[发明专利]监控FPGA的单粒子翻转效应并纠正重加载的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及SRAM型FPGA在航天领域的应用领域，尤其涉及一种监控SRAM型FPGA在太空中是否发生单粒子翻转效应并纠正重加载的方法及系统。

背景技术

空间中充满了各种粒子，包括质子、电子、粒子、重离子等。这些粒子来自各个方面，包括地球俘获带、银河宇宙射线、太阳宇宙射线等，普遍具有非常强的穿透能力，很难被完全屏蔽。逻辑器件会受到由这些粒子而引起的辐射效应的影响，其中最重要的就是单粒子效应。这些粒子引起的辐射效应，尤其是单粒子效应(SEE，Single Event Effect)影响着空间电子仪器的可靠性。

单粒子效应是指当能量足够大的粒子射入集成电路时，由于电离效应，产生数量极多的电离空穴—电子对，引起半导体器件的软错误，使逻辑器件和存储器产生单粒子翻转，模拟器件产生单粒子瞬态脉冲，CMOS工艺器件产生单粒子闭锁，甚至出现单粒子永久损伤、栅穿及烧毁等现象。单粒子效应主要包括单粒子翻转以及单粒子闩锁。

由单粒子效应而引起存储单元中的位翻转，称为单粒子翻转(SEU)，该错误是SRAM型FPGA在高能粒子作用下的主要错误方式。另外一种主要的单粒子效应是单粒子闩锁(SEL)，是指高能带电粒子穿过CMOS电路的PN/PN结构时，电离作用会使CMOS电路中的可控硅结构被触发导通，由此在电源与地之间形成低电阻大电流通路的现象。

单粒子效应对航天器的危害已经产生了许多严重的后果，严重威胁着空间电子仪器中超大规模集成电路(VLSI)的可靠性。1989年10月19日的太阳质子事件期间，美国TDRS-l卫星的RAM存储器记录到239次单粒子翻转事件；我国“风云一号B”气象卫星于1990年9月发射后，星上姿控计算机受到高能粒子的作用，多次出现单粒子翻转，从而致使卫星姿态失控、卫星失效；美国MSTI和IRON9906卫星分别于1993年和1997年发生严重单粒子效应而提前结束寿命。1971年至1986年国外发射的39颗同步卫星资料异常情况统计显示，卫星异常状态记录中的71％是由空间辐射效应引起的，而单粒子效应故障占这类故障的55％。

随着制造工艺的提高，超大规模集成电路的特征尺寸越来越小，其栅长度、节点尺寸、深度、氧化层厚度等都相应减小，PN结临界电荷也大大下降。另一方面，VLSI工作频率越来越高，工作电压越来越低。这些变化都使它对单粒子效应表现出了更强的敏感性。

特征尺寸的减小增加了数字信号处理平台对单粒子效应的敏感性。当FPGA特征尺寸从500nm减小到90nm的时候，单粒子翻转截面的增量超过了一个数量级。

内核工作电压的降低增加了数字信号处理平台对单粒子效应的敏感性，SRAM工作电压从5V降低到2V，其单粒子翻转截面提高了近两个数量级。

工作频率的提高增加了数字信号处理平台对单粒子效应的敏感度，工作频率越高，数字信号处理器件的Cache、寄存器等存储单元的单粒子翻转截面也就越大。

PN结密度增加增大了数字信号处理平台的SEMU概率。由于超大规模集成电路PN结单粒子效应敏感区的减小和密度的增大，单个高能粒子可能直接影响两个甚至多个节点的敏感区，进而引发单粒子多位翻转(SEMU)。另外，超大规模集成电路PN结临界电荷的减小，质子可以直接引起单粒子效应甚至是SEMU。对于SRAM型FPGA来讲，抗单粒子效应设计更加紧迫。

但是，目前在我国，FPGA的应用存在两个严重问题：

第一，由于政治原因，高性能、高可靠性信号处理器件面临美国和欧洲航天大国的禁运，我国数字信号处理平台中高性能器件的进口受到限制，尤其是大规模、高等级的FPGA；

第二，限于制造工艺和技术等方面的原因，目前我国还没有自主研发的高性能辐射加固FPGA，普通工业级甚至是军品级的器件由于大量采用片上SRAM，受空间高能粒子影响发生单粒子效应的概率大大提高，严重影响器件的正常工作，这限制了它们在数字信号处理平台中的应用。

解决这两个问题需要一方面加强抗辐射的高性能数字信号处理器件的自主研发，另一方面加强高性能数字信号处理器件抗辐射加固设计方法的研究。

发明内容

本发明提供了一种监控SRAM型FPGA在太空中是否发生单粒子翻转效应并且进行纠正重加载的方法及系统，适用于SRAM型FPGA在太空中应用时进行可靠性增强设计，特别是对PCB布板面积有一定要求的场景。

一种监控FPGA的单粒子翻转效应并纠正重加载的系统，包括依次连接的FLASH存储芯片、反熔丝FPGA和SRAM型FPGA；