FPGA調(diào)研報告FPGA在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

FPGA技術(shù)調(diào)研：FPGA在航天領(lǐng)域的應(yīng)用1．引言現(xiàn)場可編程門陣列(Fieldprogrammablegatearrays，F(xiàn)PGA)是一種可編程使用的信號處理器件，顧客可通過變化配置信息對其功能進行定義，以滿足設(shè)計需求。與老式數(shù)字電路系統(tǒng)相比，F(xiàn)PGA具有可編程、高集成度、高速和高可靠性等長處，通過配置器件內(nèi)部的邏輯功能和輸入/輸出端口，將本來電路板級的設(shè)計放在芯片中進行，提高了電路性能，減少了印刷電路板設(shè)計的工作量和難度，有效提高了設(shè)計的靈活性和效率。設(shè)計者采用FPGA的長處：(1)減少對所需器件品種的需求，有助于減少電路板的體積重量；(2)增長了電路板完畢后再修改設(shè)計的靈活性；(3)設(shè)計修改靈活，有助于縮短產(chǎn)品交付時間；(4)器件減少后，焊點減少，從而可提高可靠度。尤其值得一提的是，在電路運行頻率越來越高的狀況下，采用FPGA實現(xiàn)的復(fù)雜電路功能減小了板級電路上PCB布線不妥帶來的電磁干擾問題，有助于保證電路性能。FPGA也是現(xiàn)階段航天專用集成電路（ASIC,Applicationspecificintegratedcircuit）的最佳實現(xiàn)途徑。使用商用現(xiàn)貨FPGA設(shè)計微小衛(wèi)星等航天器的星載電子系統(tǒng)，可以減少成本。運用FPGA內(nèi)豐富的邏輯資源，進行片內(nèi)冗余容錯設(shè)計，是滿足星載電子系統(tǒng)可靠性規(guī)定的一種好措施。目前，伴隨對衛(wèi)星技術(shù)的不停發(fā)展、顧客技術(shù)指標(biāo)的不停提高以及市場競爭的日益劇烈，功能度集成和輕小型化已經(jīng)成為星載電子設(shè)備的一種主流趨勢。采用小型化技術(shù)可以使星載電子設(shè)備體積減小、重量減輕、功耗減少，提高航天器承載有效載荷的能力以及功能比。采用高功能集成的小型化器件，可以減小印制板的尺寸，減少焊盤數(shù)量，尚有助于充足運用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)的容錯能力。星載數(shù)字電路小型化的關(guān)鍵是器件選用，包括嵌人式高集成度器件的選用，其中，高密度可編程邏輯器件FPGA的選用是一種重要的實現(xiàn)方式。目前，在航天遙感器的設(shè)計中，F(xiàn)PGA被廣泛地應(yīng)用于主控系統(tǒng)CPU的功能擴展CCD圖像傳感器驅(qū)動時序的產(chǎn)生以及高速數(shù)據(jù)采集。本文回憶了FPGA的發(fā)展，分析了其重要構(gòu)造，并對航天應(yīng)用FPGA進行了綜述。指出了航天應(yīng)用對FPGA及其設(shè)計的規(guī)定，重點分析了空間輻射效應(yīng)對FPGA可靠性的影響，并總結(jié)了提高FPGA抗輻照的可靠性設(shè)計措施。最終，對航天應(yīng)用FPGA的發(fā)展進行了展望。2.FPGA航天應(yīng)用可編程邏輯器件以其設(shè)計以便、設(shè)計便于修改、功能易于擴展，在航天、空間領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。一種是以Actel企業(yè)產(chǎn)品為代表的一次編程反熔絲型FPGA，一種是以Xilinx企業(yè)產(chǎn)品為代表的基于SRAM的可重新配置的FPGA。2.1航天應(yīng)用FPGA的分類FPGA按其編程性，目前具有航天成功應(yīng)用經(jīng)驗的FPGA重要有兩類：一類是只能編程一次的一次性編程FPGA。另一類是能多次編程的可重編程FPGA,如SRAM型FPGA、Flash型FPGA，此類FPGA一般具有在系統(tǒng)編程(ISP,Insystemprogramming)能力。