SRAM型FPGA在軌會遇到的問題及其影響

深夜醒來，翻開枕邊詩集，遙想當年，蘇老舉杯邀歌，寫出了千古流傳的《水調歌頭》，“我欲乘風歸去，又恐瓊樓玉宇，高處不勝寒。起舞弄清影，何似在人間?！比缃裣雭恚K老先生字里行間難掩對嚴寒天宮的向往，又終覺人間美好，我等后生晚輩做科研工作更是要腳踏實地。

在遙遠的天宮，衛(wèi)星工作的環(huán)境非常惡劣。衛(wèi)星運行期間，不可避免地遭遇地球輻射帶質子、銀河宇宙線粒子、太陽宇宙線粒子轟擊，這些輻射粒子，極易引起電子元器件的性能退化、邏輯功能錯誤、狀態(tài)鎖定等，從而導致電子設備的功能錯誤及異常，進而危害衛(wèi)星的功能發(fā)揮乃至運行安全。

SRAM型FPGA屬于核心元器件，因此對SRAM型FPGA進行抗輻照加固設計非常必要。今天貧道主要給大家布道一下SRAM型FPGA在軌會遇到的問題及其影響。

1SEE分類

SRAM型FPGA空間應用下面臨的主要問題是單粒子效應和總劑量效應。如圖1所示，單粒子效應包括單粒子閂鎖SEL，單粒子翻轉SEU，單粒子瞬變SET和單粒子功能中斷SEFI。SEL屬于硬錯誤，可能會導致FPGA器件損傷。而SEU，SET和SEFI則屬于軟錯誤，一般不會對器件造成損傷，但會影響FPGA功能。

圖1 元器件單粒子效應的分類

2TID

經常聽說某國產元器件TID指標大于100Krad or 150K rad，為啥要定義這個指標呢？不同軌道的航天器遭受的年劑量是不一樣的，比如LEO軌道遭受的只有幾Krad[si]，GEO軌道年劑量可能達到100Krad[si]，而MEO軌道年劑量最高可達數百Krad[si]。

這里提到的指標是典型的3mm鋁屏蔽下的年劑量，乘以衛(wèi)星的使用壽命，并考慮2~3倍的抗輻射設計余量（RDM），就是型號任務通常的抗總劑量要求。為了滿足總劑量的要求，可以通過設備機箱進行屏蔽，也可以通過整星設計，設備機箱結合其他結構件組合屏蔽。一般到元器件層面總劑量指標大于100Krad能滿足型號任務的需求。

3SEL

目前主流的SRAM型FPGA是CMOS工藝，由于天然的寄生效應，一個NMOS和一個PMOS串聯起來產生PNPN結構。受單粒子效應的影響，PNPN會處于導通狀態(tài)且不斷電會一直處于導通狀態(tài)，影響管子使用壽命。隨著導通的管子數量增多，外在表現就是電流會階梯型上升。某國產宇航級的FPGA會在芯片內部進行SEL特殊加固設計, 指標達到84 Mev.cm^2/mg板級設計不需要考慮額外的抗SEL設計。

工業(yè)級的FPGA則必須要在板級設計中考慮電源的監(jiān)測和管理。由于電路的階梯型上升特點，只對一級電源進行監(jiān)測缺點是靈敏度不夠，發(fā)現不了潛在的閂鎖。最好對每路電源進行監(jiān)測，提高靈敏度，一旦發(fā)生異常，采取斷電重啟。

圖2 CMOS電路中的寄生效應

圖3 發(fā)生SEL后電流階梯型上升

4SEFI

SEFI分為應用級SEFI和器件級SEFI。如表1所示，器件級SEFI包括POR SEFI，SelectMAP SEFI，FAR SEFI和全局信號的SEFI。一般需要通過外部的刷新電路對器件級SEFI進行監(jiān)測，并采取相應的應對措施。某國產宇航級的FPGA會在芯片內部進行SEFI特殊加固設計，指標達到37 Mev.cm^2/mg，極大增強了FPGA在軌穩(wěn)定運行的能力。

圖4 刷新芯片監(jiān)測FPGA SEFI流程

表1 SEFI類型與解決措施

應用級SEFI需要把由SEU導致的用戶層面邏輯功能異常刨除掉，專注一些基礎性的一般性的東西，否則應用級SEFI就是一個模糊不清的概念。本文中應用級SEFI指的是時鐘SET、復位毛刺和MMCM/PLL/DCM的功能異常，下面對應用級SEFI分類進行說明。

1）時鐘SET

如圖5所示，盡管對電路做了TMR加固，但時鐘信號的SET會導致該時鐘域下的所有寄存器發(fā)生SEU，最終Voter判定結果錯誤，TMR加固失效。

圖5 時鐘毛刺

對時鐘網絡推薦采用GTMR策略，時鐘IO不做TMR，對BUFG做TMR。加固前單點失效路徑是整個時鐘routing，加固后單點失效路徑是IO到BUFGs的交匯處，通常單點失效路徑截面大為減少。

圖6 GTMR有效降低時鐘網絡SET概率

2）復位毛刺

FPGA加載時用GSR來控制寄存器和狀態(tài)機初值，因此并不需要額外產生復位信號來做初值控制。比如，不需要復位的寄存器（如數據流相關的寄存器）不設計外部復位，用GSR做初值控制。對復位毛刺很敏感的寄存器和狀態(tài)機，可以改用同步復位，同步復位比異步復位消耗資源多一些，但比異步復位對毛刺敏感性低。

圖7 異步復位同步釋放電路

如果外部異步復位扇出較多的寄存器，可以用GTMR加固策略。復位信號經過3個BUFG走全局時鐘專用網絡，單路復位毛刺翻轉影響不了另外兩路復位信號對應的寄存器。

3）MMCM/PLL/DCM

MMCM/PLL/DCM的LOCK信號為高并不代表功能一定正常，因此建議開發(fā)一種緩解方案，例如通過計數器來檢測MMCM/PLL/DCM輸出故障。一旦MMCM/PLL/DCM發(fā)生故障，進行復位操作。

5SEU

單粒子翻轉SEU可以發(fā)生在FPGA任意的資源上，比如配置SRAM、配置邏輯電路、用戶邏輯DFF和塊存儲器等。

配置SRAM的SEU直接影響的是查找表LUT的值和互連資源的連接關系。查找表值的錯誤會導致用戶邏輯功能出錯，邏輯錯誤向下傳播還可能導致時序單元出錯。此外如果LUT用作了分布式RAM或者移位寄存器SRL，那么還會導致存儲數據出錯。

互連出錯可能導致用戶邏輯連接出錯，連接錯誤向下傳播可能導致時序單元出錯。互連出錯還可能導致互連產生短路，引起靜態(tài)功耗增加。

觸發(fā)器DFF的SEU會導致用戶邏輯狀態(tài)出錯和FSM狀態(tài)機出錯。流水寄存器狀態(tài)出錯的影響僅限于單個時鐘周期，因此影響比較小。FSM狀態(tài)機出錯可能會造成嚴重的影響。如圖8 所示，狀態(tài)機如果發(fā)生翻轉至為定義的狀態(tài)，那會導致狀態(tài)機鎖死，用戶功能無法恢復。