FPGA大氣中子輻射效應(yīng)仿真研究?

趙鵬梅亮常成

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心 北京 100854）

1 引言

臨近空間飛行器的定義是可以在臨近空間長期作業(yè)的飛行器，由于其具有重要的戰(zhàn)略意義，因此得到眾多國家的重視。組成臨近空間的主要成分為中子，我們把它定義為大氣中子。臨近空間飛行器上裝載大量FPGA、DSP等大規(guī)模集成電路，這些集成電路對大氣中子輻射效應(yīng)反應(yīng)靈敏，受大氣中子輻射影響，容易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，從而影響整個控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行［1～8］。本文以SRAM型FPGA為研究對象，開展FPGA大氣中子輻射效應(yīng)研究與分析。

SRAM型FPGA受大氣中子輻射影響，發(fā)生單粒子效應(yīng)的主要內(nèi)因在于，其存儲單元（SRAM）中的NMOS管受粒子入射影響，產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖電流，該脈沖電流作用于整個SRAM電路結(jié)構(gòu)中，改變其存儲狀態(tài)，影響整個FPGA的正常功能［9～10］。

2 SRAM結(jié)構(gòu)分析與模型建立

2.1 SRAM電路結(jié)構(gòu)分析與工藝參數(shù)

SRAM就是靜態(tài)隨機(jī)存儲器，其結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示，SRAM一般由存儲單元陣列、地址譯碼器、靈敏放大器、控制電路以及驅(qū)動電路五個結(jié)構(gòu)組成。存儲單元陣列是SRAM實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵部分，而剩下的四個部分主要負(fù)責(zé)為存儲單元陣列服務(wù)。隨著集成工藝的發(fā)展，SRAM存儲單元出現(xiàn)了許多不同的電路結(jié)構(gòu)，常見的SRAM存儲單元電路結(jié)構(gòu)有：傳統(tǒng)六管型、六管NMOS型、四管型、改進(jìn)七管型以及新型八管型。其具體工藝參數(shù)參見表 1［9～14］。

表1 五種不同結(jié)構(gòu)SRAM存儲單元MOS管工藝尺寸對比

圖1 SRAM結(jié)構(gòu)原理示意圖

2.2 SRAM電路模型建立

根據(jù)表1所示的工藝參數(shù)，利用仿真軟件PSpice搭建SRAM存儲單元電路結(jié)構(gòu)的仿真電路，以傳統(tǒng)六管型SRAM為例［15］，構(gòu)建電路模型如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)六管SRAM存儲單元

3 SRAM存儲單元電路仿真分析

3.1 傳統(tǒng)六管型SRAM存儲單元電路仿真分析

利用《NMOS大氣中子輻射效應(yīng)仿真研究》中所得NMOS管漏極瞬態(tài)脈沖電流仿真結(jié)果，進(jìn)行SRAM存儲單元電路仿真分析。

將不同LET分別為0.1、0.5、1MeVcm2/mg時的NMOS管漏極脈沖電流［8］施加到如圖2所示T1管的漏極上，使用PSpice中的Voltage Maker工具對Q數(shù)據(jù)存儲位進(jìn)行觀測，記錄的Q點(diǎn)電壓（假設(shè)初始狀態(tài)為高電平，即SRAM存儲數(shù)據(jù)為“1”）變化如圖3所示。

圖3 不同LET值下Q存儲位電壓變化示意圖

從圖中可以看出，LET=0.1、0.5 MeVcm2/mg時，Q存儲位電壓在一個短時間內(nèi)下降，但雖然立即返回到原始電壓，說明此時Q存儲位仍為高電平，SRAM存儲數(shù)據(jù)仍為“1”；當(dāng)LET=1MeVcm2/mg時，Q存儲位電壓迅速下降，并最終徹底變?yōu)閹缀醯扔?的電壓，說明此時Q存儲位從高電平變?yōu)榈碗娖?，SRAM存儲數(shù)據(jù)從“1”變?yōu)椤?”，也就是說，SRAM存儲狀態(tài)發(fā)生改變，具體狀態(tài)如圖10所示，可以清楚看出，SRAM受中子輻射影響，其存儲狀態(tài)發(fā)生了變化。

為了更為全面地研究SRAM存儲單元受中子輻射影響引起的單粒子效應(yīng)，需要將表1中分析的五種不同結(jié)構(gòu)SRAM進(jìn)行依次仿真分析，仿真手段與上述流程一致。

