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。