γ射线环境下的FPGA加固研究

γ射线环境下FPGA的抗辐射加固研究
摘要：本文分析了FPGA的结构、类型及γ射线环境下FPGA的损伤机制。

提出了γ射线环境下FPGA的抗辐射加固的方案。

该方案旨在对核辐射环境下机器人主要器件FPGA进行加固防护，以增强机器人的抗辐射能力。

关键词：反熔丝FPGA γ射线抗辐射加固
引言：如今，在核电站、辐照厂等强辐射环境下对机器人的需求越来越多。

但与普通机器人相比，辐射环境下机器人需要极强的抗辐射能力。

现场可编程门阵列（FPGA），作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

因其包含大量的门电路，使设计的电子产品达到了小型化、集成化、可靠性高、速度快，设计周期短，节减了费用且为设计者提供系统内可再编程的能力等特点，已经成为核辐射环境下机器人不可缺少的主要器件。

而辐射环下对器件的抗辐射性能要求十分高，因此普通的FPGA无法满足核辐射环境下的需求。

为了解决这个问题，本文针对γ射线环境下提出了FPGA的抗辐射加固方法。

1 FPGA的结构及类型
1.1 FPGA的结构
现场可编程门阵列（FPGA）采用了逻辑单元阵列LCA，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。

FPGA是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。

FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。

FPGA的逻辑
是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。

1.2 FPGA的分类
FPGA 由其配置机制的不同分为两类：可再配置型和一次性编程型。

1）一次性编程型主要是：基于反熔丝的FPGA
反熔丝是在两层导体之间的一层很薄的绝缘介质。

每个反熔丝占有等效于一个接触孔或通孔的面积，在电压加到此元件上时介质击穿，从而把两层导电材料连在一起。

在未编程状态下，反熔丝连接点阻抗超过100ＭΩ，呈断开状态；在编程以后，阻抗典型值为500Ω。

反熔丝技术决定了反熔丝单元较小，占用芯片面积小，工作频率高，有加密位，反拷贝，抗辐射抗干扰，不需外接PROM或EPROM，适合航天、军事、工业等各领域。

2）可再配置型主要有以下两类：
(1)基于SRAM 的FPGA
利用SRAM 单元来控制晶体管开关。

每个晶体管开关的状态都由相应的SRAM 中的值来确定。

片上SRAM 是配置存贮器，用来存储逻辑单元阵列（ LCA ）的配置数据。

配置存储器控制功能、布线、特性、时序、I / O 驱动等。

基于SRAM 的FPGA 在商业领域已经得到了广泛的应用，它是通过将状态信息载入SRAM 单元来实现配置。

为用户提供了最大的灵活性，使得系统内或在轨编程成为可能。

另外，这类器件提供了再配置计算平台以最大功率；提供了改变需求的灵活性，以及纠正逻辑错误和恢复飞行中的故障的潜力，已成为空间飞行器电子器件的发展主题之一。

(2)基于FLASH的FPGA
基于FLASH的FPGA是一个比较新的技术。

2005年Actel公司在美国加利福尼亚总部发布了它的ProASIC3和ProASIC3E系列的FPGA。

这是该公司第三代的基于Flash的可编程逻辑方案。

基于Flash的FPGA可以提供加密、低功耗、上电工作、可重复编程的方案。

该方案充分发挥了FLASH的非异失特性和重配置性。

掉电后配置信息保存在片内
的flash中，因此不需要片外的配置芯片，有助于降低系统成本，提高设计的安全性。

2 γ射线对FPGA的损伤机制
FPGA 设计中会有一定百分比的互连通道由介质击穿形成。

当两个互相交叉的导体的逻辑层不同时，非编程的反熔丝就会存在偏压。

当一个高能粒子撞击偏压反熔丝并随之发生穿通时，就形成了单粒子介质击穿，造成不期望出现的局部连接。

这种连接可能表现为：a只是小电流增加。

b由于减少的时间和电压裕量而引起的间断。

c硬错误。

对深压微米体硅CMOS工艺的FPGA芯片。

γ射线对体硅CMOS器件的辐照效应主要是产生瞬时扰动效应和闭锁效应。

当γ射线射入半导体材料，产生光电效应，在材料内产生空穴-电子对，显著改变材料的导电率。

