基于軟件的空間輻照下FPGA可靠性設(shè)計(jì)方法

FPGA以其集成度高、靈活性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)周期短的特點(diǎn)，在航天領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，其工作的空間環(huán)境存在著大量γ光子、輻射帶電子、高能質(zhì)子等高能粒子。這些高能粒子轟擊到器件上，會(huì)產(chǎn)生總劑量效應(yīng)（Total Ionizing Dose， TID）、單粒子翻轉(zhuǎn)（Single Event Upset， SEU）、單粒子鎖定（Single Event Latchup， SEL）、單粒子燒毀（Single Event Bumout，SEB）、單粒子?xùn)艙舸⊿ingle Event Gate Rupture， SEGR）、內(nèi)帶電效應(yīng)等空間輻射效應(yīng)[1]。這些效應(yīng)對(duì)基于SRAM的FPGA的影響尤為明顯。
現(xiàn)代FPGA工藝向著低電壓、高集成度方向發(fā)展，這使得發(fā)生空間輻射響應(yīng)的閾值越來(lái)越低，發(fā)生故障的概率越來(lái)越大?？臻g輻射效應(yīng)的發(fā)生，輕則會(huì)使設(shè)備工作異常，重則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備燒毀、永久失效。因此，F(xiàn)PGA必須進(jìn)行高可靠性設(shè)計(jì)，來(lái)最大限度地預(yù)防和解決空間輻射效應(yīng)的影響。

1　空間輻照效應(yīng)

據(jù)衛(wèi)星資料統(tǒng)計(jì)，其異常記錄中有70％是由空間輻射環(huán)境引起的[2]。主要空間輻射效應(yīng)與輻射源及作用對(duì)象之間關(guān)系如表1所列。
表1　主要輻射效應(yīng)、輻射源及對(duì)象

單粒子效應(yīng)（Single Event Effect，SEE）是單個(gè)高能質(zhì)子或重離子入射電子元器件上引發(fā)的輻射效應(yīng)。根據(jù)效應(yīng)的機(jī)理不同可分為單粒子翻轉(zhuǎn)、鎖定、燒毀、柵擊穿等。
當(dāng)單個(gè)空間高能帶電粒子轟擊到大規(guī)模、超大規(guī)模的邏輯型微電子器件時(shí)，沿粒子入射軌跡，在芯片的PN結(jié)附近區(qū)產(chǎn)生電離效應(yīng)，生成一定數(shù)量的電子空穴對(duì)（載流子）。如果芯片處于加電狀態(tài)，這些由于輻射產(chǎn)生的載流子將在芯片內(nèi)部電場(chǎng)作用下發(fā)生飄移和重新分布，從而改變了芯片內(nèi)部正常載流子的運(yùn)動(dòng)分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)這種改變足夠大時(shí)，將引起器件電性能狀態(tài)的改變，造成邏輯器件或電路的邏輯錯(cuò)誤，例如：存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使能信號(hào)被重新置位，從而引起邏輯功能混亂、計(jì)算機(jī)程序“跑飛”，甚至造成災(zāi)難性的后果。
目前，大多數(shù)FPGA基于SRAM結(jié)構(gòu)?；赟RAM的FPGA中的基本可編程通孔是一個(gè)1位的SRAM單元。這種SRAM通孔的編程和擦寫(xiě)方式與其他SRAM存儲(chǔ)器一樣。雖然SRAM通孔比一般SRAM組建更可靠，但之后的狀態(tài)也很容易被空間輻射產(chǎn)生的電荷改寫(xiě)[3]。
圖1為與FPGA相同的CMOS工藝單粒子翻轉(zhuǎn)示意圖和單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)域[4]。

圖1　與FPGA相同的CMOS工藝單粒子翻轉(zhuǎn)示意圖

因此，對(duì)于FPGA軟件設(shè)計(jì)而言，單粒子翻轉(zhuǎn)對(duì)FPGA內(nèi)部邏輯、存儲(chǔ)器的影響尤為嚴(yán)重，需要進(jìn)行安全可靠性設(shè)計(jì)。

