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    航天范畴中的“FPGA

    发布于:2015-8-6 10:10:16       阅读:    分类:行业动态

    可编程逻辑器件以其安插方便、安插便于订正、成效易于扩展,在航天、空间范畴中得到了越来越广博的应用。

    一、航天应用FPGA的分类

    FPGA按其编程性,目前具有航天胜利应用经验的FPGA主要有两类:一类是只能编程一次的一次性编程FPGA。另一类是能众次编程的可重编程FPGA,如SRAM型FPGA、Flash型FPGA,这类FPGA一般具有在系统编程(ISP,Insystemprogramming)手艺。

    1、一次性编程FPGA

    此类产品采用反熔丝开关元件,具有体积小、版图面积小、抵抗辐射抗搅扰、互连线特征阻抗低的特征,不需求外接PROM或EPROM,掉电后电路的装备数据不会丧失,上电后即可职分,适用于航天、军事、工业等各范畴。这类产品中,具有代表性并已取得航天应用胜利经验的产品是ACTEL公司的抗辐射加固反熔丝型FPGA。与古板FPGA平面型传播的逻辑模块、连线、开关矩阵的机关各异,反熔丝型FPGA采用紧凑、网格化汇聚机关的平面逻辑模块机关。哄骗位于上下逻辑模块层之间、金属对金属的可编程反熔丝内部维系元件完成器件的维系,减小了通道和布线资源所占用的空间。在编程之前,该维系元件为开路状况,编程时,反熔丝机关局部的小区域内具有饱满高的电流密度,瞬间产生较大的热功耗,溶解绝缘层介质变成永久性通路。

    2、可重编程FPGA

    此类产品采用SRAM或FlashEPROM驾御的开关元件,其便宜是可重复编程。装备程存放在FPGA外的存储器中,系统上电时,装备程加载到FPGA中完成硬件成效的定制化。其中,SRAM型FPGA还可以在系统运转中厘革装备,完成系统成效的动态重构。但是,此类FPGA掉电后存储的用户装备逻辑会丧失,只能上电后重新由外部存储器加载。FlashEPROM型FPGA具有非易失性和可重构的双重便宜,但不能动态装备,功耗也比SRAM型FPGA高。此类FPGA因为装备数据存储在FPGA内的SRAM存储器中,可编程逻辑开关采用众路挑选器完成,内部逻辑成效采用基于SRAM机关的查找表完成,这些部位都属于单粒子翻转效应敏锐型半导体机关。因此,在航天应用中要特意注意。具有代表性的、并取得航天应用胜利经验的产品是Xilinx公司的基于SRAM型Virtex系列的FPGA产品。

    二、FPGA在航天范畴的实践应用

    FPGA在国内外的航天、空间范畴,特意是商用卫星得到了广博的应用。军用卫星项目中也有众个项目用到FPGA。

    1、ActeFPGA的航天应用

    Actel的耐辐射和抗辐射FPGA自从在1997年火星探路者(MarsPathfinder)以及随后的勇气号、机会号负担中取得胜利后,其FPGA持续用于NASA、ESA的火星探测负担。Actel的耐辐射和抗辐射器件用于火星探测器的驾御策动机,实习从地球到火星6个月飞行的导航成效。在火星查究者漫游器(ExplorerRover)的照相机、无线通信创办中均采用了Actel器件。ESA的火星速车轨道卫星中,固态记录器使用了20众个ActelFPGA器件。Actel公司的FPGA器件已用于德国航天范畴(DLR)双光谱红外探测(BIRD)卫星中。BIRD是全球首个采用红外传感器技术的卫星,以探测和商量地球上的高温事故,如森林山火、火山举措、油井和煤层燃烧等。超越20个高可靠性FPGA用于卫星有用载荷数据统治、存储器料理、接口和驾御、协统治以及红外影相机的传感器驾御等众个要害性成效中。

    2、XilinxFPGA的航天应用

    同ACTEL相比,Xilinx公司用于航天、空间范畴的产品研制较晚,但是,其成效强大、功效高、可重新装备的民用塑封产品向宇航级产品的过渡、周全提高抗空间辐射手艺,逐渐成为空间电子产品安插中常用的FPGA产品,并将获得越来越广博的应用。

    Xilinx的Virtex耐辐射FPGA被用于2003年发射的澳大利亚的军民混用通信卫星OptusCL,在卫星的UHF有用载荷中,XilinxVirtexFPGA(XQVB300)用来完成地球数据的信号统治算法,并使用了Xilinx提供的IP核。

    Xilinx的加固FPGAXQR4062XL被用于2002年发射的澳大利亚科学卫星Fedsat(联合卫星,用于商量磁层)的高功效策动有用载荷。HPC-1是第一例在星载策动机系统的尺度运转中采用FPGA完成了可装备策动技术RCT。目前正在征战的RHC-II将使用XilinxFPGA完成星上数据统治。

