主控芯片CPU/FPGA存儲及單粒子翻轉(zhuǎn)科普

前言

每一次神舟載人飛船和SpaceX衛(wèi)星的發(fā)射升空，都能吸引眾多人關(guān)注。對于這些神秘的航天飛信器，你知道它們的信息都是怎么處理的嗎？航天飛行器信息的處理依靠CPU/FPGA，而指令的執(zhí)行則憑借存儲器。目前市場上大多數(shù)售賣主芯片的廠商都是靠存儲器起家的。Excelpoint世健公司的工程師Wolfe Yu在此對存儲的分類以及它們各自的優(yōu)劣進行了科普介紹。

半導(dǎo)體存儲器功能分類

半導(dǎo)體存儲器是一種能存儲大量二進制信息的半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體存儲器種類很多，一般按功能來分，可以分為只讀存儲器(ROM)和隨機存儲器(RAM)。

ROM結(jié)構(gòu)簡單，斷電以后數(shù)據(jù)還保留著；重新上電，讀出來的數(shù)據(jù)還能恢復(fù)成原來的樣子。

圖1 ROM重新上電信息保留

RAM就不一樣了，每次上電之后，上一次的信息無法保留。

圖2 RAM重新上電信息丟失

只讀存儲器（ROM）

只讀存儲器主要分為掩膜存儲器、可編程存儲器（PROM）、電可擦寫可編程存儲器（EEPROM）和Flash等等。

早期只讀存儲器一覽

掩膜只讀存儲器：定制產(chǎn)品，按照用戶要求來，內(nèi)部數(shù)據(jù)在出廠時就被設(shè)定好，后續(xù)無法修改。

可編程只讀存儲器：也叫“反熔絲”，比掩膜存儲器高級點，出廠時可以燒寫一次，但如果燒錯了，只好作廢換下一個。

EEPROM（E2PROM）：為了重復(fù)利用，這代產(chǎn)品首先研究了第一代通過紫外線擦除的EPROM產(chǎn)品。這代產(chǎn)品是將電荷通過浮柵雪崩注入MOS管（FAMOS）、或者疊柵雪崩注入MOS管（SIMOS），通過雪崩效應(yīng)編程。這種產(chǎn)品擦出復(fù)雜，而且擦寫速度很慢。

后來經(jīng)過改良升級，改采用浮柵隧道氧化層MOS管注入，取名“EEPROM”，也稱作“E2PROM”。為了提高擦寫可靠性，并保護隧道氧化層，EEPROM還會再加一個選通管。程序讀寫時，主要通過字線和位線施加脈沖來實現(xiàn)操作。

圖3 掩膜存儲器、反熔絲存儲器、EEPROM一覽

快閃存儲器（Flash Memory）

快閃存儲器Flash是在EPROM和EEPROM的基礎(chǔ)上做了一些改進，它采用一種類似于EPROM的單管疊柵結(jié)構(gòu)的存儲單元，只用一個單管來實現(xiàn)。

圖4  Flash存儲器單元結(jié)構(gòu)

快閃存儲器Flash的結(jié)構(gòu)與EPROM的SIMOS管類似，主要差異為浮柵與襯底氧化層的厚度不同，下圖是一個Flash的疊柵MOS管結(jié)構(gòu)。

圖5 普通Flash的疊柵MOS管結(jié)構(gòu)

快閃存儲器究竟是怎么保存數(shù)據(jù)的呢？Flash擦寫是通過改變浮柵上的電荷來實現(xiàn)的。寫入時，漏極經(jīng)過位線接正壓，并將襯底接地，在字線上加脈沖高壓（18~20V），源級和漏極之間會發(fā)生雪崩擊穿，部分電子會穿過氧化層到達浮柵，形成浮柵充電電荷。

擦除即是將電子從浮柵移出來實現(xiàn)。擦除時，將字線接地，同時，在P阱和N襯底上偏置一個正的脈沖高電壓（約20V）。這時，浮柵上面的電荷又會通過隧道效應(yīng)被移出。

讀取Flash時，一般在字線加正常邏輯電平（一般3.3V或者5V），源級接地，當(dāng)浮柵上存在電荷時，MOS管截止，輸出1狀態(tài)信號。反之，浮柵上沒有電荷，MOS管導(dǎo)通，輸出0狀態(tài)信號。

圖6 Flash單元擦寫示例

Flash過擦除（Over Erase）

快閃存儲器的本質(zhì)是存儲陣列，通過對浮柵上的電荷與字線邏輯電平作比較來判斷的。以Nor Flash為例。按照正常的工作方法，字線工作，會加正常邏輯（3.3V或5V）；字線不工作，通常是懸空或者輸入0V電平。

