能動(dòng)態(tài)工作，因此國(guó)內(nèi)一般的FPGA 老化技術(shù)都采用了靜態(tài)老化試驗(yàn)方法。這種靜態(tài)老化試驗(yàn)方法存在著一定的缺陷，電路在老化過(guò)程中并沒(méi)有受到真正的應(yīng)力，因此并不能真正剔除掉早期失效的產(chǎn)品，其可靠性得不到保證。對(duì)FPGA 電路動(dòng)態(tài)老化的研究，提高老化試驗(yàn)條件的嚴(yán)酷度，即可保證電路的高可靠性要求。

　　2 動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)

　　集成電路的動(dòng)態(tài)老化理論上要求電路在其最高溫度工作條件下完全模擬實(shí)際工作狀態(tài)，電路內(nèi)部的邏輯單元都有機(jī)會(huì)得到翻轉(zhuǎn)，對(duì)于一般數(shù)字集成電路都需要外部提供功能測(cè)試碼來(lái)驅(qū)動(dòng)電路工作。

　　對(duì)于FPGA 電路的動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，功能測(cè)試碼是存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中的配置程序，將程序配置到FPGA 電路內(nèi)部，使內(nèi)部的門(mén)陣列全部工作起來(lái)，實(shí)現(xiàn)高覆蓋率的邏輯節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)，讓其按照規(guī)定的功能工作。因此本研究工作的關(guān)鍵在如何進(jìn)行FPGA電路的程序配置。

　　3 FPGA設(shè)計(jì)流程

　　完整的FPGA 設(shè)計(jì)流程包括邏輯電路設(shè)計(jì)輸入、功能仿真、綜合及時(shí)序分析、實(shí)現(xiàn)、加載配置、調(diào)試。FPGA 配置就是將特定的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)按FPGA設(shè)計(jì)流程轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)位流加載到FPGA 的內(nèi)部存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)特定邏輯功能的過(guò)程。由于FPGA 電路的內(nèi)部存儲(chǔ)器都是基于RAM 工藝的，所以當(dāng)FPGA電路電源掉電后，內(nèi)部存儲(chǔ)器中已加載的位流數(shù)據(jù)將隨之丟失。所以，通常將設(shè)計(jì)完成的FPGA 位流數(shù)據(jù)存于外部存儲(chǔ)器中，每次上電自動(dòng)進(jìn)行FPGA電路配置加載。

　　4 FPGA配置原理

　　以Xilinx公司的Qpro Virtex Hi-Rel系列XQV100電路為例，F(xiàn)PGA的配置模式有四種方案可選擇：MasterSerial Mode，Slave Serial Mode，Master selectMAPMode，Slave selectMAP Mode。配置是通過(guò)芯片上的一組專/ 復(fù)用引腳信號(hào)完成的，主要配置功能信號(hào)如下：

　?。?）M0、M1、M2：下載配置模式選擇；

　　（2）CLK：配置時(shí)鐘信號(hào)；

　　（3）DONE：顯示配置狀態(tài)、控制器件啟動(dòng)；

　?。?）PROG_B：初始化引出端；

　?。?）INT_B：配置延遲控制，配置錯(cuò)誤顯示；

　?。?）DOUT：菊花鏈中的配置數(shù)據(jù)輸出。

　　（7）DIN：串行數(shù)據(jù)輸入；

　　FPGA 電路在選定模式下的配置過(guò)程包括四個(gè)主要階段：

　?。?）清除FPGA 電路內(nèi)部配置存儲(chǔ)器；

　　（2）初始化FPGA 電路配置邏輯功能；

　　（3）加載FPGA 電路配置數(shù)據(jù)流；

　?。?）FPGA 電路配置完成，啟動(dòng)電路就緒序列。

　　主串模式電路連接圖見(jiàn)圖1。

圖1 FPGA 配置主串模式連接圖

　　系統(tǒng)或芯片上電后，信號(hào)引腳PROG_B被拉低，F(xiàn)PGA的配置RAM存儲(chǔ)器清空；同樣，PROG_B上的邏輯低電平將會(huì)復(fù)位配置邏輯，并使FPGA 保持在清空配置存儲(chǔ)器狀態(tài)。只要PROG_B 引腳保持低電平，則FPGA 將繼續(xù)清空它的配置RAM存儲(chǔ)器，并使INIT_B 信號(hào)保持為低電平以表明配置在被清空。

