FPGA多程序動態(tài)老煉系統(tǒng)設(shè)計

季振凱，謝文虎

（無錫中微億芯有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著市場需求和技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA規(guī)模呈指數(shù)增長，目前國內(nèi)已經(jīng)能夠研制億門級FPGA產(chǎn)品，超大規(guī)模集成電路由于隨機(jī)的制造缺陷導(dǎo)致的各類偶發(fā)缺陷將無法避免[1]。FPGA制造過程中產(chǎn)生的偶發(fā)缺陷通常會導(dǎo)致器件功能異常，90%以上表現(xiàn)為固定缺陷，稱之為質(zhì)量缺陷，可通過圓片測試、初始電測試剔除；少部分表現(xiàn)為初始正常，工作一定時間后，異常缺陷放大，然后表現(xiàn)出功能異常，這種缺陷稱為潛在缺陷。由于潛在缺陷的不可預(yù)測性，提供有效的方法激發(fā)集成電路潛在缺陷、剔除早期失效產(chǎn)品，是高可靠集成電路設(shè)計和制造領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。

剔除早期失效電路的方法是進(jìn)行電路靜態(tài)老煉或動態(tài)老煉試驗[2]。靜態(tài)老煉只施加電應(yīng)力和溫度應(yīng)力，可誘發(fā)與雜質(zhì)污染相關(guān)的潛在缺陷[2]。動態(tài)老煉需在靜態(tài)老煉的基礎(chǔ)上增加激勵信號，使電路內(nèi)部邏輯資源發(fā)生翻轉(zhuǎn)，提高老煉應(yīng)力，激發(fā)潛在缺陷。

國外對FPGA老煉的研究較早，美國NASA發(fā)表了SRAM型FPGA老煉試驗報告[3]，詳細(xì)地介紹了商用SRAM型FPGA老煉試驗系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計和試驗原理圖。加州理工學(xué)院和加利福尼亞州立大學(xué)發(fā)表了針對宇航級FPGA的老煉方法[4]，提出宇航級FPGA與普通器件的差異，并設(shè)計了相應(yīng)的測試向量和檢錯方法。國內(nèi)對FPGA老煉的研究也取得了較大進(jìn)步，中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所郁振華和朱衛(wèi)良發(fā)表了針對FPGA電路的動態(tài)老煉技術(shù)，是針對靜態(tài)老煉的提升，可提高FPGA老煉應(yīng)力[5]；北京微電子技術(shù)研究所王茉針對高可靠FPGA提出了老煉系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案[6]，老煉程序覆蓋了FPGA所有IO的一種電平模式，以及通過移位寄存器實現(xiàn)部分資源的覆蓋。

目前國內(nèi)外對FPGA老煉的研究集中在老煉方法設(shè)計、單段老煉程序設(shè)計和老煉激勵設(shè)計。但FPGA規(guī)模越來越大，單段程序的動態(tài)老煉試驗資源覆蓋率越來越低，存在絕大部分資源未被施加老煉應(yīng)力的問題。針對該問題，本文提出一種多程序動態(tài)刷新老煉系統(tǒng)以及高覆蓋率老練程序設(shè)計方法，通過多段老煉程序循環(huán)刷新的方式提高FPGA的老煉覆蓋率。

2 老煉理論依據(jù)

2.1 FPGA失效和時間的關(guān)系

FPGA壽命周期中失效率和其他集成電路類似，符合經(jīng)典“浴盆曲線”（或“浴盤曲線”）理論[7]，集成電路失效“浴盆曲線”如圖1所示。

圖1 集成電路失效“浴盆曲線”

根據(jù)失效概率，F(xiàn)PGA壽命周期可劃分為3個失效期，分別是早期失效期、偶然失效期以及耗損失效期[8]，每個階段表現(xiàn)出不同的特征。

（1）早期失效

早期失效階段的失效原因是設(shè)計缺陷、原材料缺陷或制造過程偶發(fā)缺陷[9-10]。該階段發(fā)生失效的概率與時間的關(guān)系符合韋布爾分布[11]。