正常情況，當(dāng)字線不工作時，無正常邏輯（3.3V或5V）施壓到柵極，不論浮柵上有無電荷，MOS管都要求截止。

如果Flash出現(xiàn)過擦除，這時，浮柵上會表現(xiàn)為高壓，輸出電壓值不確定。如果電壓值剛好能使該單元的MOS管導(dǎo)通，此時，無論選擇哪個字線，該位線的讀值都是0V，從而影響其他單元的讀寫，這被稱為“單元泄露”。因此，為了讓Flash避免過擦除，對擦除的時候會非常小心，從而讓擦除時間變長。

圖7 Nor Flash操作示意圖

超級快閃存儲器（SuperFlash^?）

前面提到，快閃存儲器的功能很強大，但擦除速度太慢。針對這一問題，Wolfe Yu介紹了世健代理的Microchip旗下SST發(fā)明的一種全新超級快閃存儲SuperFlash^?技術(shù)。

圖8 SuperFlash^?閃存的疊柵MOS管結(jié)構(gòu)

在SuperFlash閃存中，控制柵被分成兩部分，只覆蓋一部分浮柵，它可以直接控制流入漏極的電流。

過度擦除留下的正電荷會產(chǎn)生單元泄漏路徑，導(dǎo)致閃存無法正確讀取數(shù)據(jù)。對于SuperFlash閃存來說，由于控制柵直接管理漏極邊緣，過度擦除無法使浮柵的泄漏路徑的達到漏極。所以，SuperFlash閃存不會考慮過度擦除問題，相對來說，擦除時間就會短很多。

隨機存儲器（RAM）

隨機存儲器，可以隨時隨地讀寫數(shù)據(jù)，讀寫方便，操作靈活。但是，RAM存在數(shù)據(jù)易失性的缺點。RAM主要分為動態(tài)隨機存儲器DRAM和靜態(tài)存儲器SRAM兩大類。

動態(tài)隨機存儲器（DRAM）一覽

動態(tài)隨機存取存儲器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）是一種半導(dǎo)體存儲器，主要的作用原理是利用電容內(nèi)存儲電荷來代表一個二進制比特（bit）。由于在現(xiàn)實中晶體管會有漏電電流的現(xiàn)象，導(dǎo)致電容上所存儲的電荷數(shù)量無法判別數(shù)據(jù)，從而造成數(shù)據(jù)毀損，因此DRAM需要周期性地充電。由于這種定時刷新的特性，因此被稱為“動態(tài)”存儲器。

圖9 DRAM結(jié)構(gòu)示意圖

靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）

靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random Access Memory，SRAM）是在靜態(tài)觸發(fā)器的基礎(chǔ)上構(gòu)成，靠觸發(fā)器的自保功能存儲數(shù)據(jù)。

SRAM的存儲單元用六只N溝道MOS管組成，其中四個MOS管組成基本RS觸發(fā)器，用于記憶二進制代碼；另外兩個做門控開關(guān)，控制觸發(fā)器和位線。

圖10 SRAM結(jié)構(gòu)示意圖

RS觸發(fā)器，是最常見的基本數(shù)字鎖存單元， FPGA的LUT的主要組成部分，結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，RS觸發(fā)器有一個致命的缺陷，容易產(chǎn)生競爭冒險。

圖11 SRAM構(gòu)造RS觸發(fā)器數(shù)字邏輯示意圖

SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)事件（SEU）

RS觸發(fā)器有著非常好的鎖存性能，但也有一個設(shè)計缺陷。在實際應(yīng)用中，特別是在空間環(huán)境存在輻射的一些場景，會出現(xiàn)帶電粒子穿過P管漏區(qū)有源區(qū)。此時，在粒子徑跡上電離產(chǎn)生大量電子空穴對，形成“瞬態(tài)電流”。

圖12 單粒子翻轉(zhuǎn)事件充電原理

當(dāng)上管出現(xiàn)一次電離輻射，通過建模，可以大致算出輸出電壓脈沖和累積電荷、以及存儲電容存在一定關(guān)系。

假設(shè)，如果前級輸入是邏輯1，輸出是邏輯0，存儲單元電容為100fF，只要累積電荷達到0.65pC-0.7pC時，輸出電壓脈沖幅值>0.7V，就很容易判斷為輸出為高電平。在輸出端電壓脈沖恢復(fù)到零電平之前，通過反饋，將邏輯0寫入輸入，從而造成輸出端電壓固定在高電平，變成邏輯1，出現(xiàn)粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。這也是我們常說的數(shù)字電路的競爭冒險現(xiàn)象。

圖13 RS觸發(fā)器引起競爭冒險現(xiàn)象

單粒子翻轉(zhuǎn)影響及加固

單粒子翻轉(zhuǎn)會造成存儲數(shù)據(jù)的改寫，特別是行業(yè)多數(shù)FPGA芯片，大多是基于SRAM型的產(chǎn)品。一旦工作在惡劣環(huán)境下，極有可能引發(fā)產(chǎn)品工作異常，最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)失靈。

