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　　以前很多人認(rèn)為，半導(dǎo)體器件只會在太空應(yīng)用中受到輻射的影響，但是隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，很多地面的應(yīng)用也會受到輻射的影響。今天，我們會介紹不同的輻射效應(yīng)和對FPGA的影響，比較不同的FPGA的耐輻射性。

　　輻射的影響

　　按照是否能造成原子或者分子的電子脫離，輻射主要分為電離性和非電離性兩大類，如圖1所示。高能粒子或者電磁波包括X射線和γ射線都能夠產(chǎn)生電離的作用。半導(dǎo)體器件受電離性的輻射影響較大，日常應(yīng)用中以粒子引起的電離性輻射最常見，而其中，以α粒子和中子的影響力較大。

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　　圖1 輻射分類

　　對于太空和地面的應(yīng)用而言，輻射效應(yīng)可以分為兩大類，單事件效應(yīng)(SEE)和總離子劑量/總劑量(TID)。在對地面的應(yīng)用中，單事件效應(yīng)比較普遍，SEE是高能帶電粒子在器件的靈敏區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量帶電粒子的現(xiàn)象，SEE的種類很多，尤其以單事件閉鎖(SEL)和單事件/粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)最難處理。當(dāng)輻射在器件內(nèi)造成一定程度的離子化的時候，導(dǎo)通大電流，發(fā)生單事件閉鎖現(xiàn)象，即使在最輕微的情況下，這種閉鎖現(xiàn)象仍會引起芯片循環(huán)上電，嚴(yán)重情況下芯片會永久損壞。但是，值得高興的是，已經(jīng)可以使用芯片設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)來減少單事件閉鎖發(fā)生的幾率。

　　一般電子應(yīng)用中遇到的輻射問題來自于天然輻射，包括由太陽和宇宙的影響造成的因素造成。星系宇宙射線(GCR)是指來自于太空的α粒子、重離子和質(zhì)子，而太陽主要發(fā)射電子、質(zhì)子和重離子。中子的體積非常小，能夠輕易穿過大氣層，甚至能穿透整個地球，而且由于其不帶電荷，能逃過地球的輻射帶陷阱，因此到達(dá)地面和半導(dǎo)體產(chǎn)生作用的高能粒子以中子為主。

　　不同的環(huán)境對產(chǎn)生輻射的影響是不同得，輻射通量隨著高度的上升成指數(shù)增加，在海拔330km時，是太空電子應(yīng)用的所在地，海拔50km是軍用飛機(jī)所能達(dá)到的高度，這里中子和其他粒子的強(qiáng)度都比較高，隨著高度繼續(xù)降低，輻射的通量隨著降低，是商業(yè)飛機(jī)的應(yīng)用高度。

　　地球上的中子來源分為天然來源和人造來源。天然來源是來自宇宙射線與大氣中的氧和氮的相互作用，中子是太陽耀斑的副產(chǎn)品。人造來源包括核武器、核反應(yīng)堆、醫(yī)療設(shè)備等。

　　輻射對FPGA器件影響

　　單粒子翻轉(zhuǎn) (SEU)，是指當(dāng)一個重離子撞擊一個電路節(jié)點(diǎn)，沉積足夠的電荷使該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)改變。SEU 不僅限于太空應(yīng)用，也會發(fā)生在地面的應(yīng)用，如醫(yī)療、航空電子、汽車、網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施。

　　軟錯誤 (soft error)指存儲器單元或寄存器中可以校正的翻轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)被改變，但存儲器單元沒有損壞，一般影響單一比特位，偶爾影響超過一個比特位。

　　固件錯誤 (firm error)指SRAM FPGA 中配置存儲器的翻轉(zhuǎn)，它被稱為“固件”，是因?yàn)殄e誤會一直存在，直到SRAM FPGA重新上電或啟動才能清除。固件錯誤多數(shù)導(dǎo)致功能故障，后果比軟錯誤嚴(yán)重得多，它能夠引起FPGA失效以及整個系統(tǒng)的故障。

　　FPGA 器件中的輻射影響分為兩大類：數(shù)據(jù)影響(軟錯誤)和配置影響(固件錯誤)。醫(yī)療等地面應(yīng)用中的兩個重要輻射源則包括中子和α粒子。