2.1.1一次性編程FPGA此類產(chǎn)品采用反熔絲開關(guān)元件，具有體積小、版圖面積小、低抗輻射抗干擾、互連線特性阻抗低的特點，不需要外接PROM或EPROM，掉電后電路的配置數(shù)據(jù)不會丟失，上電后即可工作，合用于航天、軍事、工業(yè)等各領(lǐng)域。此類產(chǎn)品中，具有代表性并已獲得航天應(yīng)用成功經(jīng)驗的產(chǎn)品是ACTEL企業(yè)的抗輻射加固反熔絲型FPGA。與老式FPGA平面型散布的邏輯模塊、連線、開關(guān)矩陣的布局不一樣，反熔絲型FPGA采用緊湊、網(wǎng)格化密集布局的平面邏輯模塊構(gòu)造。運用位于上下邏輯模塊層之間、金屬對金屬的可編程反熔絲內(nèi)部連接元件實現(xiàn)器件的連接，減小了通道和布線資源所占用的空間。在編程之前，該連接元件為開路狀態(tài)，編程時，反熔絲構(gòu)造局部的小區(qū)域內(nèi)具有足夠高的電流密度，瞬間產(chǎn)生較大的熱功耗，融化絕緣層介質(zhì)形成永久性通路。2.1.2可重編程FPGA此類產(chǎn)品采用SRAM或FlashEPROM控制的開關(guān)元件，其長處是可反復(fù)編程。配置程寄存在FPGA外的存儲器中，系統(tǒng)上電時，配置程加載到FPGA中完畢硬件功能的定制化。其中，SRAM型FPGA還可以在系統(tǒng)運行中變化配置，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的動態(tài)重構(gòu)。不過，此類FPGA掉電后存儲的顧客配置邏輯會丟失，只能上電后重新由外部存儲器加載。FlashEPROM型FPGA具有非易失性和可重構(gòu)的雙重長處，但不能動態(tài)配置，功耗也比SRAM型FPGA高。此類FPGA由于配置數(shù)據(jù)存儲在FPGA內(nèi)的SRAM存儲器中，可編程邏輯開關(guān)采用多路選擇器實現(xiàn)，內(nèi)部邏輯功能采用基于SRAM構(gòu)造的查找表實現(xiàn)，這些部位都屬于單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)敏感型半導(dǎo)體構(gòu)造。因此，在航天應(yīng)用中要尤其注意。具有代表性的、并獲得航天應(yīng)用成功經(jīng)驗的產(chǎn)品是Xilinx企業(yè)的基于SRAM型Virtex系列的FPGA產(chǎn)品。2.2FPGA航天應(yīng)用現(xiàn)實狀況FPGA在國內(nèi)外的航天、空間領(lǐng)域，尤其是商用衛(wèi)星得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)記錄，在國內(nèi)外深空探測、科學(xué)及商用衛(wèi)星共60個項目中都用到了FPGA，軍用衛(wèi)星項目中也有多種項目用到FPGA。2.2.1ActeFPGA的航天應(yīng)用Actel的耐輻射和抗輻射FPGA自從在1997年火星探路者（MarsPathfinder）以及隨即的勇氣號、機遇號任務(wù)中獲得成功后，其FPGA繼續(xù)用于NASA、ESA的火星探測任務(wù)。Actel的耐輻射和抗輻射器件用于火星探測器的控制計算機，執(zhí)行從地球到火星6個月飛行的導(dǎo)航功能。在火星探索者漫游器（ExplorerRover）的攝影機、無線通信設(shè)備中均采用了Actel器件。ESA的火星快車軌道衛(wèi)星中，固態(tài)記錄器使用了20多種ActelFPGA器件。Actel公司的FPGA器件已用于德國航天領(lǐng)域(DLR)雙光譜紅外探測(BIRD)衛(wèi)星中。BIRD是全球首個采用紅外傳感器技術(shù)的衛(wèi)星，以探測和研究地球上的高溫事件，如森林山火、火山活動、油井和煤層燃燒等。超過20個高可靠性FPGA用干衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)處理、存儲器管理、接口和控制、協(xié)處理以及紅外攝影機的傳感器控制等多種關(guān)鍵性功能中。