Xilinx FPGA抗輻射設(shè)計(jì)技術(shù)研究

摘要：針對(duì)Xilinx FPGA在航天應(yīng)用中的可行性，文章分析了Xilinx FPGA的結(jié)構(gòu)以及空間輻射效應(yīng)對(duì)FPGA的影響，結(jié)合實(shí)際工程實(shí)踐給出了提高其可靠性的一有用辦法和注意事項(xiàng)，如冗余設(shè)計(jì)、同步設(shè)計(jì)、自檢等。表明配置信息的周期刷新和三模冗余設(shè)計(jì)是減輕單粒子效應(yīng)的有效方法。
關(guān)鍵詞：可編程邏輯門陣列；總劑量效應(yīng)；單粒子翻轉(zhuǎn)；單粒子閂鎖；單粒子功能中斷；單粒子燒毀：?jiǎn)瘟Ｗ铀?br />
0 引言
    空間輻射環(huán)境中的帶電粒子會(huì)導(dǎo)致航天器電子系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件發(fā)生單粒子效應(yīng)，嚴(yán)重影響航天器的可靠性和壽命，其中高能質(zhì)子和重離子是導(dǎo)致單粒子效應(yīng)的主要因素。必須對(duì)航天器用電子元器件的單粒子效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，采取一定的抗輻射加固措施，提高其可靠性。因此，空間輻射的單粒子效應(yīng)研究具有重要意義。
    基于SRAM的FPGA在航天領(lǐng)域受到極大關(guān)注。Xilinx公司的FPGA相繼在MARS2003 Lander(JPL)XQR4062XL：Controlling Pyrotechnics、MARS2003 Rover(JPL)XQVR1000：Motor Control、GRACE(NASA、XQR4036XL：Sensor等任務(wù)中成功應(yīng)用之后，國(guó)外航天界對(duì)Xilinx FPGA的應(yīng)用興趣大增。我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域?qū)ilinxFPGA的航天應(yīng)用正處在研究階段，對(duì)其中亟待解決的可靠性設(shè)計(jì)問題研究相對(duì)較少，本文根據(jù)作者在某衛(wèi)星載荷設(shè)備信號(hào)處理器中的實(shí)踐對(duì)Xilinx FPGA(以下簡(jiǎn)稱FPGA)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 Xilinx FPGA介紹
    Xilinx SRAM型FPGA主要由以下幾部份組成，圖1所示為Virtex II FPGA的結(jié)構(gòu)圖。

    (1)配置存儲(chǔ)器(Configure Memory)：FPGA可以看作配置存儲(chǔ)器和受其控制的可配置邏輯資源兩層的疊加。配置存儲(chǔ)器是FPGA內(nèi)部的一個(gè)大容量存儲(chǔ)器，控制著可配置邏輯資源，如布線資源、可編程邏輯資源、數(shù)字時(shí)鐘等邏輯功能。配置存儲(chǔ)器的失效將造成FPGA功能的持久失效(直至重新配置成功)。
    (2)布線資源(Routing Resource)：布線資源是FPGA內(nèi)部邏輯功能單元互聯(lián)的通道，它將用戶設(shè)計(jì)的各個(gè)邏輯功能模塊連在一起。
    (3)可編程I／O(Programmable I／O)：FPGA的輸入輸出接口，通常情況下I／O腳可以設(shè)置成輸入、輸出、高阻態(tài)、雙向I／O。
    (4)可編程邏輯單元(CLB：Configurable LogicBlock)：可編程邏輯功能單元是FPGA的細(xì)胞，通過(guò)它可以完成各式各樣的邏輯功能。
    (5)塊存儲(chǔ)器(Block Select-RAM)和乘法器(Multiplier)等：FPGA內(nèi)部集成的硬件存儲(chǔ)器和乘法器，用以實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)字運(yùn)算。
    (6)數(shù)字時(shí)鐘管理模塊(DCM：Digital ClockManager)：FPGA內(nèi)部的時(shí)鐘管理單元。通過(guò)它可以對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行倍頻、分頻處理，同時(shí)還可以減小時(shí)鐘的抖動(dòng)，提高時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)能力。
    目前FPGA的工藝水平從Virtex系列的220mm發(fā)展到Virtex II的150mm，一直到現(xiàn)在Virtex 4系列高密度FPGA的90nm，雖然抗總劑量效應(yīng)能力在不斷增強(qiáng)，但是隨著器件的核電壓的降低、門數(shù)的劇增，單粒子效應(yīng)會(huì)越來(lái)越明顯。因此FPGA上述組成部分，如配置存儲(chǔ)器、CLB和塊存儲(chǔ)器的抗輻射可靠性設(shè)計(jì)越來(lái)越重要。