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間輻照下的單粒子效應(yīng)對(duì)FPGA軟件的影響。

2.1　定期重新配置FPGA

對(duì)FPGA進(jìn)行重新配置，可以清除積累的任何錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)者必須確定潛在錯(cuò)誤的影響，以及這些錯(cuò)誤蔓延所需的時(shí)間。在這個(gè)時(shí)間段之內(nèi)重新配置FPGA，或者設(shè)計(jì)檢測(cè)電路，當(dāng)FPGA工作錯(cuò)誤時(shí)，及時(shí)對(duì)FPGA進(jìn)行重新配置。雖然錯(cuò)誤仍然會(huì)蔓延，但潛在的損害被重新配置所限制。
筆者所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為CCD相機(jī)成像系統(tǒng)，由任務(wù)需求及功能估算，每次開(kāi)機(jī)上電時(shí)間約為120 s。開(kāi)機(jī)即加載FPGA邏輯，攝像任務(wù)完成后，隨即下電，準(zhǔn)備下一次攝像任務(wù)。因此，可以極大地避免空間輻照效應(yīng)對(duì)設(shè)備的影響。

2.2　三模冗余（TMR）

對(duì)關(guān)鍵信號(hào)，數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，是防止SEU發(fā)生的比較行之有效的方法。冗余設(shè)計(jì)是用多個(gè)相同單元構(gòu)成并聯(lián)形式，最后通過(guò)表決單元輸出最終的數(shù)據(jù)或信號(hào)，三模冗余是常用的冗余設(shè)計(jì)方法。理論上，在FPGA中某一單元發(fā)生SEU的概率是存在的。但連續(xù)兩個(gè)相同單元同時(shí)發(fā)生SEU事件，在有限的工作時(shí)間內(nèi)，幾乎是不可能的。雖然一個(gè)單元發(fā)生SEU導(dǎo)致錯(cuò)誤，但其他單元不會(huì)同時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，通過(guò)表決，保證了數(shù)據(jù)或信號(hào)的安全可靠。圖2為Xilinx公司推薦的三模冗余結(jié)構(gòu)。雖然TMR帶來(lái)了可靠性的提高[5]，但是隨之帶來(lái)了系統(tǒng)最高運(yùn)行速度的降低和資源的浪費(fèi)，而且表決器本身也可能出錯(cuò)，并不具備抗空間輻照的能力。如果系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間加電工作于空間輻射環(huán)境中，由于SEU的累積效應(yīng)，兩個(gè)或多個(gè)表決單元都發(fā)生SEU的可能還是存在的，這就需要采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，檢測(cè)發(fā)生SEU的邏輯單元，將其重新置位，“拉”回正常工作狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)的安全可靠。

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圖2　Xilinx公司推薦的三模冗余邏輯

目前，Xilinx公司等FPGA制造商能夠提供相應(yīng)的TMR模塊IP核，但目前還無(wú)法獲得?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵的部位，進(jìn)行三模冗余設(shè)計(jì)。
筆者在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，同時(shí)設(shè)計(jì)了3個(gè)“關(guān)鍵數(shù)據(jù)解析”單元，將解析到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)在相鄰的3個(gè)塊RAM中，最后通過(guò)“關(guān)鍵數(shù)據(jù)表決單元”，輸出可靠的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

2.3　周期擦除技術(shù)