（2）偶然失效期

偶然失效期也稱為使用期或隨機(jī)失效期，F(xiàn)PGA產(chǎn)品進(jìn)入偶然失效期后失效概率將趨于穩(wěn)定且降至最低，偶然失效期是產(chǎn)品狀態(tài)最好的階段。發(fā)生偶然失效主要原因是質(zhì)量缺陷、材料缺陷、環(huán)境過于惡劣或使用方式不當(dāng)?shù)萚9-10]。偶然失效期的失效概率與時間的關(guān)系符合指數(shù)分布[7]。

（3）損耗失效期

電路長期使用將造成FPGA電路老化和過度損耗，F(xiàn)PGA電路失效概率在此階段開始快速上升，電路失效的內(nèi)在原因是金屬化電遷移和熱載流子效應(yīng)。損耗失效期的失效概率和時間關(guān)系符合對數(shù)正態(tài)分布[11]。

2.2 FPGA老煉的意義和理論依據(jù)

通過環(huán)境應(yīng)力篩選、老煉等措施，可剔除早期失效產(chǎn)品，同時加速集成電路老化，使集成電路盡早進(jìn)入低失效率的偶然失效期。

老煉試驗的理論依據(jù)是經(jīng)典反應(yīng)速率理論，即當(dāng)外界的電、熱等應(yīng)力增加時，器件會加速老化[12]。老煉對集成電路壽命周期的影響如圖2所示，在正常使用條件下，F(xiàn)PGA器件需要幾千小時進(jìn)入偶然失效期，如果對器件進(jìn)行老煉，器件可在幾十個小時后進(jìn)入偶然失效期。

圖2 老煉對集成電路壽命周期的影響

在FPGA的老煉試驗中，頻率和電壓采用正常工作的條件，主要以溫度作為加速變量。硅集成電路在以溫度為加速應(yīng)力條件下的加速因子數(shù)據(jù)可通過Arrhenius經(jīng)驗公式計算：

其中，T1、T2為開氏溫度，t1、t2分別為T1、T2產(chǎn)生相同退化量對應(yīng)的時間，t1/t2為加速因子；K為玻爾茲曼常量，K=8.62×10-5eV/K；Ea為缺陷激活能，可取0.403 eV。

根據(jù)式（1），電路在高溫125℃條件下老煉72 h等效于在25℃下老化154天。

3 多程序動態(tài)老煉系統(tǒng)設(shè)計

多程序動態(tài)老煉系統(tǒng)的設(shè)計主要包含老煉系統(tǒng)軟硬件設(shè)計以及被老煉FPGA的老煉程序開發(fā)。

3.1 老煉系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

根據(jù)整體方案需求，設(shè)計了如圖3所示的多程序動態(tài)老煉系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由兩部分組成，一部分為工位板，另一部分為驅(qū)動板，工位板位于高溫箱內(nèi)部，驅(qū)動板位于外部，兩部分采用專門的連接件連接。

圖3 多程序動態(tài)老煉系統(tǒng)整體功能框圖

工位板的功能是承載被老煉FPGA電路，該P(yáng)CB板只包含F(xiàn)PGA安裝插座以及相應(yīng)的阻容器件。工位板FPGA采用被動串行配置，每一個FPGA需要至少4根信號線（CCLK，DIN，INIT，PROGRAM）用于配置，每一塊老煉板上有12個FPGA工位，由于CCLK、DIN、PROGRAM為輸入信號，INIT在完成初始前為低，完成初始化后為高阻態(tài)，以上信號可以直接互連且不損傷端口，為了減少端口數(shù)量，多個器件可共享一個來自驅(qū)動板的信號，工位板信號共享示意圖如圖4所示。除配置信號外，還需要激勵信號，激勵信號采用與配置信號相同的連接方式。