2 輻射效應(yīng)及其影響
    空間電子設(shè)備由于其所處的軌道不同，受到的輻射影響也不相同，但是，總的來(lái)講對(duì)Xilinx FPGA影響比較大的輻射效應(yīng)主要有：總劑量效應(yīng)(TID：Total IonizingDose)、單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU：Single Event Upset)、單粒子閂鎖(SEL：Single Event Latch-up)、單粒子功能中斷(SEFI：Single Event Functional Interrupt)、單粒子燒毀(SEB：Single Event Burnout)、單粒子瞬態(tài)脈沖(SET：Single Event Tran-sient)、位移損傷(Displacement Damage)等。上述輻射效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理不盡相同，引起FPGA的失效形式也不同。
    FPGA的配置存儲(chǔ)器、DCM、CLB、塊存儲(chǔ)器對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)比較敏感，可通過(guò)TMR(三倍冗余法)、Scrubbing等來(lái)解決。
    單粒子閉鎖會(huì)導(dǎo)致FPGA電流增大，局部溫度升高，有時(shí)甚至可以高達(dá)200℃上，如果FPGA長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)將導(dǎo)致器件的永久損壞。只有降低電源電壓才能退出閂鎖狀態(tài)，因此在檢測(cè)到單粒子閂鎖之后最好的辦法是斷開器件的電源。
    FPGA中單粒子功能中斷的敏感部分為配置存儲(chǔ)器、上電復(fù)位電路(POR：power on reset)、
    Select-MAP接口和JATAG接口，分別可通過(guò)Monitor the DONE pin、Read and Write to FAR、Read-back and compare to known CRC和toggling PROG等措施解決，對(duì)所有SEFI，Xilinx提供IP監(jiān)視和改正。
    單粒子瞬態(tài)脈沖能引起FPGA內(nèi)部邏輯電路的短時(shí)錯(cuò)誤，可通過(guò)TMR、Scrubbing等來(lái)解決。單粒子瞬態(tài)脈沖對(duì)于小于0．25 μm工藝的FPGA影響較大。
    上述輻射效應(yīng)對(duì)FPGA造成的影響有的是永久性的，如總劑量效應(yīng)、單粒子燒毀、位移損傷；有的是能夠恢復(fù)的，如單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子功能中斷、單粒子瞬態(tài)脈沖。接下來(lái)根據(jù)對(duì)上述輻射影響的分析，研究提高FPGA抗輻射效應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)方法。

3 FPGA抗輻射效應(yīng)可靠性設(shè)計(jì)
    FPGA抗輻射效應(yīng)可靠性設(shè)計(jì)可以從以下幾方面進(jìn)行考慮：FPGA整體設(shè)計(jì)加固考慮；散布內(nèi)部間接檢測(cè)輻射效應(yīng)的自檢模塊；引入外部高可靠性的電子器件在空間中不可避免地會(huì)受到輻射效應(yīng)監(jiān)測(cè)模塊等措施。
3．1 整體加固設(shè)計(jì)
    在電子設(shè)備的外面一般采用一定厚度的材料對(duì)輻射進(jìn)行屏蔽，屏蔽可以減少設(shè)備所受的輻射效應(yīng)。不同的材料對(duì)不同的粒子有著不同的屏蔽性能，經(jīng)常采用的材料有鋁、鉭和脂類化合物等。整體屏蔽的辦法在航天電子設(shè)備中使用較多，也比較成熟。
    結(jié)合我們實(shí)際，考慮整星及電控機(jī)箱的整體屏蔽效果，在軌高500km及四年工作壽命條件下，選器件耐輻射能力10～20krad(Si)以上。
3．2 冗余設(shè)計(jì)
    冗余設(shè)計(jì)方法是被公認(rèn)為比較可靠的應(yīng)對(duì)輻射效應(yīng)的方法。常用的冗余設(shè)計(jì)有三倍冗余法(TMR：Triple Module Redundancy)和部分三倍冗余法(PTMR：PartialTriple Module Redundancy)。圖2所示為Xilinx推薦的三倍冗余設(shè)計(jì)邏輯，這種邏輯充分的考慮了SEU、SET產(chǎn)生的
影響。雖然TMR帶來(lái)了可靠性的提高，但是也會(huì)使模塊的速度降低(有的甚至低到原來(lái)的80％)、占用資源和功率增加(約為3．2倍)。

