萊迪思Nexus FPGA技術(shù)平臺(tái)在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中的優(yōu)勢

工業(yè)、汽車、通信、航空航天和安防市場對關(guān)鍵任務(wù)（Mission-critical）應(yīng)用的需求越來越大。如今，萊迪思NexusTM技術(shù)平臺(tái)為用于關(guān)鍵任務(wù)（Mission-critical）應(yīng)用的FPGA提供了絕對的優(yōu)勢。

引言（MPU vs.FPGA）

如今的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)可能要求相當(dāng)大的算力。一種計(jì)算解決方案就是采用微處理器單元（MPU），例如PC和工作站。盡管這種處理器看似很強(qiáng)大，但實(shí)際上它們只執(zhí)行簡單的任務(wù)，例如將兩個(gè)數(shù)字相加或者比較兩個(gè)數(shù)字的大小。同樣，它們看似很快，是因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘以2.4 GHz或者更高頻率運(yùn)行。

問題的關(guān)鍵在于，盡管MPU可以很好地處理決策任務(wù)，在執(zhí)行很多數(shù)據(jù)處理任務(wù)時(shí)就不那么高效了。因此， MPU在執(zhí)行此類任務(wù)時(shí)往往功耗更大，產(chǎn)生熱量更多。

在嵌入式應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)信號(hào)和數(shù)據(jù)處理的更有效方法是采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。FPGA受益于自身的并行架構(gòu)，能以低延遲并行執(zhí)行數(shù)據(jù)處理操作。正如專欄文章《FPGA基礎(chǔ)知識(shí)：FPGA是什么？為什么需要FPGA？》所述：“任何FPGA的核心都在于其可編程架構(gòu)，它以可編程邏輯模塊陣列的形式出現(xiàn)。每個(gè)邏輯模塊都包含多個(gè)要素：一個(gè)查找表（LUT）、一個(gè)多路開關(guān)和一個(gè)寄存器，所有這些都可以配置（編程）執(zhí)行用戶所需的功能。”

圖1 通用FPGA可編程架構(gòu)（圖片來源：Max Maxfield）

一種更為形象的描述方法是將可編程邏輯視為可編程互連這片“海洋”中的“島嶼”?？删幊踢壿嬆K組可以經(jīng)過配置執(zhí)行所需的邏輯功能，而可編程互連則將邏輯模塊相互連接，并且連接到主要的通用輸入/輸出接口（GPIO）。

需要注意的是，以上描述只是極端簡化的情況。除了可編程架構(gòu)之外，F(xiàn)PGA還可以包含相當(dāng)于數(shù)兆R(shí)AM的存儲(chǔ)模塊以及大量數(shù)字信號(hào)處理（DSP）單元。同樣，除了通用I/O外，F(xiàn)PGA還可以包括支持千兆位串行接口的高速SERDES模塊以及與外部存儲(chǔ)器連接的高速接口。

FPGA廣為人知的一個(gè)主要原因是其可編程邏輯可以配置為以大規(guī)模并行方式執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法，這不僅比MPU快幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而且功耗很低。此外，與算法“凍結(jié)在芯片中”的SoC不同，F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)可以隨時(shí)重新配置。此外，由于用戶IP由終端用戶自行編程， FPGA在制造時(shí)不包含任何用戶IP，這使得FPGA能夠在不受保護(hù)的供應(yīng)鏈中運(yùn)輸，而不會(huì)造成用戶IP被盜竊或篡改。這一點(diǎn)也和SOC及ASIC不同。因此，F(xiàn)PGA是包括工業(yè)機(jī)器人和通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備在內(nèi)的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)的理想選擇。

輻射的挑戰(zhàn)

為了拓展容量、提高性能、降低功耗和成本，每一代新芯片的晶體管都變得越來越小。如今芯片中制造的結(jié)構(gòu)大小僅為幾十納米（nm）（一納米等于一米的十億分之一）。這些結(jié)構(gòu)非常微小，可能會(huì)受到地球上輻射的影響。

此外，關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的系統(tǒng)一般都部署在持續(xù)高水平輻射的環(huán)境中，包括高緯度地區(qū)甚至太空。