    此外,GRACE(NASA)的敏锐器中使用了XQR4O36XL产品。

    在火星探测漫游器Discovery和Spirit中都胜利应用了XilinxFPGA产品。两片宇航FPGAVirtexTMFPGAXQVR100O被用于火星漫游器车轮电机驾御、机械臂驾御和其他仪表中,4片耐辐照4000系列的FPGAXQR4062XL用于驾御火星着陆器的要害点火创办,包管着陆器按顺序次第下降及胜利着陆。欧洲第一个彗星轨道器和着陆器ROSETTA上总共有45片FPGA,都选用ACTELRT14I00A,承当了驾御、数据料理、电源料理等主要成效,并且飞行中任何一片FPGA都不得断电。

    Xilinx最新发布的Virtex-5QVFPGA具有分外高的抗辐射性,TID耐性为700kraD以上,SEU(Sin-gleEventUpset,单粒子翻转)闩锁(LatchUp)耐性超越100MeV·cM2/Mg,主要面向人造卫星和世界飞船上的遥感统治、图像统治以及导航仪等用途。因此,基于FPGA系统构成无需为了辐射步调而扩充冗余,可以削减系统征战所需求的时间和成本。其规模也达到了13万个逻辑单元,集成了最高速度为3.125Gbit/s的高速收发器,并平定了DSP成效,作为航天范畴用FPGA中属业界最高秤谌。

    三、辐射效应及其用意

    航天、空间电子创办因为其所处的轨道以及使用境况的各异,受到的辐射用意也不相同。从总体上来说,对FPGA用意比较大的辐射效应主要有:总剂量效应(TID:TotalionizingDose)、单粒子翻转(SEU:Singleeventupset)、单粒子闩锁(SEL:Singleeventlatchup)、单粒子成效中断(SEFI:Singleeventfunc-tionalinterrupt)、单粒子放弃(SEB:Singleeventburnout)、单粒子瞬态脉冲(SET:Singleeventtran-射效应产生的机理不尽相同,引起FPGA的失效要领也各异。

    总剂量效应:光子或高能离子在集成电路的材料中电离产生电子空穴对,最终变成氧化物陷阱电荷或者在氧化层与半导体材料的界面处变成界面陷阱电荷,使器件的功效普及甚至失效。

    单粒子翻转:具有一定能量的重粒子与存储器件或逻辑电路PN结发生碰撞,在重粒子运动轨迹周围变成的电荷被聪敏电极辘集并变成瞬态电流,假如电流超越一定值就会触发逻辑电路,变成逻辑状况的翻转。单粒子翻转敏锐区域是指FPGA中易于受到单粒子效应用意的区域,搜罗FPGA的装备存储器、DCM、CLB、块存储区域。

    单粒子闩锁:CMOS器件的PNPN机关成了可控硅机关。质子或重粒子的入射可以触发PNPN结导通,参加大电流更生状况,产生单粒子闩锁。只有普及电源电压手艺退出闩锁状况。

    单粒子成效中断:质子或重粒子入射时引起器件的驾御逻辑涌现故障,进而中断通俗的驾御成效。FPGA中单粒子成效中断的敏锐局部为装备存储器、上电复位电路、SelectMAP接口和JATAG接口。

    单粒子放弃:入射粒子产生的瞬态电流导致敏锐的寄生双极结晶体管导通。双极结晶体管的更生反响机修筑成辘集结电流陆续增大,直至产生二次击穿,造成漏极和源极的永久短路,放弃电路。FPGA发生单粒子放弃的概率较小。

    单粒子瞬态脉冲:带电粒子入射产生的瞬态电流脉冲用意到下一级逻辑电路的输入,造成该逻辑电路输出紊乱。单粒子瞬态脉冲可能引起FPGA内部逻辑电路的短时过错。单粒子瞬态脉冲对于<0.25μM工艺的FPGA用意较大。

    位移损伤:单粒子位移损伤是单个粒子入射引起晶格原子移位、变成缺陷群、引起的永久性损伤。

    上述辐射效应对FPGA造成的用意有的是永久性的,如总剂量效应、单粒子放弃、位移损伤;有的是能够恢复的,如单粒子翻转、单粒子成效中断、单粒子瞬态脉冲。以上单粒子效应中SEL、SEB和SEGR均有可能对器件造成永久性损伤。因此,一般星上系统都会采用抗SEL的器件。SEU和SET虽然是瞬时用意,但其发生率远高于以上3种,反而更应引起重视。接下来根据对上述辐射用意的明晰,商量提高FPGA抗辐射效应的可靠性安插措施。

    随着SRAM型的FPGA随着工艺程度的提高、规模的增大和器件核电压的普及,抗总剂量效应功效陆续提高,但是更容易受SEU和SET的用意。针对单粒子效应的题目,MAPLD、NSREC、RADECS集会提交的报告认为,Virtex-II系列产品抗总剂量辐射手艺达到200krad,抗SEL的手艺为LET160MeV·cm/mg以下无闩锁,同时,需求切磋SEU、SET、SEFL等单粒子效应

