Xilinx FPGA抗輻射設計技術研究

FPGA的可編程I／O也容易受到輻射粒子的影響產生SEU和SEL(目前只發現三態腳在發生錯誤時可以變成輸出腳，還沒有發現I／O發生方向轉換(即輸入變成輸出或者輸出變成輸入)。輸入輸出腳的三倍冗余設計是一種非常有效的方法，尤其是對因為配置存儲器發生單粒子效應的情況下，但是這種方法需要占用三倍的I／O資源，所以設計的時候需要慎重考慮。
我們在FPGA內分多個區域，分別采用TMR設計，減小出錯概率。
3．3 防止關鍵電路SET引起的抖動
SET在時鐘電路或者其他數據、控制線上容易產生短脈沖抖動，這種抖動有可能會造成電路的誤觸發或者數據鎖存的錯誤。為了減少這種短脈沖抖動的影響，在設計時可采用如下方法：
(1)內部復位電路盡可能使用同步復位；
(2)控制線盡可能配合使能信號線使用；
(3)組合邏輯數據在鎖存時盡可能配合使能信號。
也就是說，盡量在觸發邏輯中配合另一個使能條件，這樣就可以屏蔽由SET產生的大部分抖動。
3．4 系統監控與重配置(Configuration Scrubbing)
在某些設計壽命不是很長的衛星中，COTS器件的應用已經成為可能，在類似的信號處理或者星務管理平臺中，采用一種金字塔形體系結構可以大大提高平臺的可靠性，有效地抵抗各種輻射效應引起的可恢復故障。
Actel高可靠性的反熔絲FPGA負責從非易失大容量存儲器中讀取Xilinx FPGA的配置數據對其進行配置，然后在運行期間，對最容易受輻射效應影響的配置存儲器按列進行讀操作，然后與標準數據進行比對，對出現錯誤的列進行局部重配置。
另外，也可以通過對回讀數據進行CRC校驗來檢驗配置存儲器是否出現錯誤。
對配置存儲器的回讀校驗和重配置(或局部重配置)是一種有效的抵抗輻射效應的方法。

Scrubbing通過部分重置刷新配置存儲器，通過連續重置修復SEU，Scrub速度至少十倍于最壞的SEU速度。可以通過兩條途徑來實現Scru-bbing，第一條途徑是回讀、比較、修復(closed-loop scrubbing))，第二條途徑是連續重置(open-loop scrubbing) 并不是所有的資源都可以被scrubbed的，比如SRL16s、LUT RAM、BRAM、BRAM data就不能被scrubbed，可以使用BRAM多模冗余或EDAC算法。
也并不是所有的資源都需要被scrubbed，大部分routing bits不需要scrubbed。

4 結論
文章結合實際工程實踐給出了解決常見的FPGA輻射失效問題的一些方法；對FPGA在電源輸入端使用限流電阻，信號處理板采用雙機冷備份，對于單粒子翻轉和鎖定均具有相應對策，如發生單粒子翻轉或鎖定只對單機的部分功能有影響，都可以通過切機或重新加電消除影響。本文給出的有關大規模可配置電子器件的設計方法可以為航天電子設備的設計提供參考。