圖4 工位板信號共享示意圖

軟件設(shè)計主要體現(xiàn)在驅(qū)動板，驅(qū)動板功能是向工位板FPGA發(fā)送配置信號和激勵信號，該板主要由能夠控制信號輸入輸出的FPGA、能夠存儲所有老煉文件的存儲器、能夠增強(qiáng)FPGA輸出信號驅(qū)動能力的驅(qū)動電路（如164245等）以及能夠提供工位FPGA工作電壓的電源芯片組成。驅(qū)動板的信號傳輸流程為：存儲器存儲工位板FPGA的配置文件由驅(qū)動FPGA讀出，經(jīng)過總線驅(qū)動電路后發(fā)送給工位板并對工位板FPGA進(jìn)行配置，完成配置后對工位板發(fā)送激勵信號。驅(qū)動板的電路連接圖如圖5所示。

圖5 驅(qū)動板電路連接圖

3.2 老煉程序設(shè)計

實現(xiàn)高覆蓋率老煉系統(tǒng)的重點工作內(nèi)容是老煉程序的設(shè)計，需要針對不同的器件單獨(dú)開發(fā)，老煉程序的開發(fā)包括功能模塊和布線資源的設(shè)計，實現(xiàn)對BLOCK RAM、CLB、IOB、DSP、時鐘管理模塊以及開關(guān)和互連線資源的覆蓋。老煉程序采用內(nèi)建自測試（同一個器件同時實現(xiàn)信號發(fā)生模塊和信號測試模塊的功能）的設(shè)計方式，老煉系統(tǒng)通過檢測電路輸出的信號判斷電路邏輯正確性，老煉程序使用4個端口輸入，并在固定的3個端口輸出自測試結(jié)果。

3.2.1可編程邏輯塊老煉程序設(shè)計

FPGA電路包含大量可編程邏輯塊（CLB）。每個CLB由2個或4個Slice組成，每個Slice包含4輸入或6輸入查找表、選擇器、進(jìn)位邏輯以及寄存器等功能模塊。CLB內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單段程序無法實現(xiàn)對CLB各個功能塊的覆蓋。在設(shè)計多段老煉程序時，為提高程序覆蓋效率，首先應(yīng)進(jìn)行模塊劃分，將能夠在同一個程序中實現(xiàn)的模塊劃分成一類，功能模塊劃分如表1所示。

表1 功能模塊劃分

CLB老煉程序采用調(diào)用原語的方式實現(xiàn)，然后進(jìn)行位置約束。根據(jù)資源復(fù)雜程度的差異，部分模塊需要多段老煉程序。以MULT_AND老煉程序為例，MULT_AND一共4段程序，分別覆蓋器件上半部分CLB.S0、CLB.S1和下半部分CLB.S0、CLB.S1，主要老煉Slice內(nèi)部進(jìn)位鏈的與門MULT_AND功能塊，圖6、7分別為MULT_AND上半部分CLB.S1老煉程序部分原語代碼和部分UCF約束代碼。

圖6 MULT_AND老煉程序原語

圖7 MULT_AND老煉程序約束語句

表2為MULT_AND老煉程序的資源占用情況，根據(jù)表2的統(tǒng)計，單個代碼Slice占用率是77%，其中50%的Slice為實現(xiàn)老煉覆蓋被約束在器件的上半部分，另外27%是為實現(xiàn)內(nèi)建自測試消耗的資源。因為單段程序只涉及單一資源，內(nèi)部觸發(fā)器和LUT的占用比例較低，但多個程序疊加能夠完成對CLB的100%覆蓋。

表2 MULT_AND老煉程序資源占用情況

3.2.2 BRAM、DSP和時鐘單元等硬核模塊老煉程序設(shè)計

BRAM、DSP和時鐘單元等硬核模塊為黑盒子模塊，老煉程序設(shè)計較為簡單，只需要根據(jù)BRAM和DSP的各種工作模式進(jìn)行窮舉調(diào)用。以BRAM老煉程序設(shè)計為例，BRAM初始化值為全0，采用March C+算法，覆蓋所有位寬，覆蓋A寫A讀、A寫B(tài)讀、B寫A讀、B寫B(tài)讀即可。