對這類應(yīng)用而言，有兩種輻射效應(yīng)影響最為嚴(yán)重：單粒子效應(yīng)（SEE）和電離總劑量效應(yīng)（TID）。

SEE是指由單個(gè)電離粒子（電子、質(zhì)子、離子、光子等）在集成電路中引起的即時(shí)效應(yīng)。處理SEE需要在輻射發(fā)生時(shí)能夠快速恢復(fù)。相比之下，由于長期暴露在輻射下不斷累積，TID最終會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體晶格老化。典型的TID效應(yīng)包括晶體管開關(guān)閾值偏移、漏電流增加、性能下降以及最終導(dǎo)致功能故障。因此，解決TID需要長時(shí)間抵御輻射并能從中恢復(fù)。

單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）是SEE的一種情形，指高能粒子撞擊微電路中的敏感節(jié)點(diǎn)并引起狀態(tài)變化。例如，SEU可能導(dǎo)致寄存器單元或存儲(chǔ)單元從邏輯0翻轉(zhuǎn)為邏輯1或由到0。與TID引起的問題不同，SEU被定義為“軟錯(cuò)誤”，因?yàn)樗梢员恍Ｕ?/p>

圖2 時(shí)序邏輯中的單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）（圖片來源：Max Maxfield）

不幸的是，制程越來越先進(jìn)會(huì)導(dǎo)致多單元翻轉(zhuǎn)（MCU）的趨勢愈發(fā)嚴(yán)重。這意味著，由于芯片中的結(jié)構(gòu)排列非常緊密，SEU實(shí)際上可能會(huì)使多個(gè)存儲(chǔ)元件發(fā)生邏輯翻轉(zhuǎn)。此外，多位翻轉(zhuǎn)（MBU）是指一種在同一數(shù)據(jù)字或幀內(nèi)出現(xiàn)的MCU，可能會(huì)對系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力產(chǎn)生負(fù)面影響。

SEE的另一種形式是單粒子瞬態(tài)（SET），它是指輻射粒子影響一部分組合邏輯而形成脈沖（也稱為毛刺或尖峰）。

圖3 組合邏輯中的單粒子瞬態(tài)（SET）（圖片來源：Max Maxfield）

SET本身并不會(huì)造成太大問題，因?yàn)橥ǔＴ谙到y(tǒng)其他部分檢測到之前，它就已經(jīng)消失了。話雖如此，如果SET恰好發(fā)生在錯(cuò)誤的時(shí)間，則可能在時(shí)鐘信號(hào)控制下進(jìn)入寄存器元件或存儲(chǔ)單元中，這時(shí)它就會(huì)變?yōu)镾EU。

另一個(gè)潛在的問題是單粒子鎖定（SEL），SEE會(huì)可能導(dǎo)致CMOS電路的電源和接地軌之間產(chǎn)生低阻抗通路（實(shí)際是短路）。如果發(fā)生這種情況，則需要立即對設(shè)備重啟（關(guān)閉電源然后再打開），防止對其造成嚴(yán)重?fù)p壞。不言而喻，在許多情況下重啟關(guān)鍵任務(wù)設(shè)備的電源可能會(huì)造成很多問題。

對于FPGA還需要進(jìn)一步考慮。FPGA除了寄存器元件和RAM單元之外，還包括用于配置可編程邏輯塊的配置單元、可編程互連和可編程通用I/O。并且不同的FPGA采用的配置單元技術(shù)也不盡相同。

萊迪思提供基于SRAM的全新器件，該器件采用萊迪思Nexus FPGA技術(shù)平臺(tái)開發(fā)，為實(shí)現(xiàn)用于執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的先進(jìn)系統(tǒng)提供了絕對的優(yōu)勢。

Nexus技術(shù)平臺(tái)

萊迪思的Nexus技術(shù)平臺(tái)基于28納米FD-SOI工藝，為FPGA市場提供了巨大的差異化優(yōu)勢。

FD-SOI工藝直接帶來兩大重要優(yōu)勢。首先，由于采用全耗盡型工藝，因此芯片本身具有很強(qiáng)的抗輻射能力。FD-SOI本質(zhì)上不受單粒子鎖定的影響，這意味著在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用下無需停機(jī)，而通常則需要重啟電源才能解除這種狀態(tài)。