2.2.2XilinxFPGA的航天應(yīng)用同ACTEL相比，Xilinx企業(yè)用于航天、空間領(lǐng)域的產(chǎn)品研制較晚，不過，其功能強大、性能高、可重新配置的民用塑封產(chǎn)品向宇航級產(chǎn)品的過渡、全面提高抗空間輻射能力，逐漸成為空間電子產(chǎn)品設(shè)計中常用的FPGA產(chǎn)品，并將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。Xilinx的Virtex耐輻射FPGA被用于年發(fā)射的澳大利亞的軍民混用通信衛(wèi)星OptusCL，在衛(wèi)星的UHF有效載荷中，XilinxVirtexFPGA(XQVB300）用來實現(xiàn)地球數(shù)據(jù)的信號處理算法，并使用了Xilinx提供的IP核。Xilinx的加固FPGAXQR4062XL被用于年發(fā)射的澳大利亞科學(xué)衛(wèi)星Fedsat（聯(lián)合衛(wèi)星，用于研究磁層）的高性能計算有效載荷。HPC-1是第一例在星載計算機系統(tǒng)的原則運行中采用FPGA實現(xiàn)了可配置計算技術(shù)RCT。目前正在開發(fā)的RHC-II將使用XilinxFPGA實現(xiàn)星上數(shù)據(jù)處理。此外，GRACE(NASA）的敏感器中使用了XQR4O36XL產(chǎn)品。在火星探測漫游器Discovery和Spirit中都成功應(yīng)用了XilinxFPGA產(chǎn)品。兩片宇航FPGAVirtexTMFPGAXQVR100O被用于火星漫游器車輪電機控制、機械臂控制和其他儀表中，4片耐輻照4000系列的FPGAXQR4062XL用于控制火星著陸器的要點火設(shè)備，保證著陸器按規(guī)定程序下降及成功著陸。歐洲第一種彗星軌道器和著陸器ROSETTA上總共有45片F(xiàn)PGA，都選用ACTELRT14I00A，承擔(dān)了控制、數(shù)據(jù)管理、電源管理等重要功能，并且飛行中任何一片F(xiàn)PGA都不得斷電。Xilinx最新公布的Virtex-5QVFPGA具有非常高的抗輻射性，TID耐性為700kraD以上，SEU（Sin-gleEventUpset，單粒子翻轉(zhuǎn)）閂鎖（LatchUp）耐性超過100MeV·cM2/Mg，重要面向人造衛(wèi)星和宇宙飛船上的遙感處理、圖像處理以及導(dǎo)航儀等用途。因此，基于FPGA系統(tǒng)構(gòu)成無需為了輻射措施而增長冗余，可以削減系統(tǒng)開發(fā)所需要的時間和成本。其規(guī)模也到達了13萬個邏輯單元，集成了最高速度為3.125Gbit/s的高速收發(fā)器，并強化了DSP功能，作為航天領(lǐng)域用FPGA中屬業(yè)界最高水準(zhǔn)。3.輻射效應(yīng)及其影響航天、空間電子設(shè)備由于其所處的軌道以及使用環(huán)境的不一樣,受到的輻射影響也不相似。從總體上來說，對FPGA影響比較大的輻射效應(yīng)重要有:總劑量效應(yīng)(TID:TotalionizingDose)、單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU:Singleeventupset)、單粒子閂鎖(SEL:Singleeventlatchup)、單粒子功能中斷(SEFI:Singleeventfunc-tionalinterrupt)、單粒子燒毀(SEB:Singleeventburnout)、單粒子瞬態(tài)脈沖(SET:Singleeventtran-射效應(yīng)產(chǎn)生的機理不盡相似,引起FPGA的失效形式也不一樣?？倓┝啃?yīng)：光子或高能離子在集成電路的材料中電離產(chǎn)生電子空穴對，最終形成氧化物陷阱電荷或者在氧化層與半導(dǎo)體材料的界面處形成界面陷阱電荷，使器件的性能減少甚至失效。單粒子翻轉(zhuǎn)：具有一定能量的重粒子與存儲器件或邏輯電路PN結(jié)發(fā)生碰撞,在重粒子運動軌跡周圍形成的電荷被敏捷電極搜集并行成瞬態(tài)電流，假如電流超過一定值就會觸發(fā)邏輯電路,形成邏輯狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。