2023年FPGA技术调研报告.docx

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1、2023年最的FPGA技术调研报告FPGA技术调研报告1 .弓I言现场可编程门阵列(FieldPrOgrammabiegatearrays,FPGA)是一种可编程使用的信号处理器件，用户可通过转变配置信息对其功能进展定义，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、高速和高牢靠性等优点，通过配置器件内部的规律功能和输入/输出端口，将原来电路板级的设计放在芯片中进展，提高了电路性能，降低了印刷电路板设计的工作量和难度，有效提高了设计的敏捷性和效率。设计者承受FPGA的优点：(1)削减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敏

2、捷性；(3)设计修改敏捷，有助于缩短产品交付时间；(4)器件削减后，焊点削减，从而可提高牢靠度。尤其值得一提的是，在电路运行频率越来越高的状况下，承受FPGA实现的简单电路功能减小了板级电路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(SIC,Applicationspecificintegratedcircuit)的最正确实现途径。使用商用现货FPGA设计微小卫星等航天器的星载电子系统，可以降低本钱。利用FPGA内丰富的规律资源，进展片内冗余容错设计，是满足星载电子系统牢靠性要求的一个好方法。目前，随着对卫星技术的不断进展、用户技术指标的不断提高以

3、及市场竞争的日益剧烈，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。承受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力量以及成效比。承受高功能集成的小型化器件，可以减小印制板的尺寸，削减焊盘数量，还有利于充分利用冗余技术提高系统的容错力量。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，高密度可编程规律器件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。本文回忆了FPGA的进展，分析了其主要构造，并对航天应用FPG

4、A进展了综述。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牢靠性的影响，并总结了提高FPGA抗辐照的牢靠性设计方法。最终，对航天应用FPGA的进展进展了展望。2 .FPGA航天应用可编程规律器件以其设计便利、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的可重配置的FPGAo2.1 航天应用FPGA的分类FPGA按其编程性，目前具有航天成功应用阅历的FPGA主要有两类：一类是只能编程一次的一次性编程FPGAo另一类是能屡次编程的可重编程

5、FPGA,如SRAM型FPGA、Flash型FPGA,这类FPGA一般具有在系统编程(ISP,Insystemprograniniing)J02.1.1一次性编程FPGA此类产品承受反熔丝开关元件，具有体积小、幅员面积小、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丧失，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阅历的产品是ACTEL公司的抗辐射加固反熔丝型FPGAo与传统FPGA平面型散布的规律模块、连线、开关矩阵的布局不同，反熔丝型FPGA承受紧凑、网格化密集布局的平面规律模块构造。利用位于

6、上下规律模块层之间、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，反熔丝构造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，溶化绝缘层介质形成永久性通路。2.1.2可重编程FPGA此类产品承受SRAM或FIaShEPROM掌握的开关元件，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转变配置，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规律会丧失，只能上电后重由外部存储器加载。FI

7、aShEPRoM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，可编程规律开关承受多路选择器实现，内部规律功能承受基于SRAM构造的查找表实现，这些部位都属于单粒子翻转效应敏感型半导体构造。因此，在航天应用中要特别留意。具有代表性的、并取得航天应用成功阅历的产品是Xilinx公司的基于SRAM型VirteX系列的FPGA产品。2. 2FPGA航天应用现状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个工程中都用到了FPGA,军用卫

8、星工程中也有多个工程用到FPGA03. 2.IActeFPGA的航天应用Actel的耐辐射和抗辐射FPGA自从在1997年火星探路者(MarsPathfinder)以及随后的士气号、机遇号任务中取得成功后，其FPGA连续用于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掌握计算机，执行从地球到火星6个月飞行的导航功能。在火星探究者漫游器(ExplorerRover)的照相机、无线通信设备中均承受了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器件己用于德国航天领域(DLR)双光谱红外探测(BI

9、RD)卫星中。BIRD是全球首个承受红外传感器技术的卫星，以探测和争论地球上的高温大事，如森林山火、火山活动、油井和煤层燃烧等。超过20个高牢靠性FPGA用干卫星有效载荷数据处理、存储器治理、接口和掌握、协处理以及红外摄影机的传感器掌握等多个关键性功能中。4. 2.2XiIinxFPGA的航天应用同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力量，渐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2023年放射的澳大利亚

10、的军民混用通信卫星OptusCL,在卫星的UHF有效载荷中,XilinxVirtexFPGA（XQVBBOO）用来实现地球数据的信号处理算法，并使用了Xilinx供给的IP核。Xilinx的加固FPGAXQR4062XL被用于2023年放射的澳大利亚科学卫星FedSat（联合卫星，用于争论磁层）的高性能计算有效载荷。HPC-I是第一例在星载计算机系统的标准运行中承受FPGA实现了可配置计算技术RCTo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XQR4036XL产品。在火星探测漫游器Discovery和SPirit中都成功应

11、用了XilinxFPGA产品。两片宇航FPGVirtexTMFPGXQVR1OOO被用于火星漫游器车轮电机掌握、机械臂掌握和其他仪表中，4片耐辐照4000系列的FPGAXQR4062XL用于掌握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ACTELRT14100,担当了掌握、数据治理、电源治理等重要功能，并且飞行中任何一片FPGA都不得断电。Xilinx最公布的Virte-5QVFPGA具有格外高的抗辐射性，TID耐性为70OkraD以上，SEU（Sin-gleEventUpset,单粒子翻转）闩锁（La

12、tChUP）耐性超过100MeVcM2Mg,主要面对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本钱。其规模也到达了13万个规律单元，集成了最高速度为3.125Gbits的高速收发器，并强化了DSP功能，作为航天领域用FPGA中属业界最高水准。5. 辐射效应及其影响航天、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一样。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(TlD:TOtaIioniZingDose)、单粒子翻转(SEU:SingIeeVentUPS

13、et)、单粒子闩锁(SEL:SingIeeVentlatehup)、单粒子功能中断(SEFISinglceventfunc-tionalinterrupt)单粒子烧毁(SEB:SingleeVentbUrnOUt)、单粒子瞬态脉冲(SET:SingIeeVenttran-射效应产生的机理不尽一样，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：具有肯定能量的重粒子与存储器件或规律电路PN结发生碰撞，在重粒子运动轨迹四周形成的电荷被灵敏电极收

14、集并行成瞬态电流，假设电流超过肯定值就会触发规律电路,形成规律状态的翻转。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构造成了可控硅构造。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掌握规律消灭故障，进而中断正常的掌握功能。FPGA中单粒子功能中断的敏感局部为配置存储器、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

15、管导通。双极结晶体管的再生反响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规律电路的输入，造成该规律电路输出紊乱。单粒子瞬态脉冲可能引起FPGA内部规律电路的短时错误。单粒子瞬态脉冲对于VO.25M工艺的FPGA影响较大。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

16、中SEL、SEB和SEGR均有可能对器件造成永久性损伤。因此，一般星上系统都会承受抗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。接下来依据对上述辐射影响的分析，争论提高FPGA抗辐射效应的牢靠性设计方法。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，但是更简洁受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力量到达200krad,抗SEL的力量为LET160MeVcm/mg以下无闩锁，同时，需要考虑SEUSET、SEFL等单粒子效应6. 航天应用FPGA的牢靠性设计在航天、空间电子设备中，FPGA主要用于替换标准规律，还用于SOC技术，供给嵌入式微处理器、存储器、掌握器、通信接口等。其中，牢靠性