3.2.3開關(guān)和互連線老煉程序設(shè)計

FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)高度靈活性的原因在于FPGA包含了大量的開關(guān)和互連線資源，這種優(yōu)勢也給老煉程序的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)，開關(guān)和互連線老煉程序采用xdl語言設(shè)計，首先生成xdl文件，然后通過xdl文件生成位流文件。這種方法不需要約束文件，可以完全根據(jù)設(shè)計人員的需要定制老煉程序，具有覆蓋率高的優(yōu)點，但需要了解FPGA內(nèi)部所有互連節(jié)點的分布和命名規(guī)則。圖8是單倍線xdl代碼截圖（部分）。

圖8 單倍線xdl代碼（部分）

根據(jù)布線資源跨越CLB數(shù)量的不同，至少需將互連線的設(shè)計分為3類：單倍線（連接相鄰開關(guān)矩陣不跨越任何CLB的布線）、六倍線（通過一個開關(guān)矩陣跨越5個CLB與另一個開關(guān)矩陣相連的布線）和全局長線（貫穿整個FPGA的CLB陣列，具有最小延時的布線），且需覆蓋開關(guān)矩陣內(nèi)部的可編程互聯(lián)點PIPs（Programmable Interconnect Points）。

3.3 老煉系統(tǒng)工作流程

工位FPGA采用被動串行配置，老煉系統(tǒng)工作流程由以下步驟構(gòu)成：

（1）將需要的若干段老煉程序（測試程序移植和減端口改造）以BIN文件的形式寫入到驅(qū)動板的存儲器中；

（2）工位板和驅(qū)動板上電后，驅(qū)動板向老煉板發(fā)送配置時鐘信號CCLK和配置信號DIN，實現(xiàn)對FPGA的從串模式配置；

（3）完成第一段全部的配置數(shù)據(jù)寫入后，保持CCLK電平不變；

（4）驅(qū)動板根據(jù)當(dāng)前寫入的配置程序，給予相應(yīng)的激勵；

（5）在等待特定的時間后（300~600 s），PROGRAM發(fā)低脈沖，等待INIT為高后，重新寫入新的老煉程序；

（6）重復(fù)2~5步，周而復(fù)始，實現(xiàn)多老煉程序的動態(tài)刷新。

4 覆蓋率統(tǒng)計和對比

目前已經(jīng)在多個FPGA產(chǎn)品中實現(xiàn)了動態(tài)老煉系統(tǒng)，以某型30萬門FPGA為例，老煉程序共148段，可實現(xiàn)所有硬核資源以及絕大部分開關(guān)和互連線資源的覆蓋。通過專用軟件統(tǒng)計148段老煉程序綜合資源覆蓋率并與原來的單段老煉程序?qū)Ρ?，老煉資源覆蓋率對比結(jié)果如表3所示。

表3 老煉資源覆蓋率對比

①只覆蓋了16位數(shù)據(jù)位寬和真雙端口讀寫模。

②I/O使用率能夠達(dá)到100%，但是I/O內(nèi)部資源覆蓋率只有10%~20%。

對比結(jié)果表明，采用多段程序刷新的方式對電路進(jìn)行老煉，可顯著提高老煉覆蓋率。

5 結(jié)束語

FPGA制造過程中產(chǎn)生的潛在缺陷會導(dǎo)致器件出現(xiàn)早期失效，老煉試驗的意義在于通過加速電路老化使集成電路快速進(jìn)入失效率低且相對穩(wěn)定的偶發(fā)失效期。由于FPGA結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單段動態(tài)老煉程序并不能使絕大部分邏輯資源進(jìn)入動態(tài)老煉狀態(tài)，達(dá)不到使器件進(jìn)入偶發(fā)失效期的目的，可能使器件潛在缺陷無法暴露，通過多段程序刷新的老煉方法可彌補(bǔ)上述缺陷，實現(xiàn)更高的老煉覆蓋率。