第二個(gè)值得注意的優(yōu)勢是靈活性。通過改變基底的偏壓，用戶可以選擇采用高性能（HP）還是低功耗（LP）模式運(yùn)行。此外，可以通過程序控制讓系統(tǒng)在兩個(gè)模式下實(shí)時(shí)切換。

例如我們之前已經(jīng)討論過，當(dāng)輻射以高能粒子的形式穿過寄存器元件或存儲(chǔ)器單元時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)，使半導(dǎo)體材料電離（產(chǎn)生電荷），形成短暫的電流脈沖。這種脈沖可能足以干擾到存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

觀察如圖4（a）所示的bulk CMOS工藝。輻射（紅色箭頭）穿過芯片生成一條電離路徑，隨之留下正負(fù)電荷。這些電荷隨后在入射點(diǎn)處聚集（藍(lán)色箭頭）。

(a) Bulk CMOS工藝

(b) FDSOI工藝

圖4 SEU對Bulk CMOS工藝（a）和FD-SOI工藝（b）的影響比較

相比之下，我們再來觀察如圖4（b）所示的FD-SOI工藝。在此情況下，由于氧化物層（黃色）下方的任何電荷都無法在敏感節(jié)點(diǎn)處聚集，因此，該氧化物層可以將生成的電荷隔離開來。較少的電荷意味著瞬態(tài)電流脈沖也較弱，也就不太可能使寄存器元件或存儲(chǔ)單元發(fā)生故障。

之前提到的另一個(gè)潛在問題就是MCU和MBU，這兩種情況下單個(gè)粒子可能破壞多個(gè)存儲(chǔ)元件。在如圖5（a）所示的Bulk CMOS工藝下，輻射（紅色箭頭）穿過芯片生成一條電離路徑，隨之留下正負(fù)電荷。除了在入射節(jié)點(diǎn)處聚集（藍(lán)色箭頭）外，這些電荷還可能在相鄰節(jié)點(diǎn)處聚集（紫色箭頭），從而導(dǎo)致MCU或MBU。

(a) Bulk CMOS工藝   (b) FDSOI工藝

圖5 Bulk CMOS工藝（a）容易受到MCU和MBU的影響，而FD-SOI工藝（b）可以防止這些干擾

相比之下，我們來考察一下圖5（b）所示的FD-SOI工藝。除了將入射節(jié)點(diǎn)與大部分生成的電荷隔離開外，掩埋的氧化物層（黃色）還極大地縮小了每個(gè)單元的敏感區(qū)域，讓單個(gè)粒子軌跡很難影響到多個(gè)數(shù)據(jù)位，從而大幅減少了MCU和MBU的發(fā)生。

關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員通常使用FIT（故障率）的概念。器件的FIT是指器件在十億（109）個(gè)小時(shí)的運(yùn)行中可以預(yù)期的故障次數(shù)（例如，一個(gè)器件運(yùn)行十億小時(shí)，1000個(gè)器件每個(gè)運(yùn)行100萬小時(shí)，一百萬個(gè)器件每個(gè)運(yùn)行1000小時(shí)，以此類推）。

就28納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)下采用Bulk CMOS工藝的FPGA而言，其FIT約為100。相比之下，同樣是28納米制程，采用Nexus平臺(tái)FD-SOI工藝的萊迪思FPGA其FIT僅為1。這意味著Nexus平臺(tái)就將FIT降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。基于Nexus平臺(tái)的FPGA（例如Lattice CrossLink?-NX）提供了詳細(xì)的SEU描述報(bào)告，可用于估算輻射效應(yīng)導(dǎo)致的故障率。

Nexus平臺(tái)憑借自身優(yōu)勢，讓基于該技術(shù)的FPGA真正脫穎而出，更好地服務(wù)于醫(yī)療、汽車、安防等領(lǐng)域。然而這僅僅是開始，因?yàn)槿R迪思的使命是將FIT降低到幾乎為零，這可以通過強(qiáng)化FD-SOI工藝以及下面討論的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

萊迪思Nexus FPGA

糾錯(cuò)碼（ECC）存儲(chǔ)器是一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，它可以檢測和校正任何內(nèi)部數(shù)據(jù)損壞，例如由輻射引起的數(shù)據(jù)損壞。由于SEU被稱為“軟錯(cuò)誤”，從而有了軟錯(cuò)誤檢測（SED）和軟錯(cuò)誤校正（SEC）的概念。

