航空電子設計之“單粒子翻轉(zhuǎn)”問題

　　航空電子設計與民用電子產(chǎn)品或其他工業(yè)電子產(chǎn)品設計有著很多的不同。一般來講，航空電子設計對新技術(shù)的使用較為保守，對“安全性”有著極致甚至近乎變態(tài)的追逐，導致很多在其他行業(yè)廣泛應用的技術(shù)，無法在航空業(yè)大規(guī)模應用。

　　最典型的例子就是多核CPU技術(shù)。CPU技術(shù)在其他行業(yè)早已是家常便飯般的技術(shù)，由于其理論上存在不確定性的不良“出身”，多年來一直無法“明媒正娶”地登陸到民用大型客機上。

　　不過，航空電子設計除了有技術(shù)更迭慢點的特點外，還有一些自身的獨特考慮。今天，我們就和大家聊聊“單粒子翻轉(zhuǎn)”問題。

　　航空電子需要考慮單粒子翻轉(zhuǎn)問題的原因是：任何帶有電子設備的飛行器在遠離地面的空間運行，均需要考慮空間高能粒子對它的影響。

　　高能粒子的來源主要有三種：地球輻射帶粒子，太陽射線和宇宙射線。其中，

　　地球輻射帶是指在近地空間被地球磁場俘獲的高強度帶電粒子區(qū)域，主要由電子、質(zhì)子以及重粒子所組成。輻射帶的范圍在距離地面500km到50，000km的高度內(nèi)，民航客機的飛行高度就在這個區(qū)域內(nèi)。

　　太陽射線主要是指太陽發(fā)生耀斑時噴射出的高能粒子，主要為帶電的質(zhì)子，太陽射線的強度和太陽活動周期相關(guān)。

　　宇宙射線來源于太陽系以外的高能帶電粒子，主要由質(zhì)子和α粒子組成。

　　空間中的輻射會對數(shù)字電路尤其是集成電路造成影響，主要影響體現(xiàn)在兩個方面：總粒子劑量（TID） 和單粒子效應（SEE）。

　　總粒子劑量效應是一種累計效應，是對帶電粒子總電離能量的吸收效應，其結(jié)果是造成器件、電路及系統(tǒng)的損壞或者性能下降。

　　單粒子效應是一種瞬態(tài)效應，指某個特定的高能粒子穿過電路敏感區(qū)域所引起的電路故障，這個故障可能是可恢復的或是永久性的。

　　隨著電子元器件及集成電路設計水平的增長，以及生產(chǎn)工藝水準的提升，尤其是集成電路防止高能粒子對電路造成永久性損傷的能力有了很大提升，以至于對于航空電子行業(yè)在使用專用集成電路甚至可編程邏輯器件時，對于總粒子劑量效應和造成永久性損傷的單粒子效應基本無需做額外的設計和防護考慮（經(jīng)過實驗，其發(fā)生故障的概率已經(jīng)遠低于器件本身正常失效的概率）。

　　因此，在目前航空電子業(yè)界對于單粒子翻轉(zhuǎn)主要考慮的是單粒子效應中的可恢復性故障情況，其中最主要的是單粒子翻轉(zhuǎn)效應（SEU）。

　　SEU是指當單個高能粒子通過邏輯電路時使得單個邏輯門或者數(shù)據(jù)位發(fā)生邏輯翻轉(zhuǎn)，如邏輯“0”變成邏輯“1”， 或者邏輯“0”變成邏輯“1”。這個錯誤不是永久的，通過重新刷新或者電路重啟可以糾正錯誤。也許對于其他行業(yè)SEU造成的影響可以不予考慮，但對于航空電子行業(yè)，由于其對于數(shù)據(jù)完整性的要求，設計中具有發(fā)生邏輯錯誤是不可接受的。

　　哪些電子器件在設計上需要考慮SEU影響呢？主要包括SRAM，DRAM，D觸發(fā)器，鎖存器以及寄存器，當然，也包括使用到以上功能的集成電路。

　　其中，SRAM，鎖存器和寄存器是最敏感的器件。另外，一些電路結(jié)構(gòu)如Flash， EEPROM和MRAM等，由于具有天然的SEU免疫特性，

　　因此，在航空電子設計中，F(xiàn)lash架構(gòu)的集成電路尤其是可編程邏輯電路特別受歡迎。不過，選擇使用Flash結(jié)構(gòu)的集成電路，需要額外注意兩點：

　　1、 由于Flash結(jié)構(gòu)比RAM結(jié)構(gòu)訪問速度慢，FPGA容量小，所以僅適合使用在小規(guī)模的設計中。

　　2、即使是Flash結(jié)構(gòu)集成電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中大多會包含D觸發(fā)器，鎖存器以及寄存器單元，所以在使用這類器件時仍需要對SEU做相關(guān)的考慮和分析。