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FPGA技术调研报告

现场可编程门阵列(Fieldprogrammablegatearrays,FPGA)是一种可编程使用的信号处理器件,用户可通过改变配置信息对其功能进行定义,以满足设计需求。与传统数字电路系统相比,FPGA具有可编程、高集成度、高速和高可靠性等优点,通过配置器件内部的逻辑功能和输入/输出端口,将原来电路板级的设计放在芯片中进行,提高了电路性能,降低了印刷电路板设计的工作量和难度,有效提高了设计的灵活性和效率。设计者采用FPGA的优点:
(1)减少对所需器件品种的需求,有助于降低电路板的体积重量;
(2)增加了电路板完成后再修改设计的灵活性;
(3)设计修改灵活,有助于缩短产品交付时间;
(4)器件减少后,焊点减少,从而可提高可靠度。尤其值得一提的是,在电路运行频率越来越高的情况下,采用FPGA实现的复杂电路功能减小了板级电路上PCB布线不当带来的电磁干扰问题,有助于保证电路性能。
FPGA也是现阶段航天专用集成电路(ASIC,Applicationspecificintegratedcircuit)的最佳实现途径。使用商用现货FPGA设计微小卫星等航天器的星载电子系统,可以降低成本。利用FPGA内丰富的逻辑资源,进行片内冗余容错设计,是满足星载电子系统可靠性要求的一个好办法。目前,随着对卫星技术的不断发展、用户技术指标的不断提高以及市场竞争的日益激烈,功能度集成和轻小型化已经成为星载电子设备的一个主流趋势。采用小型化技术能够使星载电子设备体积减小、重量减轻、功耗降低,提高航天器承载有效载荷的能力以及功效比。采用高功能集成的小型化器件,可以减小印制板的尺寸,减少焊盘数量,还有利于充分利用冗余技术提高系统的容错能力。星载数字电路小型化的关键是器件选用,包括嵌人式高集成度器件的选用,其中,高密度可编程逻辑器件FPGA的选用是一个重要的实现方式。
目前,在航天遥感器的设计中,FPGA被广泛地应用于主控系统CPU的功能扩展CCD图像传感器驱动时序的产生以及高速数据采集。本文回顾了FPGA的发展,分析了其主要结构,并对航天应用FPGA进行了综述。指出了航天应用对FPGA及其设计的要求,重点分析了空间辐射效应对FPGA可靠性的影响,并总结了提高FPGA抗辐照的可靠性设计方法。最后,对航天应用FPGA的发展进行了展望。

可编程逻辑器件以其设计方便、设计便于修改、功能易于扩展,在航天、空间领域中得到了越来越广泛的应用。一种是以Actel公司产品为代表的一次编程反熔丝型FPGA,一种是以Xilinx公司产品为代表的基于SRAM的可重新配置的FPGA。

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

此类产品采用反熔丝开关元件,具有体积小、版图面积小、低抗辐射抗干扰、互连线特性阻抗低的特点,不需要外接PROM或EPROM,掉电后电路的配置数据不会丢失,上电后即可工作,适用于航天、军事、工业等各领域。这类产品中,具有代表性并已取得航天应用成功经验的产品是ACTEL公司的抗辐射加固反熔丝型FPGA。与传统FPGA平面型散布的逻辑模块、连线、开关矩阵的布局不同,反熔丝型FPGA采用紧凑、网格化密集布局的平面逻辑模块结构。利用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连接元件实现器件的连接,减小了通道和布线资源所占用的空间。在编程之前,该连接元件为开路状态,编程时,反熔丝结构局部的小区域内具有足够高的电流密度,瞬间产生较大的热功耗,融化绝缘层介质形成永久性通路。

此类产品采用SRAM或FlashEPROM控制的开关元件,其优点是可反复编程。配置程存放在FPGA外的存储器中,系统上电时,配置程加载到FPGA中完成硬件功能的定制化。其中,SRAM型FPGA还可以在系统运行中改变配置,实现系统功能的动态重构。但是,此类FPGA掉电后存储的用户配置逻辑会丢失,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优点,但不能动态配置,功耗也比SRAM型FPGA高。此类FPGA由于配置数据存储在FPGA内的SRAM存储器中,可编程逻辑开关采用多路选择器实现,内部逻辑功能采用基于SRAM结构的查找表实现,这些部位都属于单粒子翻转效应敏感型半导体结构。因此,在航天应用中要特别注意。具有代表性的、并取得航天应用成功经验的产品是Xilinx公司的基于SRAM型Virtex系列的FPGA产品。

FPGA在国内外的航天、空间领域,特别是商用卫星得到了广泛的应用。据统计,在国内外深空探测、科学及商用卫星共60个项目中都用到了FPGA,军用卫星项目中也有多个项目用到FPGA。

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、机遇号任务中取得成功后,其FPGA继续用于NASA、ESA的火星探测任务。Actel的耐辐射和抗辐射器件用于火星探测器的控制计算机,执行从地球到火星6个月飞行的导航功能。在火星探索者漫游器(ExplorerRover)的照相机、无线通信设备中均采用了Actel器件。ESA的火星快车轨道卫星中,固态记录器使用了20多个ActelFPGA器件。Actel公司的FPGA器件已用于德国航天领域(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,以探测和分析地球上的高温事件,如森林山火、火山活动、油井和煤层燃烧等。超过20个高可靠性FPGA用干卫星有效载荷数据处理、存储器管理、接口和控制、协处理以及红外摄影机的传感器控制等多个关键性功能中。

