淺談宇航級芯片所處的空間環(huán)境

電子裝備系統(tǒng)是星鏈、火星探測器、玉兔、嫦娥等航天器的重要支撐，而宇航級芯片則是航天航空電子裝備的心臟。

江湖中流傳這樣一個傳說，Xilinx 的一款宇航級 FPGA 芯片，其單價約 500 萬元，為史上最貴芯片。

這個傳說并不是說完全沒有依據(jù)，宇航級芯片必須具備抗輻照特性，其身價往往是我們生活中常見的消費級芯片的數(shù)十倍，甚至成百上千倍。那么，與消費級芯片相比，這些昂貴的宇航級芯片在設(shè)計階段有什么特別之處呢？

1. 宇航級芯片所處的空間環(huán)境

在航天器運(yùn)行的空間環(huán)境中，存在著大量的高能粒子和宇宙射線。這些粒子和射線會穿透航天器屏蔽層，與元器件的材料相互作用產(chǎn)生輻射效應(yīng)，引起器件性能退化或功能異常，影響航天器的在軌安全。引起器件輻射效應(yīng)的主要空間輻射源包括地球輻射帶、銀河宇宙射線、太陽宇宙線和人工輻射。

其中，對芯片工作影響最為嚴(yán)重的輻射效應(yīng)當(dāng)屬“單粒子效應(yīng)”。

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從 1971 年到 1986 年間，國外發(fā)射的 39 顆同步衛(wèi)星共發(fā)生了 1589 次故障，有 1129 次故障與空間輻射有關(guān)，且其中的 621 次故障是由于單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的。這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)說明了航天應(yīng)用中電子器件的主要故障來自于空間輻射，而單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的故障在其中占較大比重。

這些故障中，部分是永久性不可逆的，如發(fā)生單粒子鎖定導(dǎo)致芯片內(nèi)部局部短路從而產(chǎn)生大電流燒毀器件。針對此類錯誤可以應(yīng)用一些特定工藝或器件庫來避免。而太空中大部分錯誤是由于半導(dǎo)體器件的邏輯狀態(tài)跳變而導(dǎo)致的可恢復(fù)的錯誤，如單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致存儲器存儲內(nèi)容錯誤。

單粒子翻轉(zhuǎn)（Single-Event Upsets，SEU）指的是元器件受輻照影響引起電位狀態(tài)的跳變，“0”變成“1”，或者“1”變成“0”，但一般不會造成器件的物理性損傷。正因為“單粒子翻轉(zhuǎn)”頻繁出現(xiàn)，因此在芯片設(shè)計階段需要重點關(guān)注。這也是這篇文章的重點。

2. 在芯片設(shè)計階段如何防護(hù)“單粒子翻轉(zhuǎn)”

（1） 選擇合適的工藝制程

在航天領(lǐng)域，并不是工藝制程越小越好。通常來講，工藝制程越小，抗輻照能力越差。因此，為了確保可靠性，一般會選擇較大線寬的制程，比如 0.18um、90nm、65nm 等，而不會一味追求摩爾定律的前沿制程。

（2）加固標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫

標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫是數(shù)字芯片的基石。如果把數(shù)字芯片看做一個建筑，標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫就是構(gòu)成建筑的磚塊。標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫包括反相器、與門、寄存器、選擇器、全加器等多種基本單元，每一個標(biāo)準(zhǔn)單元對應(yīng)著多個不同尺寸（W/L）、不同驅(qū)動能力的單元電路，基于這些基本單元即可構(gòu)成復(fù)雜的數(shù)字芯片。

鑒于數(shù)字芯片的超大規(guī)模，已經(jīng)很難通過全定制電路結(jié)構(gòu)的方式來設(shè)計，而直接對商用工藝庫進(jìn)行加固則是設(shè)計成本最低的選擇。在制造廠商提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫基礎(chǔ)上結(jié)合抗輻照加固措施，使設(shè)計出來的輸入輸出單元庫具有抗輻照能力。加固之后的工藝庫需要晶圓廠流片驗證。

（3）設(shè)計冗余化

在抗輻照加固方法中，三模冗余（TMR）是最具有代表的容錯機(jī)制。同一時間三個功能相同的模塊分別執(zhí)行一樣的操作，鑒于單粒子翻轉(zhuǎn)瞬時僅能打翻 1 路，“三選二”的投票器將會選出其余兩路的正確結(jié)果，增強(qiáng)電路系統(tǒng)的可靠性。三模冗余最顯著優(yōu)點是糾錯能力強(qiáng)，且設(shè)計簡單，大大提高電路可靠性；但缺點也是顯而易見，會將電路增大 3 倍以上。TMR 的方法較為靈活，可根據(jù)性能需求在寄存器級、電路級、模塊級等任意層次設(shè)計 TMR，部分 EDA 工具也可自動插入。

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錯誤檢測與糾正電路（Error Detection And Correction，EDAC）也是一種簡單高效的防護(hù)單粒子翻轉(zhuǎn)的電路設(shè)計方法。EDAC 主要依據(jù)檢錯、糾錯的原理，通過轉(zhuǎn)換電路將寫入的數(shù)據(jù)生成校驗碼并保存，當(dāng)讀出時靠對校驗碼進(jìn)行判定，若只有一位出錯系統(tǒng)則自動糾正并將正確的數(shù)據(jù)輸出，同時還會進(jìn)行數(shù)據(jù)的回寫從而覆蓋原來出錯的數(shù)據(jù)。EDAC 盡管糾錯能力強(qiáng)大，但是需要糾錯、譯碼電路，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不適宜用于高性能的數(shù)據(jù)通道中。EDAC 也可用于糾正多 bit 出錯的情況，但是糾錯電路會更加復(fù)雜。

權(quán)衡 TMR 和 EDAC 的優(yōu)缺點，通常會在邏輯電路設(shè)計中使用 TMR，在存儲器讀寫電路中使用 EDAC。

（4）模塊獨立化

單粒子翻轉(zhuǎn)頻繁出現(xiàn)，必須考慮到翻轉(zhuǎn)發(fā)生之后不影響芯片的整體功能。因此，在架構(gòu)設(shè)計中需要盡可能確保模塊之間保持較強(qiáng)的獨立性，盡可能具備獨立的復(fù)位功能，使得在單粒子打翻信號值之后，一方面出錯電路能夠盡快通過復(fù)位信號恢復(fù)正常；另一方面，確保其他正常工作的模塊不受影響。此外，還需增加異常檢測電路，發(fā)現(xiàn)異常即可對電路進(jìn)行復(fù)位。

小結(jié)

雖然上述方法可以很好地防護(hù)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，但是也給邏輯綜合、布局布線帶來很多困擾，在芯片物理實現(xiàn)過程中需要小心謹(jǐn)慎應(yīng)對。除上述方法外，還可引入 Muller C 單元、雙互鎖存儲單元結(jié)構(gòu)（DICE）對晶體管級電路進(jìn)行防護(hù)，也可在版圖階段使用環(huán)形柵替換條形柵。

總之，在航天領(lǐng)域中，芯片的性能并不是第一考慮要素，可靠性才是重中之重。只有芯片具備抗輻照能力，才能確保航天器正常運(yùn)行。
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