　　數(shù)據(jù)影響(軟錯誤)數(shù)據(jù)影響(軟錯誤)包括觸發(fā)器、存儲器單元、組合邏輯單元中的單比特位翻轉(zhuǎn)。如果能夠校正錯誤，則問題不嚴(yán)重，非關(guān)鍵性數(shù)據(jù)可請求重新發(fā)送，對于關(guān)鍵性數(shù)據(jù)可使用 EDAC/FEC、奇偶校驗(yàn)冗余手段來達(dá)到保護(hù)的目的。

　　配置影響(固件錯誤)是指FPGA 配置元件的單比特位翻轉(zhuǎn)，它可以引起 FPGA 故障，也可以影響數(shù)百萬比特位的數(shù)據(jù)，甚至可以引發(fā)整個系統(tǒng)的故障。

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　　圖2 中子對集成電路的影響

　　中子對集成電路的影響如圖2所示，包括：

　　?中子可能撞擊硅原子，放出重離子

　　?重離子在 CMOS IC 中引起瞬時電流脈沖

　　?會改變存儲器單元和觸發(fā)器中的數(shù)據(jù)

　　輻射如何引發(fā) SRAM FPGA 失效，引起SRAM FPGA 中的配置翻轉(zhuǎn)呢?如圖3所示。

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　　圖3 輻射引發(fā)SRAM FPGA失效

　　非易失性FPGA

　　Microsemi非易失性 FPGA 具有配置翻轉(zhuǎn)免疫能力。分為Flash FPGA和反熔絲FPGA，如圖4所示。

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　　圖4 Flash FPGA和反熔絲FPGA

　　Flash FPGA，高能粒子(大氣中子、太空中的重離子 )不能產(chǎn)生足夠的電荷來讓浮柵錯誤地改變狀態(tài)。

　　反熔絲FPGA，反熔絲 FPGA 具有一個永久編程的金屬鏈接，不會因高能粒子和其他輻射而發(fā)生改變。

　　中子導(dǎo)致的數(shù)據(jù)故障(軟錯誤)，F(xiàn)lash FPGA 和 SRAM FPGA 的數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)率相似，這是基于第三方機(jī)構(gòu) iROC Technologies 所做的分析。

　　翻轉(zhuǎn)率是以每一億小時，每百萬個觸發(fā)器計(jì)算，每個故障等于一個D型觸發(fā)器數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)，可以用EDAC/FEC、奇偶校驗(yàn)、CRC等方法輕易校正。

　　中子導(dǎo)致的配置故障(固件錯誤)，每個故障等于FPGA器件的失效，而越先進(jìn)的工藝通常故障率越高。

　　深亞微米技術(shù)增加了固件錯誤發(fā)生的概率，半導(dǎo)體的工藝越現(xiàn)金使得由輻射引起的故障率越高，隨著CMOS技術(shù)工藝尺寸繼續(xù)縮小，這對固件錯誤帶來實(shí)質(zhì)性影響。如果器件發(fā)生翻轉(zhuǎn)所需的臨界電荷為QCRIT，QCRIT~VCC×CNODE。更低的電源電壓(VCC)增加了固件錯誤的易感性，使得單粒子翻轉(zhuǎn)更為普遍;更小的柵極面積 (CNODE)使得電容更小，相關(guān)的臨界電荷也會減少，因此也增加了固件錯誤的易感性。在CMOS技術(shù)中，工藝尺寸的縮小，使得柵極面積減小，并使電源電壓降低，這兩個因素都會讓單粒子翻轉(zhuǎn)變得更容易。

　　Microsemi下一代的Flash FPGA仍將具有固件錯誤免疫能力，由于Flash工藝的特點(diǎn)，下一代的Flash FPGA能保持足夠大的浮柵電荷QCRIT可以免受大氣中子的影響。QCRIT與工藝節(jié)點(diǎn)的影響如圖5所示。

　　高能中子在SRAM FPGA中會產(chǎn)生配置翻轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)兩種效應(yīng)。

