Xilinx FPGA抗輻射設(shè)計(jì)技術(shù)研究

摘要：針對Xilinx FPGA在航天應(yīng)用中的可行性，文章分析了Xilinx FPGA的結(jié)構(gòu)以及空間輻射效應(yīng)對FPGA的影響，結(jié)合實(shí)際工程實(shí)踐給出了提高其可靠性的一有用辦法和注意事項(xiàng)，如冗余設(shè)計(jì)、同步設(shè)計(jì)、自檢等。表明配置信息的周期刷新和三模冗余設(shè)計(jì)是減輕單粒子效應(yīng)的有效方法。
關(guān)鍵詞：可編程邏輯門陣列；總劑量效應(yīng)；單粒子翻轉(zhuǎn)；單粒子閂鎖；單粒子功能中斷；單粒子燒毀：單粒子瞬

0 引言
空間輻射環(huán)境中的帶電粒子會導(dǎo)致航天器電子系統(tǒng)的半導(dǎo)體器件發(fā)生單粒子效應(yīng)，嚴(yán)重影響航天器的可靠性和壽命，其中高能質(zhì)子和重離子是導(dǎo)致單粒子效應(yīng)的主要因素。必須對航天器用電子元器件的單粒子效應(yīng)進(jìn)行評估，采取一定的抗輻射加固措施，提高其可靠性。因此，空間輻射的單粒子效應(yīng)研究具有重要意義。
基于SRAM的FPGA在航天領(lǐng)域受到極大關(guān)注。Xilinx公司的FPGA相繼在MARS2003 Lander(JPL)XQR4062XL：Controlling Pyrotechnics、MARS2003 Rover(JPL)XQVR1000：Motor Control、GRACE(NASA、XQR4036XL：Sensor等任務(wù)中成功應(yīng)用之后，國外航天界對Xilinx FPGA的應(yīng)用興趣大增。我國相關(guān)領(lǐng)域?qū)ilinxFPGA的航天應(yīng)用正處在研究階段，對其中亟待解決的可靠性設(shè)計(jì)問題研究相對較少，本文根據(jù)作者在某衛(wèi)星載荷設(shè)備信號處理器中的實(shí)踐對Xilinx FPGA(以下簡稱FPGA)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 Xilinx FPGA介紹
Xilinx SRAM型FPGA主要由以下幾部份組成，圖1所示為Virtex II FPGA的結(jié)構(gòu)圖。

(1)配置存儲器(Configure Memory)：FPGA可以看作配置存儲器和受其控制的可配置邏輯資源兩層的疊加。配置存儲器是FPGA內(nèi)部的一個(gè)大容量存儲器，控制著可配置邏輯資源，如布線資源、可編程邏輯資源、數(shù)字時(shí)鐘等邏輯功能。配置存儲器的失效將造成FPGA功能的持久失效(直至重新配置成功)。
(2)布線資源(Routing Resource)：布線資源是FPGA內(nèi)部邏輯功能單元互聯(lián)的通道，它將用戶設(shè)計(jì)的各個(gè)邏輯功能模塊連在一起。
(3)可編程I／O(Programmable I／O)：FPGA的輸入輸出接口，通常情況下I／O腳可以設(shè)置成輸入、輸出、高阻態(tài)、雙向I／O。
(4)可編程邏輯單元(CLB：Configurable LogicBlock)：可編程邏輯功能單元是FPGA的細(xì)胞，通過它可以完成各式各樣的邏輯功能。
(5)塊存儲器(Block Select-RAM)和乘法器(Multiplier)等：FPGA內(nèi)部集成的硬件存儲器和乘法器，用以實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)字運(yùn)算。
(6)數(shù)字時(shí)鐘管理模塊(DCM：Digital ClockManager)：FPGA內(nèi)部的時(shí)鐘管理單元。通過它可以對輸入時(shí)鐘進(jìn)行倍頻、分頻處理，同時(shí)還可以減小時(shí)鐘的抖動(dòng)，提高時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)能力。
目前FPGA的工藝水平從Virtex系列的220mm發(fā)展到Virtex II的150mm，一直到現(xiàn)在Virtex 4系列高密度FPGA的90nm，雖然抗總劑量效應(yīng)能力在不斷增強(qiáng)，但是隨著器件的核電壓的降低、門數(shù)的劇增，單粒子效應(yīng)會越來越明顯。因此FPGA上述組成部分，如配置存儲器、CLB和塊存儲器的抗輻射可靠性設(shè)計(jì)越來越重要。