一般來說，通過三模冗余、時間冗余和錯誤檢測與糾正等電路結(jié)構(gòu)設(shè)計加固方法，可對其進行改善。

不過最好的解決方法是采用Flash型FPGA。由于Flash型FPGA和基于鎖存器原理的SRAM FPGA的存儲原理完全不同，所以很難發(fā)生通過簡單的電離輻射改寫邏輯單元的情況，從而提高了可靠性。同時，F(xiàn)lash技術(shù)的產(chǎn)品的功耗也比SRAM的功耗低很多。

目前，基于Flash工藝的FPGA主要是Microchip。它擁有基于反熔絲和Flash技術(shù)的FPGA，目前市場上主流產(chǎn)品是第三代SmartFusion^? ProASIC^?3/IGLOO^?、第四代SmartFusion^? 2/IGLOO2和第五代PolarFire/PolarFire SoC系列。

其他存儲器（FRAM&EERAM）

相對于傳統(tǒng)的主流半導(dǎo)體存儲器，非易失性只讀存儲器(ROM)和易失性隨機存儲器（RAM），還有一些速度較快，而且非易失性存儲器，比如鐵電存儲器（FRAM）、和非易失性隨機存儲器（EERAM）。

鐵電存儲器（FRAM）

上文有提到，EEPROM是通過電荷泵對浮柵操作來做數(shù)據(jù)存儲，浮柵的擦寫需要時間，還會破壞浮柵單元，存在次數(shù)限制。鐵電存儲器（FRAM）是采用一種特殊工藝的非易失性的存儲器，是采用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲器結(jié)晶體。

當(dāng)一個電場被加到鐵電晶體時，中心原子順著電場的方向在晶體里移動。當(dāng)原子移動時，它通過一個能量壁壘，從而引起電荷擊穿。內(nèi)部電路感應(yīng)到電荷擊穿并設(shè)置存儲器。移去電場后，中心原子保持不動，存儲器的狀態(tài)也得以保存。鐵電存儲器不需要定時更新，掉電后數(shù)據(jù)能夠繼續(xù)保存，速度快而且不容易寫壞。

鐵電存儲器是個好東西，不過有一個致命的弱點，貴。用在低成本的工業(yè)和消費場合性價比不高。

圖14  鐵電存儲器原理

非易失性隨機存儲器存儲器（EERAM）

除了上文提到的FRAM，還有一種新型非易失性隨機存儲器（EERAM），這個產(chǎn)品是Microchip的獨家秘籍。

圖15 非易失性隨機存儲器架構(gòu)

EERAM的工作原理非常簡單，靈感來源于采用后備電池供電的SRAM，它的本質(zhì)就是不需要外部電池，而是通過一個很小的外部電容器，SRAM和EEPROM之間通過IC監(jiān)測共集極的電壓，一旦電源電壓較低，就通過電容供電，把SRAM的數(shù)據(jù)搬到EEPROM里面，防止信號丟失。

對于需要不斷更新的存儲數(shù)據(jù)，EERAM采用了一種特殊的工作方式，在監(jiān)測到供電電壓異常的時候，通過Vcap作為備用電源，把數(shù)據(jù)從SRAM轉(zhuǎn)移到EEPROM，自動完成數(shù)據(jù)的安全轉(zhuǎn)存。

當(dāng)供電重新恢復(fù)正常，EEPROM的數(shù)據(jù)又自動導(dǎo)出到SRAM。而且，你也可以手動刷新數(shù)據(jù)到EEPROM。

圖16 非易失性隨機存儲器用電容為SRAM轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)提供電源

EERAM的優(yōu)勢包括： 自動通過斷電可靠地保存數(shù)據(jù)、無限次寫入數(shù)據(jù)、 低成本方案和 接近零時間的間隔寫入。這個器件性能較高，而且價格也沒有鐵電那么昂貴，非常適合防數(shù)據(jù)丟失，成本敏感的客戶。

圖17 非易失性隨機存儲器工作原理

Microchip基于先進存儲技術(shù)一攬子解決方案

隨著5G通信等市場的快速爆發(fā)，越來越多的定制產(chǎn)品層出不窮。由于存儲器大多都要暴露在十分苛刻的環(huán)境中，市場對萬能芯片F(xiàn)PGA的需求越來越大。Excepoint世健擁有專業(yè)的技術(shù)團隊，其代理的Microchip 的FLASH型FPGA能有效抵抗輻射從而提高系統(tǒng)的可靠性，快速的SuperFlash和創(chuàng)新的EERAM技術(shù)的存儲器等解決方案也都非常有特色，能幫助客戶降低存儲成本，為客戶的系統(tǒng)設(shè)計需求提供更多選擇。