　　配置翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致 FPGA 喪失功能，后果十分嚴(yán)重，緩減方式1：三芯片( Triple-Chip )冗余，是把同樣的電路復(fù)制到三個一樣的芯片中，通過表決的方式，當(dāng)其中一個芯片輻射失效，其余的兩個芯片加起來可以仍然可以把正確的結(jié)果算出來。但是這種方式消耗過多的電路板空間及功率，而且需要外部元件進(jìn)行控制和表決。緩減方式2：配置重讀和重載，這種方式不斷重新配置SRAM FPGA把已有的錯誤糾正，但是FPGA有機(jī)會在重載時再次被中子擊中，在高可用系統(tǒng)中是不可接受的。

　　數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致單一比特位數(shù)據(jù)錯誤，后果取決于數(shù)據(jù)特性。緩減方式簡單，通過FEC、EDAC、數(shù)據(jù)清除，使用容錯性設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　整體而言，緩減方式對SRAM FPGA沒有太多作用，因?yàn)榕渲梅D(zhuǎn)占主導(dǎo)地位，而配置元件占SRAM FPGA的大部分面積。

　　反熔絲和Flash FPGA不存在配置翻轉(zhuǎn)， Micorsemi FPGA 器件的配置經(jīng)第三方獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證能夠耐受中子、質(zhì)子、γ射線、X 射線以及重離子的影響。反熔絲、Flash 及 SRAM FPGA 出現(xiàn)數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)的比率相似，導(dǎo)致單一比特位數(shù)據(jù)錯誤，后果取決于數(shù)據(jù)特性。緩減方式簡單，F(xiàn)EC、EDAC、數(shù)據(jù)清除，使用容錯性設(shè)計(jì)技術(shù)，Micorsemi則已經(jīng)驗(yàn)證了消除數(shù)據(jù)錯誤的緩減技術(shù)。

　　隨著醫(yī)療設(shè)備變得越來越現(xiàn)金，在醫(yī)療設(shè)備中的電子元件含量不斷增加，使得SEU變得越來越重要，使用輻射源的應(yīng)用很重視SEU免疫力。其中包括

　　?腫瘤科(使用 X 射線/質(zhì)子源)

　　?牙科設(shè)備，整形設(shè)備

　　? CT掃描，透視，乳房X射線攝影設(shè)備

　　以上這些應(yīng)用的需求需要可靠的劑量、快速和精確的治療、III類/ IV型設(shè)備需要有最小的停機(jī)時間，關(guān)鍵部分的功能不能中斷，不能承受功能性錯誤等。

　　在網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施中的 SEU，在大型的網(wǎng)絡(luò)中往往用到大量的FPGA，特別是一些跨地域的網(wǎng)絡(luò)，通常會用到成千上萬的FPGA，其中一個FPGA若發(fā)生問題，也可能會造成整個網(wǎng)絡(luò)的通信影響，特別是一些高海拔的地區(qū)，SEU的效應(yīng)更為明顯。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一些大型跨地域的網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)镾EU的引起的通信中斷每幾個小時可能發(fā)生一次，思科公司內(nèi)部也針對SEU提出專門的調(diào)試方案和工作條款。

　　SEU 的免疫力在航空電子中是非常重要的，例如：飛行計(jì)算機(jī)，駕駛艙顯示器;引擎控制和監(jiān)控，制動;座艙增壓和空調(diào);電源控制和分配，飛行表面驅(qū)動等。而這些功能如果因?yàn)镾EU而喪失則是不能接受的。

　　在在汽車電子中的SEU方面，和醫(yī)療應(yīng)用中非常類似，在汽車設(shè)計(jì)中，半導(dǎo)體器件的使用越來越普遍，甚至在關(guān)鍵器件中也能看到FPGA的蹤影，在汽車行業(yè)中，新版本的 AEC-Q100 規(guī)范提出 SER(軟錯誤率)的測試需求，使得它成為基于 SRAM 技術(shù)的強(qiáng)制性規(guī)定。

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　　圖5 QCRIT與工藝節(jié)點(diǎn)的影響問答選編

　　總結(jié)

　　輻射對于 FPGA 的影響不局限于太空應(yīng)用，SRAM FPGA 器件易于發(fā)生中子引發(fā)的配置錯誤 (固件錯誤)，即便在海平面上亦然。