耐辐射FPGA具有高可靠性和可重构性，助力处理航天器规划中的应战Microchip Technology Inc.
航空航天业务部高档产品营销工程师
Julian Di Matteo
在挑选现场可编程门阵列（FPGA）半导体产品时，卫星和航天器体系规划人员有几种不同的挑选。一种是挑选商用现货（COTS）组件，这种做法可下降组件单位本钱，缩短交给时刻，但可靠性一般缺乏，有必要进行挑选（导致本钱和工程资源添加），而且需求运用软硬三重模块冗余（TMR）来减轻空间辐射效应。关于要求不能呈现毛病的使命，规划人员一般会挑选选用抗辐射规划（RHBD）技能的FPGA，尽管本钱较高，但这类产品经过挑选和认证，契合合格制造商清单（QML）Q类和V类规范。QML V类是航天用半导体的最高认证规范。载人使命和安全要害型使命依托QML-V组件下降毛病危险。
进步功用、增强板上数据处理才能以及供给高速通讯才能，这些航空范畴的应战性需求日益添加，规划人员有必要规划出满意这些需求的体系。此类耐辐射RT FPGA以其制造商的航天经历和专业知识为后台，依托经过QML V类测验的多个解决方案，供给了一种选用耐辐射规划的解决方案。本文要点介绍航天运用能够选用的不同FPGA技能以及组件的开发进程。
空间辐射效应
因为商用现货组件无法免疫各种空间辐射效应的影响，会导致集成电路功用下降或呈现毛病，因而需运用RT FPGA。
在各种辐射效应中，有一种称为总电离剂量（TID），它是由空间中的带电粒子和伽马射线引起的辐射所形成的。这种辐射可经过在资料中发生电离而积累能量。电离会改动资料的电荷激起、电荷传输、键合和解离特性，从而对器材参数形成晦气影响。TID是电子器材在指定时段（一般是使命时刻）的电离辐射累加。损害程度取决于辐射量，用辐射吸收剂量（RAD）表明。视TID辐射耐受性而定，器材可能会发生功用性或参数性毛病。FPGA中受TID辐射影响的常见参数包含传输延时添加，这会下降器材功用。另一个毛病机制是，在遭到高TID辐射后，走漏电流会增大。
另一类辐射效应是单粒子效应（SEE）。这是指瞬态翻转、瞬变或永久性损害，因粒子（例如质子、重离子和α粒子等）辐射撞击到晶体管的灵敏区域所形成的，会引发各种毛病。SEE表现为包含单粒子翻转（SEU）在内的不同方式，在重离子、α粒子或质子等高能电离粒子照耀电路或经过集成电路时发生，会导致体系逻辑中止。
相同令人扎手的是单粒子确定（SEL），这是一种因单粒子诱导的高电流状况导致器材功用损失的状况。SEL不一定具有破坏性。关于具有破坏性的确定粒子，电流不会康复到标称值。而关于不具有破坏性的确定粒子，在FPGA上电循环后，高电平电流将康复到标称值。
FPGA技能比较
FPGA有四种根本类型：
- SRAM型FPGA
SRAM型FPGA运用静态存储器存储逻辑单元装备数据。SRAM具有易失性，掉电后器材装备会丢掉。而上电时有必要对FPGA进行编程。SRAM型技能的功耗往往更高，对辐射更灵敏。
- 闪存型FPGA
可从头编程的闪存型FPGA首要运用闪存来存储装备。闪存技能不受SEU影响，因而不再遭到FPGA装备存储器中辐射所形成的粒子翻转的要挟。与SRAM型FPGA的功耗比较，RTG4闪存型FPGA的功耗最多可削减50%。选用闪存技能不需求外部存储器、冗余或接连装备监督，从而在多个方面简化了规划。这种技能也无需运用散热器，因而可缩小规划尺度并减小分量，而且有助于下降功耗，这关于电子模块经过太阳能电池板供电的状况尤为重要。
- SONOS型FPGA
此类FPGA的一个示例是Microchip的RT PolarFire FPGA，其具有表征化辐射数据、低功耗以及不受SEU装备影响的辐射功用，并供给经过QML-V认证的高可靠性组件。这些FPGA在28纳米工艺节点上根据硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅（SONOS）非易失性（NV）技能开发。已经过丈量逆变器的传输延时对28纳米和较早的65纳米进行了技能比照。测验结果表明，在功用上，选用28纳米SONOS技能比选用65纳米闪存技能要高出2.5倍。这些SONOS型FPGA在供给低功耗解决方案的一起，还具有超卓的抗辐射功用，而且不受SEU影响。SONOS型FPGA已经过QML-V认证，是需求进行高速信号处理的运用的抱负之选。
图1给出了闪存型FPGA和SONOS型FPGA为免受SEU影响而选用的架构。