　　當(dāng)PROG_B被釋放時(shí)，F(xiàn)PGA將繼續(xù)使INIT_B保持低電平，直到完成清空所有的配置存儲(chǔ)器。FPGA 在INIT_B信號(hào)的上升沿檢測(cè)其模式引腳M0、M1、M2。

　　INIT_B 信號(hào)變?yōu)楦唠娖胶螅渲镁涂梢蚤_(kāi)始了，不需要額外的暫停或等待周期。但是，配置過(guò)程不必在INIT_B 變化之后就立即開(kāi)始。配置邏輯只有當(dāng)位流的同步字被載入時(shí)才開(kāi)始處理數(shù)據(jù)。當(dāng)上電清除配置RAM存儲(chǔ)器后，INIT_B信號(hào)引腳變高電平，可以開(kāi)始載入配置數(shù)據(jù)：標(biāo)準(zhǔn)的位流首先是引入空閑字FFFFFFFFh，其次是同步字AA995566h，然后是一些配置控制信息，緊跟其后的才是真正的位流數(shù)據(jù)幀和相關(guān)的CRC；位流的最后是CRC 校驗(yàn)和啟動(dòng)芯片進(jìn)入工作態(tài)。FPGA 電路配置流程圖如圖2 所示。

圖2 FPGA 電路配置流程圖

　　5 FPGA動(dòng)態(tài)老化板的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)以上討論的配置原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了XQV100型FPGA 電路動(dòng)態(tài)老化板，如圖3 所示。配置模式采用主串方式（Master Serial Mode），這種配置模式有利于簡(jiǎn)化PCB 的設(shè)計(jì)，并且主串模式的配置時(shí)鐘源于FPGA內(nèi)部，不需要外部另外再提供。為了使FPGA電路工作在主串模式，電路的M1、M2、M3 引腳都應(yīng)接地。同時(shí)，該模式下的外部配置存儲(chǔ)器需要選用串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇鎯?chǔ)器，在這里我們選用Xilinx公司的xcf02s 存儲(chǔ)器，內(nèi)部存儲(chǔ)容量最大可達(dá)2 Mbit。

　　FPGA電路動(dòng)態(tài)老化板采用400mm×400mm的雙層PCB 板，在設(shè)計(jì)老化板時(shí)采用去耦及高、低頻RC濾波，對(duì)直流電源和信號(hào)源采取限流措施。每塊老化板上設(shè)計(jì)4 個(gè)老化工位，為了便于在線調(diào)試電路，每個(gè)工位由一個(gè)XCF02S、一個(gè)JTAG 接口、一個(gè)XQV100 組成。FPGA 芯片動(dòng)態(tài)配置的邏輯程序放置于xcf02s Flash存儲(chǔ)器中。FPGA動(dòng)態(tài)老化的配置程序采用VHDL 語(yǔ)言編寫(xiě)，采用ISE（V9.1）工具進(jìn)行綜合，利用ModelSim（V6.0）進(jìn)行功能模擬，其具體功能是把全部輸入、輸出管腳分五組，每組都實(shí)現(xiàn)32 分頻功能，每組由外部提供一個(gè)1MHz 的方波信號(hào)作為輸入。計(jì)算機(jī)通過(guò)Xilinx 專用的JATG 下載線將編譯過(guò)的配置程序下載到xcf02s 電路中。當(dāng)FPGA電路上電時(shí)，xcf02s 中的配置程序自動(dòng)按照串行的方式下載到FPGA 的內(nèi)部RAM存儲(chǔ)器中，F(xiàn)PGA 按照程序的功能運(yùn)行。每個(gè)電路選擇一個(gè)輸出端口，輸出頻率在1Hz 左右，在外部連接一個(gè)LED 燈作為輸出監(jiān)控，在老化的過(guò)程中可通過(guò)該燈觀察電路是否正常工作。