單粒子翻轉(zhuǎn)敏感區(qū)域是指FPGA中易于受到單粒子效應(yīng)影響的區(qū)域，包括FPGA的配置存儲器、DCM、CLB、塊存儲區(qū)域。單粒子閂鎖：CMOS器件的PNPN構(gòu)導(dǎo)致了可控硅構(gòu)造。質(zhì)子或重粒子的入射可以觸發(fā)PNPN結(jié)導(dǎo)通,進入大電流再生狀態(tài)，產(chǎn)生單粒子閂鎖。只有減少電源電壓才能退出閂鎖狀態(tài)。單粒子功能中斷：質(zhì)子或重粒子入射時引起器件的控制邏輯出現(xiàn)故障，進而中斷正常的控制功能。FPGA中單粒子功能中斷的敏感部分為配置存儲器、上電復(fù)位電路、SelectMAP接口和JATAG接口。單粒子燒毀：入射粒子產(chǎn)生的瞬態(tài)電流導(dǎo)致敏感的寄生雙極結(jié)晶體管導(dǎo)通。雙極結(jié)晶體管的再生反饋機制導(dǎo)致搜集結(jié)電流不停增大，直至產(chǎn)生二次擊穿，導(dǎo)致漏極和源極的永久短路，燒毀電路。FPGA發(fā)生單粒子燒毀的概率較小。單粒子瞬態(tài)脈沖：帶電粒子入射產(chǎn)生的瞬態(tài)電流脈沖影響到下一級邏輯電路的輸入，導(dǎo)致該邏輯電路輸出紊亂。單粒子瞬態(tài)脈沖也許引起FPGA內(nèi)部邏輯電路的短時錯誤。單粒子瞬態(tài)脈沖對于＜0.25μM工藝的FPGA影響較大。位移損傷：單粒子位移損傷是單個粒子入射引起晶格原子移位、形成缺陷群、引起的永久性損傷。上述輻射效應(yīng)對FPGA導(dǎo)致的影響有的是永久性的，如總劑量效應(yīng)、單粒子燒毀、位移損傷；有的是可以恢復(fù)的，如單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子功能中斷、單粒子瞬態(tài)脈沖。以上單粒子效應(yīng)中SEL、SEB和SEGR均有也許對器件導(dǎo)致永久性損傷。因此，一般星上系統(tǒng)都會采用抗SEL的器件。SEU和SET雖然是瞬時影響，但其發(fā)生率遠高于以上3種，反而更應(yīng)引起重視。接下來根據(jù)對上述輻射影響的分析，研究提高FPGA抗輻射效應(yīng)的可靠性設(shè)計措施。伴隨SRAM型的FPGA隨著工藝水平的提高、規(guī)模的增大和器件核電壓的減少，抗總劑量效應(yīng)性能不停提高，不過更輕易受SEU和SET的影響。針對單粒子效應(yīng)的問題，MAPLD、NSREC、RADECS會議提交的匯報認(rèn)為，Virtex-II系列產(chǎn)品抗總劑量輻射能力達到200krad，抗SEL的能力為LET160MeV·cm/mg如下無閂鎖，同步，需要考慮SEU、SET、SEFL等單粒子效應(yīng)4.航天應(yīng)用FPGA的可靠性設(shè)計在航天、空間電子設(shè)備中，F(xiàn)PGA重要用于替代原則邏輯，還用于SOC技術(shù)，提供嵌人式微處理器、存儲器、控制器、通信接口等。其中，可靠性是FPGA設(shè)計的重要需求。根據(jù)功能及其重要性的不一樣，空間電子系統(tǒng)設(shè)計分為關(guān)鍵與非關(guān)鍵兩大類，航天器控制為關(guān)鍵類，科學(xué)儀表為非關(guān)鍵類。航天器控制系統(tǒng)對FPGA的一般需求：高可靠、抗輻射加固和故障安全?？茖W(xué)儀器對FPGA的設(shè)計規(guī)定一般為高性能、耐輻射和失效安全，其可靠性則是由性能需求決定的，對FPGA的需求也因系統(tǒng)而異，如測量辨別率、帶寬、高速存儲、容錯能力等。航天用FPGA的可靠性設(shè)計重要通過器件自身的硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計來實現(xiàn)。4.1FPGA的硬件可靠性設(shè)計FPGA的硬件可靠性設(shè)計重要是針對空間輻射效應(yīng)的影響，借助制造工藝和設(shè)計技術(shù)較為徹底地處理了單粒子效應(yīng)防護問題。