同ACTEL相比,Xilinx公司用于航天、空间领域的产品研制较晚,但是,其功能强大、性能高、可重新配置的民用塑封产品向宇航级产品的过渡、全面提高抗空间辐射能力,逐渐成为空间电子产品设计中常用的FPGA产品,并将获得越来越广泛的应用。
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有效载荷中,XilinxVirtexFPGA(XQVB300)用来实现地球数据的信号处理算法,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,用于分析磁层)的高性能计算有效载荷。HPC-1是第一例在星载计算机系统的标准运行中采用FPGA实现了可配置计算技术RCT。目前正在开发的RHC-II将使用XilinxFPGA实现星上数据处理。
此外,GRACE(NASA)的敏感器中使用了XQR4O36XL产品。
在火星探测漫游器Discovery和Spirit中都成功应用了XilinxFPGA产品。两片宇航FPGAVirtexTMFPGAXQVR100O被用于火星漫游器车轮电机控制、机械臂控制和其他仪表中,4片耐辐照4000系列的FPGAXQR4062XL用于控制火星着陆器的关键点火设备,保证着陆器按规定程序下降及成功着陆。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,承担了控制、数据管理、电源管理等重要功能,并且飞行中任何一片FPGA都不得断电。
Xilinx最新发布的Virtex-5QVFPGA具有非常高的抗辐射性,TID耐性为700kraD以上,SEU(Sin-gleEventUpset,单粒子翻转)闩锁(LatchUp)耐性超过100MeV·cM2/Mg,主要面向人造卫星和宇宙飞船上的遥感处理、图像处理以及导航仪等用途。因此,基于FPGA系统构成无需为了辐射措施而增加冗余,可以削减系统开发所需要的时间和成本。其规模也达到了13万个逻辑单元,,并强化了DSP功能,作为航天领域用FPGA中属业界最高水准。

航天、空间电子设备由于其所处的轨道以及使用环境的不同,受到的辐射影响也不相同。从总体上来说,对FPGA影响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)、单粒子功能中断(SEFI:Singleeventfunc-tionalinterrupt)、单粒子烧毁(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的失效形式也不同。
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,最终形成氧化物陷阱电荷或者在氧化层与半导体材料的界面处形成界面陷阱电荷,使器件的性能降低甚至失效。
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形成的电荷被灵敏电极收集并行成瞬态电流,如果电流超过一定值就会触发逻辑电路,形成逻辑状态的翻转。单粒子翻转敏感区域是指FPGA中易于受到单粒子效应影响的区域,包括FPGA的配置存储器、DCM、CLB、块存储区域。
单粒子闩锁:CMOS器件的PNPN结构成了可控硅结构。质子或重粒子的入射可以触发PNPN结导通,进入大电流再生状态,产生单粒子闩锁。只有降低电源电压才能退出闩锁状态。
单粒子功能中断:质子或重粒子入射时引起器件的控制逻辑出现故障,进而中断正常的控制功能。FPGA中单粒子功能中断的敏感部分为配置存储器、上电复位电路、SelectMAP接口和JATAG接口。
单粒子烧毁:入射粒子产生的瞬态电流导致敏感的寄生双极结晶体管导通。双极结晶体管的再生反馈机制造成收集结电流不断增大,直至产生二次击穿,造成漏极和源极的永久短路,烧毁电路。FPGA发生单粒子烧毁的概率较小。
单粒子瞬态脉冲:带电粒子入射产生的瞬态电流脉冲影响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错误。单粒子瞬态脉冲对于<。
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、形成缺陷群、引起的永久性损伤。
上述辐射效应对FPGA造成的影响有的是永久性的,如总剂量效应、单粒子烧毁、位移损伤;有的是能够恢复的,如单粒子翻转、单粒子功能中断、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虽然是瞬时影响,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影响的分析,分析提高FPGA抗辐射效应的可靠性设计方法。
随着SRAM型的FPGA随着工艺水平的提高、规模的增大和器件核电压的降低,抗总剂量效应性能不断提高,但是更容易受SEU和SET的影响。
针对单粒子效应的问题,MAPLD、NSREC、RADECS会议提交的报告认为,Virtex-II系列产品抗总剂量辐射能力达到200krad,抗SEL的能力为LET160MeV·cm/mg以下无闩锁,同时,需要考虑SEU、SET、SEFL等单粒子效应

在航天、空间电子设备中,FPGA主要用于替换标准逻辑,还用于SOC技术,提供嵌人式微处理器、存储器、控制器、通信接口等。其中,可靠性是FPGA设计的主要需求。
根据功能及其重要性的不同,空间电子系统设计分为关键与非关键两大类,航天器控制为关键类,科学仪表为非关键类。航天器控制系统对FPGA的一般需求:高可靠、抗辐射加固和故障安全。科学仪器对FPGA的设计要求一般为高性能、耐辐射和失效安全,其可靠性则是由性能需求决定的,对FPGA的需求也因系统而异,如测量分辨率、带宽、高速存储、容错能力等。