周期擦除技術(shù)是指，在固定時(shí)間周期內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各關(guān)鍵單元進(jìn)行周期擦除復(fù)位，這樣可以很大程度地避免單粒子翻轉(zhuǎn)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。
當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)事件時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵寄存器、計(jì)數(shù)器或關(guān)鍵使能信號(hào)等發(fā)生意外翻轉(zhuǎn)，引起外圍控制器件異常工作。若這種異常的工作狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作甚至永久損壞。若系統(tǒng)采用周期擦除技術(shù)，一旦發(fā)生SEU，周期復(fù)位信號(hào)可以在很短的時(shí)間內(nèi)，將錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器復(fù)位到正確狀態(tài)，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。
筆者所設(shè)計(jì)的CCD成像系統(tǒng)，CCD探測(cè)器的各時(shí)序控制信號(hào)為關(guān)鍵信號(hào)。若不幸發(fā)生SEU，可能導(dǎo)致CCD時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率大幅升高，過(guò)高的頻率會(huì)導(dǎo)致外圍驅(qū)動(dòng)器失效甚至燒毀。
由于CCD時(shí)序控制信號(hào)為周期信號(hào)，故在時(shí)序設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)內(nèi)部自行產(chǎn)生周期擦除信號(hào)。此信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生3個(gè)，進(jìn)行三模冗余備份，并經(jīng)過(guò)FPGA時(shí)鐘樹(shù)網(wǎng)絡(luò)，保證此周期復(fù)位信號(hào)安全可靠。此信號(hào)采用同步復(fù)位，用軟件仿真SEU故障，時(shí)序仿真圖如圖3所示。

圖3　周期擦除時(shí)序仿真圖

信號(hào)cnt_fre經(jīng)過(guò)周期擦除處理，而cnt_fre_r未經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理。可以看到，在某時(shí)刻，兩個(gè)計(jì)數(shù)器均發(fā)生了SEU，計(jì)數(shù)值跳轉(zhuǎn)到異常值76且保持。由于采用周期擦除技術(shù)，cnt_fre在周期擦除信號(hào)有效期間，復(fù)位至初始狀態(tài)，繼續(xù)正常工作。而未經(jīng)周期擦除處理的cnt_fre_r則始終處于異常狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

2.4　糾錯(cuò)電路EDAC

FPGA系統(tǒng)發(fā)生SEU后，會(huì)使關(guān)鍵寄存器、信號(hào)等處于錯(cuò)誤狀態(tài)。盡管可以通過(guò)三模冗余技術(shù)，將這種錯(cuò)誤狀態(tài)暫時(shí)隔置，但是在長(zhǎng)期加電工作要求的條件下，冗余單元可能繼續(xù)發(fā)生錯(cuò)誤而導(dǎo)致單元失效。
對(duì)各模塊關(guān)鍵信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將檢測(cè)到的錯(cuò)誤信號(hào)及時(shí)糾正，防止了空間輻照對(duì)系統(tǒng)的影響。糾錯(cuò)電路的設(shè)計(jì)需要根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)EDAC（Error Detected And Corrected）設(shè)計(jì)的功能仿真圖如圖4所示。

圖4　EDAC功能仿真圖

系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵寄存器Sta_Line（起始行寄存器）進(jìn)行三模冗余，當(dāng)糾錯(cuò)使信號(hào)EDAC_n有效時(shí)，進(jìn)行3個(gè)冗余單元的三選二表決，并將表決結(jié)果暫存在表決結(jié)果寄存器reg內(nèi)，更新至各冗余單元寄存器中。由圖4可知，寄存器sta_line3在某時(shí)刻發(fā)生了SEU，sta_line3寄存器故障。在edac_n有效時(shí)，將此關(guān)鍵信號(hào)糾錯(cuò)，置回正確狀態(tài)，而關(guān)鍵信號(hào)sta_line將始終保持正確值，保證了系統(tǒng)的安全可靠。

結(jié)語(yǔ)

可編程邏輯器件FPGA必將在航天領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。針對(duì)空間輻照效應(yīng)影響的高可靠性設(shè)計(jì)，將越來(lái)越成為FPGA軟硬件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。根據(jù)飛行器空間軌道的不同、輻射總劑量的差異，從硬件上，可以通過(guò)加厚屏蔽層、元器件加固等方式，盡可能地降低SEU發(fā)生的概率；從軟件上，通過(guò)定期重配置、周期擦除、三模冗余、EDAC等手段，最大程度降低或消除SEU對(duì)系統(tǒng)的影響。本文提出的基于軟件的空間輻照下FPGA可靠性設(shè)計(jì)方法，可以為空間航天FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。