同時(shí)，內(nèi)存刷洗（Memory Scrubbing）是指從每個(gè)存儲(chǔ)位置讀取數(shù)據(jù)，使用糾錯(cuò)碼校正位錯(cuò)誤（如果有），然后將校正后的數(shù)據(jù)寫回到同一位置。內(nèi)存刷洗通常用于關(guān)鍵任務(wù)和安全系統(tǒng)以及易受高輻射環(huán)境影響的系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)人員通常必須自己來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存刷洗功能，但這會(huì)消耗寶貴的可編程邏輯資源。相比之下，Nexus FPGA已經(jīng)包括了專用的IP模塊，能夠在后臺(tái)自動(dòng)執(zhí)行基于ECC的內(nèi)存刷洗功能。 

此外，Nexus FPGA在配置存儲(chǔ)器中還內(nèi)置了SED/SEC模塊，從而在不需要外部電路的情況下逐幀進(jìn)行快速檢測和錯(cuò)誤校正。盡管此類錯(cuò)誤很少見，但理論上仍是有可能的。如果輻射以某種方式導(dǎo)致配置單元狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，此專用IP會(huì)將其翻轉(zhuǎn)回去。

因此在萊迪思Nexus FPGA中尚未觀察到不可糾正的SEU。底層工藝將理論FIT降低為1，這意味著仍有可能會(huì)遇到數(shù)位發(fā)生錯(cuò)誤的情形，但受到影響的數(shù)位幾乎會(huì)立即恢復(fù)正常。

雖然如此，但依然可能出現(xiàn)內(nèi)部SED/SEC引擎可能無法糾正錯(cuò)誤的情況。第一種情況是出現(xiàn)多個(gè)單獨(dú)的SEU，其中兩個(gè)或多個(gè)粒子隨機(jī)擾亂同一數(shù)據(jù)幀內(nèi)的多個(gè)數(shù)位。第二情況是出現(xiàn)MBU，單個(gè)粒子使同一數(shù)據(jù)幀內(nèi)的兩個(gè)或多個(gè)數(shù)位出現(xiàn)異常。

在分析Nexus平臺(tái)抵御MCU和MBU輻射影響時(shí)，要特別注意觀察這些效應(yīng)。這些測試證實(shí)了上述技術(shù)優(yōu)勢，表明單個(gè)粒子很少會(huì)影響到多個(gè)單元。此外，由于萊迪思的存儲(chǔ)器陣列設(shè)計(jì)，所有觀察到的MCU都出現(xiàn)在不同的數(shù)據(jù)幀中，從而可以通過SED/SEC引擎進(jìn)行校正。

除了使用真實(shí)輻射源測試Nexus FPGA外，這些器件還提供能讓系統(tǒng)開發(fā)人員自行注入模擬輻射的機(jī)制。實(shí)際上，開發(fā)人員可以同步或異步輸入單位和多位錯(cuò)誤。通過這些機(jī)制，開發(fā)人員可以驗(yàn)證內(nèi)存刷洗功能和SED/SEC引擎的運(yùn)作，以及器件是否正常運(yùn)行并生成正確的數(shù)據(jù)，這樣可以確保器件和設(shè)計(jì)即便處于輻射密集的惡劣環(huán)境中也能夠按預(yù)期工作。

結(jié)論

與所有電子元件一樣，F(xiàn)PGA可能會(huì)受到輻射的負(fù)面影響，隨著芯片中結(jié)構(gòu)的不斷縮小，這種影響也變得更加明顯。萊迪思Nexus技術(shù)平臺(tái)基于28納米FD-SOI工藝，能讓用戶選擇高性能或低功耗模式運(yùn)行，并通過程序控制實(shí)時(shí)做出更改。此外，由于FD-SOI工藝本身具有抗輻射性，因此其故障率FIT僅為1，與同一技術(shù)節(jié)點(diǎn)下的標(biāo)準(zhǔn)CMOS FPGA相比，提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

出于以上原因，萊迪思Nexus FPGA非常適合用于商業(yè)、工業(yè)、通信、安防和汽車等領(lǐng)域的關(guān)鍵任務(wù)和安全應(yīng)用。