    四、航天应用FPGA的可靠性安插

    在航天、空间电子创办中,FPGA主要用于交换尺度逻辑,还用于SOC技术,提供嵌入式微统治器、存储器、驾御器、通信接口等。其中,可靠性是FPGA安插的主要需求。

    根据成效及其主要性的各异,空间电子系统安插分为要害与非要害两大类,航天器驾御为要害类,科学仪表为非要害类。航天器驾御系统对FPGA的一般需求:高可靠、抗辐射加固和故障安详。科学仪器对FPGA的安插请求一般为高功效、耐辐射和失效安详,其可靠性则是由功效需求决议的,对FPGA的需求也因系统而异,如测量分辨率、带宽、高速存储、容错手艺等。

    航天用FPGA的可靠性安插主要通过器件自身的硬件安插以及软件安插来完成。

    1、FPGA的硬件可靠性安插

    FPGA的硬件可靠性安插主若是针对空间辐射效应的用意,借助修筑工艺和安插技术较为彻底地处理了单粒子效应防护题目。一般从以下几个方面进行安插[6]:FPGA一切安插加固、内部安插间接检测辐射效应的自检模块、引入外部高可靠性的监测模块。

    一切加固安插是指在电子创办的外面采用一定厚度的材料进行一切辐射屏障,削弱创办所受的辐射效应,常常采用的材料有铝、钽和脂类化合物等。这种措施在航天电子元器件中使用较众,也比较成熟。例如,作为美国军用微电子产品主要供应商的Honeywell,加固ASIC技术覆盖规模宽。Aeroflex采用“安插加固、商用IC工艺线流片”的要领提供功效杰出的加固ASIC产品,圆满数模混合加固ASIC的研制手艺。这种采用商业线流片生产军用和加固微电子产品的技术线路,既有利于解脱工艺加固对器件展开的收拾,又有利于畅快用户对杰出加固器件的需求,普及成本,缩短供货时间。

    Atmel为用户提供了高功效、小尺寸、低功耗的各类器件的工艺资源,搜罗用于航天的耐辐照高速、低功耗数模混合CMOS工艺以及内嵌EEPROM的CMOS工艺。国内从事军用微电子器件研制的单位很众,搜罗国有科研单位和非国有IC研制公司。但是,能够完成抗辐照加固IC研制的单位并不众。国内自行研制的加固ASIC产品已经在卫星中得到了胜利应用。

    采用体硅外延层,也可以防止发生SEI。例如,Xilinx的virtex-II耐辐射产品是在军品品级器件的底子上进一步采用外延衬底安插,抗总剂量电离效应手艺按照MIL-STD-883Method1019进行批次采样考核。

    自检模块的目标是通过某些模块的通俗运转来预测整体FPGA运转的通俗性。自检模块由分布在FPGA主要布线区域附近的简单逻辑电路完成,也可以由众模冗余模块表决收成或者余数检测法以及奇偶校验法等其他产生的收成直接提供输出。

    2、FPGA的软件可靠性安插

    航天应用FPGA的软件可靠性安插是指应用软件次第装备来屏障辐射效应造成的运转失常。其中,冗余安插措施是被公认为比较可靠的迁就辐射效应的措施。常用的冗余安插有三模冗余法(TMR,Triplemoduleredundancy)和局部三模冗余法(PTMR,Partialtriplemoduleredundancy)。虽然TMR能够提高系统的可靠性,但也会使模块速度普及、占用资源和功率扩充。综合切磋其他安插指标,可以根据实践状况对要害局部使用局部三模冗余法。

    冗余机关尽管可以包管系统可靠性,但却不能及时发觉并改正过错,或为发觉过错而引入了过众的组合逻辑,当应用于FPGA时,扩充了容错电路自身出错的可能性。除此之外,星载系统无人值守的运转特征使得系统重构与故障恢复也分外贫穷。

    对装备存储器的回读校验和重装备(或局部重装备)是一种有用的抵抗辐射效应的措施,通过对局部装备的重加载能够修复SEU效应造成的用意,其频率应是最坏状况SEU效应发生率的10倍。在重加载逻辑安插中,需求对重加载的完成要领、加载内容进行典雅安插,并不是总共的内容都可以重新加载,也不是总共的内容都需求重新装备。

    在系统安插中,采用高可靠性的反熔丝FPGA职掌从非易失大容量存储器中读取XilinxFPGA的装备数据对其进行装备。在运转光阴,对最容易受辐射效应用意的装备存储器按列进行读操作,然后与尺度数据进行比对,对涌现过错的列进行局部重装备。FPGA的可编程IO也容易受到辐射粒子用意产生SEU和SEL。对输入输出脚安插三模冗余安插措施是一种分外有用措施,但是这种措施将需求占用3倍的I/O资源。假如SET感化在时钟电路或者其他数据、驾御线上容易产生短脉冲抖动,有可能会造成电路的误触发或者数据锁存的过错,在安插时可采用同步复位安插内部复位电路、驾御线使能信号线,逻辑数据在锁存时尽可能合营使能信号。



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