    TMR：Throughput Logic
    簡(jiǎn)單復(fù)制(Three copies of the original design-Logic and I／O)
    TMR Tradeoffs(TMR折中方案)
    設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)關(guān)鍵部分使用部分三倍冗余法。全部邏輯和敏感端口三模冗余有時(shí)需要權(quán)衡做出折衷，如下表。

    FPGA的可編程I／O也容易受到輻射粒子的影響產(chǎn)生SEU和SEL(目前只發(fā)現(xiàn)三態(tài)腳在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)可以變成輸出腳，還沒有發(fā)現(xiàn)I／O發(fā)生方向轉(zhuǎn)換(即輸入變成輸出或者輸出變成輸入)。輸入輸出腳的三倍冗余設(shè)計(jì)是一種非常有效的方法，尤其是對(duì)因?yàn)榕渲么鎯?chǔ)器發(fā)生單粒子效應(yīng)的情況下，但是這種方法需要占用三倍的I／O資源，所以設(shè)計(jì)的時(shí)候需要慎重考慮。
    我們?cè)贔PGA內(nèi)分多個(gè)區(qū)域，分別采用TMR設(shè)計(jì)，減小出錯(cuò)概率。
3．3 防止關(guān)鍵電路SET引起的抖動(dòng)
    SET在時(shí)鐘電路或者其他數(shù)據(jù)、控制線上容易產(chǎn)生短脈沖抖動(dòng)，這種抖動(dòng)有可能會(huì)造成電路的誤觸發(fā)或者數(shù)據(jù)鎖存的錯(cuò)誤。為了減少這種短脈沖抖動(dòng)的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)可采用如下方法：
    (1)內(nèi)部復(fù)位電路盡可能使用同步復(fù)位；
    (2)控制線盡可能配合使能信號(hào)線使用；
    (3)組合邏輯數(shù)據(jù)在鎖存時(shí)盡可能配合使能信號(hào)。
    也就是說(shuō)，盡量在觸發(fā)邏輯中配合另一個(gè)使能條件，這樣就可以屏蔽由SET產(chǎn)生的大部分抖動(dòng)。
3．4 系統(tǒng)監(jiān)控與重配置(Configuration Scrubbing)
    在某些設(shè)計(jì)壽命不是很長(zhǎng)的衛(wèi)星中，COTS器件的應(yīng)用已經(jīng)成為可能，在類似的信號(hào)處理或者星務(wù)管理平臺(tái)中，采用一種金字塔形體系結(jié)構(gòu)可以大大提高平臺(tái)的可靠性，有效地抵抗各種輻射效應(yīng)引起的可恢復(fù)故障。
    Actel高可靠性的反熔絲FPGA負(fù)責(zé)從非易失大容量存儲(chǔ)器中讀取Xilinx FPGA的配置數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行配置，然后在運(yùn)行期間，對(duì)最容易受輻射效應(yīng)影響的配置存儲(chǔ)器按列進(jìn)行讀操作，然后與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的列進(jìn)行局部重配置。
    另外，也可以通過(guò)對(duì)回讀數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)配置存儲(chǔ)器是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。
    對(duì)配置存儲(chǔ)器的回讀校驗(yàn)和重配置(或局部重配置)是一種有效的抵抗輻射效應(yīng)的方法。

    Scrubbing通過(guò)部分重置刷新配置存儲(chǔ)器，通過(guò)連續(xù)重置修復(fù)SEU，Scrub速度至少十倍于最壞的SEU速度。可以通過(guò)兩條途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)Scru-bbing，第一條途徑是回讀、比較、修復(fù)(closed-loop scrubbing))，第二條途徑是連續(xù)重置(open-loop scrubbing) 并不是所有的資源都可以被scrubbed的，比如SRL16s、LUT RAM、BRAM、BRAM data就不能被scrubbed，可以使用BRAM多模冗余或EDAC算法。
    也并不是所有的資源都需要被scrubbed，大部分routing bits不需要scrubbed。

4 結(jié)論
    文章結(jié)合實(shí)際工程實(shí)踐給出了解決常見的FPGA輻射失效問題的一些方法；對(duì)FPGA在電源輸入端使用限流電阻，信號(hào)處理板采用雙機(jī)冷備份，對(duì)于單粒子翻轉(zhuǎn)和鎖定均具有相應(yīng)對(duì)策，如發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)或鎖定只對(duì)單機(jī)的部分功能有影響，都可以通過(guò)切機(jī)或重新加電消除影響。本文給出的有關(guān)大規(guī)模可配置電子器件的設(shè)計(jì)方法可以為航天電子設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。