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辐射对FPGA应用的影响及解决方案

  按照是否能造成原子或者分子的电子脱离,辐射主要分为电离性和非电离性两大类,如图1所示。高能粒子或者电磁波包括X射线和γ射线都能够产生电离的作用。半导体器件受电离性的辐射影响较大,日常应用中以粒子引起的电离性辐射最常见,而其中,以α粒子和中子的影响力较大。
    图1辐射分类
    对于太空和地面的应用而言,辐射效应可以分为两大类,单事件效应(SEE)和总离子剂量/总剂量(TID)。在对地面的应用中,单事件效应比较普遍,SEE是高能带电粒子在器件的灵敏区内产生大量带电粒子的现象,SEE的种类很多,尤其以单事件闭锁(SEL)和单事件/粒子翻转(SEU)最难处理。当辐射在器件内造成一定程度的离子化的时候,导通大电流,发生单事件闭锁现象,即使在最轻微的情况下,这种闭锁现象仍会引起芯片循环上电,严重情况下芯片会永久损坏。但是,值得高兴的是,已经可以使用芯片设计和工艺技术来减少单事件闭锁发生的几率。
    一般电子应用中遇到的辐射问题来自于天然辐射,包括由太阳和宇宙的影响造成的因素造成。星系宇宙射线(GCR)是指来自于太空的α粒子、重离子和质子,而太阳主要发射电子、质子和重离子。中子的体积非常小,能够轻易穿过大气层,甚至能穿透整个地球,而且由于其不带电荷,电路板克隆能逃过地球的辐射带陷阱,因此到达地面和半导体产生作用的高能粒子以中子为主。
    不同的环境对产生辐射的影响是不同得,辐射通量随着高度的上升成指数增加,在海拔330km时,是太空电子应用的所在地,海拔50km是军用飞机所能达到的高度,这里中子和其他粒子的强度都比较高,随着高度继续降低,辐射的通量随着降低,是商业飞机的应用高度。
    地球上的中子来源分为天然来源和人造来源。天然来源是来自宇宙射线与大气中的氧和氮的相互作用,中子是太阳耀斑的副产品。人造来源包括核武器、核反应堆、医疗设备等。
    辐射对FPGA器件影响
    单粒子翻转(SEU),是指当一个重离子撞击一个电路节点,沉积足够的电荷使该节点的状态改变。SEU不仅限于太空应用,也会发生在地面的应用,如医疗、航空电子、汽车、网络和基础设施。
    软错误(softerror)指存储器单元或寄存器中可以校正的翻转,数据被改变,但存储器单元没有损坏,一般影响单一比特位,偶尔影响超过一个比特位。
    固件错误(firmerror)指SRAMFPGA中配置存储器的翻转,它被称为“固件”,是因为错误会一直存在,直到SRAMFPGA重新上电或启动才能清除。固件错误多数导致功能故障,后果比软错误严重得多,它能够引起FPGA失效以及整个系统的故障。
    FPGA器件中的辐射影响分为两大类:数据影响(软错误)和配置影响(固件错误)。pcb抄板医疗等地面应用中的两个重要辐射源则包括中子和α粒子。
    数据影响(软错误)数据影响(软错误)包括触发器、存储器单元、组合逻辑单元中的单比特位翻转。如果能够校正错误,则问题不严重,非关键性数据可请求重新发送,对于关键性数据可使用EDAC/FEC、奇偶校验冗余手段来达到保护的目的。
    配置影响(固件错误)是指FPGA配置元件的单比特位翻转,它可以引起FPGA故障,也可以影响数百万比特位的数据,甚至可以引发整个系统的故障。
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