FPGA单粒子效应研究及对策

"这篇文档是关于空间环境中FPGA（现场可编程门阵列）设备的单粒子效应（Single Event Effects, SEE），由NASA/GSFC的专家Melanie Berg等人撰写，于2015年在NASA电子零件和封装程序（NEPP）电子技术研讨会上发表。文档探讨了在航天应用中FPGA面临的单粒子效应问题，以及相关的防护技术和策略。" 在太空中，由于高能粒子的存在，FPGA设备可能会受到单粒子效应的影响。这些效应主要包括单粒子翻转（Single Event Upset, SEU）、单粒子锁定（Single Event Latch-up, SEL）和单粒子瞬变（Single Event Transient, SET）等，它们可能导致系统性能下降甚至失效。 1. **单粒子翻转（SEU）**：高能粒子撞击FPGA中的存储单元（如Block RAM或查找表LUT）时，可能改变其状态，导致数据错误。为减轻SEU的影响，可以采用内置自测试（BIST）和冗余设计，如分布式三模冗余（DTMR）、局部三模冗余（LTMR）和全局三模冗余（GTMR）。 2. **单粒子锁定（SEL）**：当粒子击中CMOS电路，可能导致电流突然增加，使设备进入锁定状态，需要外部复位才能恢复。预防措施包括选择低SEL敏感的工艺和电路设计，以及添加保护电路。 3. **单粒子瞬变（SET）**：粒子击中组合逻辑（CL）部分，产生瞬态脉冲，可能干扰信号传输。可以通过滤波器和错误检测与校正技术来减轻SET的影响。 4. **其他缩写词解释**： - BRAM：块随机访问内存，FPGA中的存储组件。 - BIST：内置自测试，用于检测和校验硬件故障。 - CMOS：互补金属氧化物半导体，常见的集成电路制造工艺。 - DUT：待测设备，指正在测试的FPGA。 - DSP：数字信号处理块，FPGA中用于执行数字信号处理任务的部分。 - I/O：输入/输出，设备与外部世界交互的接口。 - ICAP：内部配置访问端口，用于编程和配置FPGA。 - LET：线性能量转移，衡量粒子能量传递给材料的能力。 - JTAG：联合测试行动组，一种标准接口用于设备测试和调试。 5. **防护策略**：除了上述的冗余设计，还可以使用抗辐射加固的COTS（商业现成）器件，或者对FPGA进行辐射硬化设计，提高其在太空环境中的耐受性。同时，通过故障预测和健康监测系统，可以在问题发生前进行预警和预防。 这份文档深入分析了空间环境中FPGA的单粒子效应及其应对方法，对于航天工程和相关领域的设计师来说，是一份重要的参考资料。