基于软件的空间辐照下FPGA可靠性设计方法.doc
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1、基于软件的空间辐照下FPGA可靠性设计方法FPGA以其集成度高、灵活性强、开发周期短的特点,在航天领域得到了越来越广泛的应用。然而,其工作的空间环境存在着大量光子、辐射带电子、高能质子等高能粒子。这些高能粒子轰击到器件上,会产生总剂量效应(Total Ionizing Dose, TID)、单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)、单粒子锁定(Single Event Latchup, SEL)、单粒子烧毁(Single Event Bumout,SEB)、单粒子栅击穿(Single Event Gate Rupture, SEGR)、内带电效应等空间辐射效应1。这些效应对
2、基于SRAM的FPGA的影响尤为明显。现代FPGA工艺向着低电压、高集成度方向发展,这使得发生空间辐射响应的阈值越来越低,发生故障的概率越来越大。空间辐射效应的发生,轻则会使设备工作异常,重则会导致设备烧毁、永久失效。因此,FPGA必须进行高可靠性设计,来最大限度地预防和解决空间辐射效应的影响。1空间辐照效应据卫星资料统计,其异常记录中有70是由空间辐射环境引起的2。主要空间辐射效应与辐射源及作用对象之间关系如表1所列。表1主要辐射效应、辐射源及对象单粒子效应(Single Event Effect,SEE)是单个高能质子或重离子入射电子元器件上引发的辐射效应。根据效应的机理不同可分为单粒子翻
3、转、锁定、烧毁、栅击穿等。当单个空间高能带电粒子轰击到大规模、超大规模的逻辑型微电子器件时,沿粒子入射轨迹,在芯片的PN结附近区产生电离效应,生成一定数量的电子空穴对(载流子)。如果芯片处于加电状态,这些由于辐射产生的载流子将在芯片内部电场作用下发生飘移和重新分布,从而改变了芯片内部正常载流子的运动分布和运动状态。当这种改变足够大时,将引起器件电性能状态的改变,造成逻辑器件或电路的逻辑错误,例如:存储器中数据发生翻转,使能信号被重新置位,从而引起逻辑功能混乱、计算机程序跑飞,甚至造成灾难性的后果。目前,大多数FPGA基于SRAM结构。基于SRAM的FPGA中的基本可编程通孔是一个1位的SRAM
4、单元。这种SRAM通孔的编程和擦写方式与其他SRAM存储器一样。虽然SRAM通孔比一般SRAM组建更可靠,但之后的状态也很容易被空间辐射产生的电荷改写3。图1为与FPGA相同的CMOS工艺单粒子翻转示意图和单粒子翻转敏感区域4。因此,对于FPGA软件设计而言,单粒子翻转对FPGA内部逻辑、存储器的影响尤为严重,需要进行安全可靠性设计。2防范措施通常可以采用如下的方法,最大限度地防止或避免空间辐照下的单粒子效应对FPGA软件的影响。2.1定期重新配置FPGA对FPGA进行重新配置,可以清除积累的任何错误。设计者必须确定潜在错误的影响,以及这些错误蔓延所需的时间。在这个时间段之内重新配置FPGA,
5、或者设计检测电路,当FPGA工作错误时,及时对FPGA进行重新配置。虽然错误仍然会蔓延,但潜在的损害被重新配置所限制。笔者所设计的系统为CCD相机成像系统,由任务需求及功能估算,每次开机上电时间约为120 s。开机即加载FPGA逻辑,摄像任务完成后,随即下电,准备下一次摄像任务。因此,可以极大地避免空间辐照效应对设备的影响。2.2三模冗余(TMR)对关键信号,数据进行冗余设计,是防止SEU发生的比较行之有效的方法。冗余设计是用多个相同单元构成并联形式,最后通过表决单元输出最终的数据或信号,三模冗余是常用的冗余设计方法。理论上,在FPGA中某一单元发生SEU的概率是存在的。但连续两个相同单元同时
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