当CMOS器件处于加电工作状态，即辐照产生空穴-电子对的区域存在电场时，则这些辐照产生的电子和空穴将发生漂移运动，同时也发生扩散运动，形成瞬时光电流。

这种瞬时光电流将造成电路扰动，影响电路正常工作。

有试验结果表明，基于反熔丝的FPGA 芯片在高剂量率条件下的受到的主要影响为γ剂量率瞬时扰动。

发生于基于SRAM 型的FPGA 中的较严重的辐射效应为配置翻转。

配置位容易受单粒子效应影响而发生翻转，并可能导致对集成电路控制能力的丧失。

如果在基于SRAM 的FPGA 装载了错误的配置将会毁坏器件。

系统资源可能会由于失去了对三态总线的控制或触发了系统的关键事件而导致崩溃。

基于SRAM 的FPGA 中的单粒子翻转很大程度上决定于工艺、结构特点和系统设计。

在电路级，单粒子效应对基于SRAM 的FPGA 中的配置存储器有很强的影响。

对系统级的影响有：由于上拉电阻的使能使得功率微弱增加；由于改变输入延迟导致操作间歇；由于改变输出极性产生错误结果；由于被用来作高阻输入的单元的三态缓冲级被使能而导致系统崩溃。

在器件内部，对于有些结构，配置SRAM 翻转能导致布线网络中的驱动器冲突，三态总线中的总线冲突，若上拉电阻没有连接则总线悬浮，等等。

这些单粒子效应可能使器件由于过载而牺牲硬件可靠性。

3抗辐射加固原理
反熔丝FPGA芯片γ剂量率辐照试验结果表明，芯片抗γ剂量率瞬时扰动阈值均较低。

对于FPGA编程逻辑器件而言，γ剂量率瞬时扰动将造成电路在一定时间周期内的功能失效。

而反熔丝FPGA的可编程互连开关结构却对大电流闭锁效应提供了保护，芯片在高剂量率条件下均未产生闭锁效应。

不同反熔丝FPGA器件在不同剂量下的试验结果发现，在较高剂量率辐照下，FPGA输出的当前周期的延时信号都发生了重新延时；而当瞬态辐照过去后，FPGA 的输出信号立刻恢复正常。

这表明该类器件在γ环境下不会发生闭锁或者电路硬损坏，只会导致FPGA当前周期的信号产生变化。

因此，根据反熔丝FPGA的瞬时辐射效应及辐射损伤机理研究，只要能够及时保存和恢复FPGA中的重要数据，就能够尽可能的规避辐射影响。

而对基于SRAM的FPGA只要能解决其配置翻转问题就能很好的对其进行加固。

4 FPGA的抗辐射加固
4.1反熔丝型FPGA 的抗辐射加固措施
（1）工艺加固措施
主要方法是增加反熔丝的厚度，并对输入缓冲级进行改进。

（2）电路加固措施
目前在抗辐射加固电路设计中较多采用冗余技术来实现对故障的检测和隔离。

主要包括三模冗余；复制及比较；编码及自查等方法。

这些方法利用的是硬件冗余、信息冗余及时间冗余。

在基于反熔丝型FPGA 中，由于其硬件资源较充裕，可以采用三模冗余及编码技术。

（3）设计延时加固电路。

设计一种不需要外部强制断电回避，，能及时保存和恢复FPGA中的重要数据的电路，即在FPGA带电工作条件下的实时信息保存与恢复技术，使反熔丝FPGA 延时电路在γ瞬态辐照条件下能够正常工作，实现反熔丝FPGA延时电路抗γ剂
量率辐射加固。

4.2 SRAM 型FPGA 的抗辐射加固措施
(1)改进FPGA本身的硬件结构。

在大部分基于FPGA的电路实现中，87％的配置位存储的信息为0。

因此，设计一种在存储0时对SEU有更好免疫性的SRAM，可以减低软错误率。

一个标准的SRAM单元由6个晶体管组成，只要改善SRAM结构以提高了存储0时的稳定性，就可以减少了软错误的可能性。

(2)提高映射在FPGA中的电路的错误容忍度。

采用三模冗余(TMR)。

TMR将同一个电路在FPGA内实现3个拷贝，然后用一个“投票电路”对3个电路的输出进行选择，抵抗单粒子效应的能力会有所提高。

如果3个电路中只有一个电路发生错误，只要其他2个电路不出现问题，则投票电路可以选择正确的结果进行输出。

(3)借助外部高可靠性电路监测FPGA状态，为FPGA进行检错和纠错。

FPGA所有的编程点都存在于SRAM中。

利用FPGA的配置回读功能可以将配置点全部读取出来，然后将其与存储在只读存储器(ROM)中的正确配置信息进行比较。

如果发现有配置信息不正确，则把错误纠正后重新下载回去。

5 总结
本文只是提出了FPGA器件的一些加固方法。

通过对FPGA硬件以及电路上的一些改进增强FPGA的抗辐射能力。

而基于反熔丝的FPGA 在其自身结构上就有很好的抗干扰抗辐射能力，同时再加上一些抗辐射加固技术，其更有利于强辐射环境下的使用。