3.2 SRAM存儲單元電路仿真分析

圖4 四管SRAM電路仿真示意圖

從表1可以得出，四管SRAM存儲單元由兩個PMOS管以及2個NMOS管構(gòu)成，2個NMOS作為存儲管存在，主要完成數(shù)據(jù)的存儲功能，需要注意的是，四管SRAM中的4個MOS管工藝尺寸均為0.18μm，而受到中子輻射的影響主要集中在NMOS管的漏極，因此，以其中一個存儲管N1為例，如圖4所示，將上述得到的0.18μm NMOS管受不同LET值下中子輻射影響而產(chǎn)生的脈沖電流施加到如圖中N1管的漏極，以進(jìn)行四管SRAM存儲單元的單粒子翻轉(zhuǎn)仿真分析，仿真具體結(jié)果如圖5所示，隨著LET值的不同減小，脈沖電流的沖擊不斷減小，對四管SRAM的影響也不斷地減弱，當(dāng)LET=1MeV-cm2/mg時，四管SRAM中存儲位Q的電壓，受N1脈沖電流的影響，迅速地減小，直到最終變?yōu)閹缀鯙?，也就是存儲位Q的電壓從高電平變?yōu)榈碗娖?，即四管SRAM的存儲數(shù)據(jù)從“1”變?yōu)椤?”，證實(shí)四管SRAM發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)；當(dāng)LET=0.5MeVcm2/mg或0.1MeVcm2/mg時，四管SRAM的存儲位Q的電壓，受N1脈沖電流的影響，電壓持續(xù)下降，但與上述情況不同的是，電壓下降到一定的程度（兩個LET值下，Q點(diǎn)電壓下降幅度不同）重新返回到4.8V，也就是Q存儲位的電壓受脈沖電流影響，在一極短的時間內(nèi)下降，然后迅速返回到初始值，證實(shí)四管SRAM并未發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。

圖5 四管SRAM單粒子翻轉(zhuǎn)仿真結(jié)果

與上述傳統(tǒng)六管SRAM仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析可以得出，無論是傳統(tǒng)的六管SRAM存儲單元還是四管SRAM存儲單元，均在中子的LET值為1MeVcm2/mg時，發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)，但兩個SRAM存儲單元在結(jié)構(gòu)上存在比較大的差別，主要是結(jié)構(gòu)的組成以及MOS管的工藝尺寸。為了更好地進(jìn)行對比分析，可以仿真LET=0.8MeVcm2/mg時，0.18μm以及0.35μm的NMOS管受中子輻射，引起的漏極脈沖電流。具體的流程還是參照前文的整個過程，得到的兩個不同工藝尺寸NMOS管，在中子的LET值為0.8MeVcm2/mg時，其漏極產(chǎn)生的脈沖電流，具體仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 LET=0.8MeVcm2/mg時，兩種不同尺寸NMOS管漏極脈沖電流

從圖6可以看出，LET=0.8MeVcm2/mg時，0.18μm的NMOS管受中子輻射影響，引起的漏極脈沖電流明顯大于0.35的NMOS管所產(chǎn)生的脈沖電流，符合前文關(guān)于工藝尺寸對漏極脈沖電流的影響的論述，下面需要將這兩個脈沖電流施加到四管SRAM以及傳統(tǒng)六管SRAM的仿真電路中，其存儲位Q的電壓變化如圖7所示。

圖7 LET=0.8MeVcm2/mg時，兩種不同結(jié)構(gòu)的SRAM存儲單元Q變化趨勢

從圖7中可以看出，當(dāng)LET=0.8MeVcm2/mg時，四管SRAM中存儲位Q的電壓變化趨勢與傳統(tǒng)六管SRAM完全不同，四管SRAM中Q點(diǎn)受中子輻射的影響，電壓從4.8V逐漸減小到幾乎0V的狀態(tài)，最終維持在0V；而傳統(tǒng)六管SRAM中Q點(diǎn)受中子影響，電壓在極短的時間內(nèi)，下降到0.8V左右，而后迅速返回到初始值4.8V。以上分析說明，當(dāng)LET=0.8MeVcm2/mg時，四管SRAM存儲單元發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)，而傳統(tǒng)六管SRAM存儲單元并未發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。

在對六管NMOS型SRAM、改進(jìn)型SRAM以及八管SRAM進(jìn)行仿真對比分析后得出，六管NMOS型SRAM、改進(jìn)型SRAM以及八管SRAM的存儲單元，其存儲位Q點(diǎn)電壓變化與傳統(tǒng)六管SRAM存儲單元變化一致，證明影響SRAM發(fā)生單粒翻轉(zhuǎn)的決定因素在于其組成的MOS管尺寸大小，尤其是其中負(fù)者存儲數(shù)據(jù)的NMOS管的尺寸，與電路結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。

4 結(jié)語

本文利用建模手段，模擬出五種不同結(jié)構(gòu)SRAM受單粒子輻射發(fā)生翻轉(zhuǎn)的過程，通過對比仿真結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1）搭載在臨近空間飛行器上的FPGA，受到臨近空間中大氣中子的輻射影響，容易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，尤其以SRAM型FPGA現(xiàn)象最為明顯；

2）SRAM型FPGA受大氣中子輻射影響，發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的物理過程為FPGA的存儲結(jié)構(gòu)SRAM中的NMOS受中子入射影響，產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖電流，影響SRAM的存儲狀態(tài)，進(jìn)而影響整個FPGA的運(yùn)行；

3）五種不同存儲單元結(jié)構(gòu)的SRAM，受大氣中子輻射影響，其發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)情況跟其組成MOS管尺寸有關(guān)，與其結(jié)構(gòu)形式無關(guān)。

本文通過仿真的手段，分析得出中子輻射情況下，F(xiàn)PGA發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的主要影響因素，為接下來進(jìn)行FPGA大氣中子輻射單粒子效應(yīng)的防護(hù)提供參考，具備一定的工程參考價值。