基于億門級UltraScale+架構FPGA 的單粒子效應測試方法

謝文虎，鄭天池，季振凱，楊茂林

（無錫中微億芯有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

現場可編程門陣列（FPGA）電路具有規模大、集成度高、處理速度快及編程靈活等優點，在航空航天領域得到廣泛應用。由于空間輻照及高能粒子的存在，靜態隨機存儲（SRAM）型FPGA 在進行空間作業時會出現單粒子效應（SEE），造成器件功能異常乃至燒毀[1-2]。輻照領域的學者針對SEE 已經建立起可靠的模型并提出輻照加固方法，然而新工藝技術的引入勢必會引發新的難題，尤其是當工藝尺度逼近摩爾定律極限時。

空間作業電子系統在追求高性能、低工藝尺寸及低功耗的同時，需考慮晶體管單位分布密度增大引發翻轉閾值下降及單粒子翻轉（SEU）現象增多等瓶頸問題[3]。2021 年于慶奎等人對65 nm 的SRAM 型芯片進行單粒子試驗，結果表明在重離子輻照下電路的翻轉閾值為0.31 MeV·cm2·mg-1，低于0.15 μm、0.12 μm 工藝器件的翻轉閾值[4]。這是由于低能質子及高能粒子在電離過程中會同時引發翻轉，且隨著先進納米工藝的引入后者所占的比率在逐漸增大[5]。晶體管特征尺寸減小還會引發區域SRAM 單元之間共享電荷現象增多，進而增大多位翻轉（MBU）的幾率及影響范圍[6]。2009 年DAVID 等人對45 nm SRAM 芯片進行SEU試驗并研究MBU 的發生趨勢，結果表明45 nm 和65 nm 的SRAM 芯片上SEU 截面中的單位翻轉（SBU）大致相同，其MBU 從65 nm 的1.6%增加到45 nm 的6%[7]。這說明隨著加工工藝的提升，MBU 幾率逐漸顯著，需要針對該現象建立新的甄別算法，且與SBU 不同，MBU 的出現無法通過誤差校正碼（ECC）技術消除，嚴重影響其在空間環境中的飛行可靠性。……