圖3 FPGA 電路動(dòng)態(tài)老化板原理圖

　　6 結(jié)果與分析

　　我們以XQV100 型FPGA電路為例，進(jìn)行動(dòng)態(tài)老化和靜態(tài)老化對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)條件選擇溫度為125℃，時(shí)間160h。隨機(jī)抽樣60 只常溫測(cè)試合格電路，各取30 只分別按照動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)方法和靜態(tài)老化試驗(yàn)方法進(jìn)行老化。在動(dòng)態(tài)老化通電時(shí)，確保每只電路都有輸出；靜態(tài)老化試驗(yàn)時(shí)，確保電源電壓輸入正確。每1h 記錄一次，確認(rèn)是否有老化異常情況。

　　電路在經(jīng)過(guò)26h 后，其中有1 只（6#）電路LED不閃爍，初步懷疑已經(jīng)失效，但并沒(méi)有立即取出，和其他電路一樣經(jīng)過(guò)160h 老化，經(jīng)過(guò)126h 后21# 電路的LED 不閃爍，同樣繼續(xù)陪試。在老化試驗(yàn)結(jié)束后96h內(nèi)完成了所有電路的常溫電測(cè)試，發(fā)現(xiàn)6# 和21# 電路功能失效，其余電路都合格，具體情況詳見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)態(tài)老化和靜態(tài)老化比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果

　　動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)方法和靜態(tài)老化試驗(yàn)方法相比，動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)在通過(guò)外圍配置電路的程序驅(qū)動(dòng)，使電路的內(nèi)部功能模塊一直處于高速的工作狀態(tài)，相反靜態(tài)老化時(shí)雖然有電壓加載，但沒(méi)有配置程序驅(qū)動(dòng)電路工作，內(nèi)部模塊并一直處于空閑狀態(tài)，因此FPGA 電路在動(dòng)態(tài)老化時(shí)，所受到的應(yīng)力條件更加嚴(yán)酷，更容易暴露電路本身潛在的缺陷，從而提高了電路本身的可靠性。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　目前，國(guó)內(nèi)進(jìn)行FPGA 電路的老化大部分還是采用靜態(tài)老化試驗(yàn)方法。特點(diǎn)是電路老化時(shí)不工作，內(nèi)部門(mén)陣列不翻轉(zhuǎn)，老化過(guò)程中無(wú)法判斷電路是否有異常。FPGA電路動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)方法的實(shí)現(xiàn)解決了這些問(wèn)題，增加了輸出監(jiān)測(cè)點(diǎn)，保證了電路老化過(guò)程無(wú)異常，從而提高了電路的可靠性。

　　本文通過(guò)對(duì)FPGA 電路加載配置過(guò)程的流程和原理進(jìn)行研討，設(shè)計(jì)了FPGA 電路動(dòng)態(tài)老化的試驗(yàn)方法，并在工程實(shí)踐中得到了成功的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)用。

　　雖然這里設(shè)計(jì)的電路和配置過(guò)程針對(duì)Xilinx 公司的Qpro Virtex Hi-Rel 系列XQV100電路，但是對(duì)其他系列和其他公司FPGA 的動(dòng)態(tài)配置也有參考作用。本方法雖然實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)老化的目的，但還是存在著缺陷：現(xiàn)有FPGA電路的內(nèi)部門(mén)數(shù)已經(jīng)超過(guò)了100萬(wàn)門(mén)，一般的配置程序只能占用FPGA 電路的部分內(nèi)部資源，并且用到的D 觸發(fā)器多了，則移位寄存器就少，通常是顧此失彼，因此要做到100%的動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)還存在著一定的困難。