一般從如下幾種方面進行設(shè)計[6]：FPGA整體設(shè)計加固、內(nèi)部設(shè)計間接檢測輻射效應(yīng)的自檢模塊、引入外部高可靠性的監(jiān)測模塊。整體加固設(shè)計是指在電子設(shè)備的外面采用一定厚度的材料進行整體輻射屏蔽，減少設(shè)備所受的輻射效應(yīng)，常常采用的材料有鋁、鉭和脂類化合物等。這種措施在航天電子元器件中使用較多，也比較成熟。例如，作為美國軍用微電子產(chǎn)品重要供應(yīng)商的Honeywell，加固ASIC技術(shù)覆蓋范圍寬。Aeroflex采用“設(shè)計加固、商用IC工藝線流片”的方式提供性能先進的加固ASIC產(chǎn)品，具有數(shù)?；旌霞庸藺SIC的研制能力。這種采用商業(yè)線流片生產(chǎn)軍用和加固微電子產(chǎn)品的技術(shù)線路，既有助于掙脫工藝加固對器件發(fā)展的約束，又有助于滿足顧客對先進加固器件的需求，減少成本，縮短供貨時間。Atmel為顧客提供了高性能、小尺寸、低功耗的各類器件的工藝資源，包括用于航天的耐輻照高速、低功耗數(shù)?；旌螩MOS工藝以及內(nèi)嵌EEPROM的CMOS工藝。國內(nèi)從事軍用微電子器件研制的單位諸多，包括國有科研單位和非國有IC研制企業(yè)。不過，可以完畢抗輻照加固IC研制的單位并不多。國內(nèi)自行研制的加固ASIC產(chǎn)品已經(jīng)在衛(wèi)星中得到了成功應(yīng)用。采用體硅外延層，也可以防止發(fā)生SEI。例如，Xilinx的virtex-II耐輻射產(chǎn)品是在軍品等級器件的基礎(chǔ)上深入采用外延襯底設(shè)計，抗總劑量電離效應(yīng)能力按照MIL-STD-883Method1019進行批次采樣考核。自檢模塊的目的是通過某些模塊的正常運行來預(yù)測整個FPGA運行的正常性。自檢模塊由分布在FPGA重要布線區(qū)域附近的簡樸邏輯電路實現(xiàn)，也可以由多模冗余模塊表決成果或者余數(shù)檢測法以及奇偶校驗法等其他產(chǎn)生的成果直接提供輸出。4.2FPGA的軟件可靠性設(shè)計航天應(yīng)用FPGA的軟件可靠性設(shè)計是指應(yīng)用軟件程序配置來屏蔽輻射效應(yīng)導(dǎo)致的運行失常。其中，冗余設(shè)計措施是被公認(rèn)為比較可靠的對付輻射效應(yīng)的措施。常用的冗余設(shè)計有三模冗余法(TMR，Triplemoduleredundancy)和部分三模冗余法(PTMR，Partialtriplemoduleredundancy)。雖然TMR可以提高系統(tǒng)的可靠性，但也會使模塊速度減少、占用資源和功率增長。綜合考慮其他設(shè)計指標(biāo)，可以根據(jù)實際狀況對關(guān)鍵部分使用部分三模冗余法。冗余構(gòu)造盡管可以保證系統(tǒng)可靠性，但卻不能及時發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤，或為發(fā)現(xiàn)錯誤而引入了過多的組合邏輯，當(dāng)應(yīng)用于FPGA時，增長了容錯電路自身出錯的也許性。除此之外，星載系統(tǒng)無人值守的運行特點使得系統(tǒng)重構(gòu)與故障恢復(fù)也非常困難。對配置存儲器的回讀校驗和重配置[6](或局部重配置)是一種有效的抵御輻射效應(yīng)的措施，通過對部分派置的重加載可以修復(fù)SEU效應(yīng)導(dǎo)致的影響，其頻率應(yīng)是最壞狀況SEU效應(yīng)發(fā)生率的10倍。在重加載邏輯設(shè)計中，需要對重加載的實現(xiàn)方式、加載內(nèi)容進行仔細(xì)設(shè)計，并不是所有的內(nèi)容都可以重加載，也不是所有的內(nèi)容都需要重新配置。在系統(tǒng)設(shè)計中，采用高可靠性的反熔絲FPGA負(fù)責(zé)從非易失大容量存儲器中讀取XilinxFPGA的配置數(shù)據(jù)對其進行配置。在運行期間，對最輕易受輻射效應(yīng)影響的配置存儲器按列進行讀操作，然后與原則數(shù)據(jù)進行比對，對出現(xiàn)錯誤的列進行局部重配置。FPGA的可編程IO也輕易受到輻射粒子影響