航天器用抗辐照FPGA器件需求型谱设计方法研究

陈佳怡，韩庆龙，祝名

（1.中国航天宇航元器件工程中心,北京 100094；2.中国空间技术研究院,北京 100094）

0 引言

目前在航天领域中,抗辐照FPGA已经被大量地应用于航天器的各个部分。在卫星平台上,关键的姿态控制等系统主要使用反熔丝型FPGA；遥测遥控等系统则大量地使用SRAM型抗辐照FPGA。随着航天技术的不断发展,未来对抗辐照FPGA器件的需求也会越来越大,需要针对FPGA器件的需求型谱进行设计,以增强自我保障和可持续发展能力；并积极地推动航天器用FPGA器件的国产化进程,提升航天器的核心竞争力。文章从FPGA技术发展现状和趋势分析、FPGA器件当前和未来需求分析和FPGA型谱指标设计等方面出发,对航天器用抗辐照FPGA器件的需求型谱设计方法进行了研究,以实现航天器用抗辐照FPGA器件的标准化、系列化和国产化,推动航天器用关键元器件的自主可控发展。

1 抗辐照FPGA器件的需求型谱设计原则

抗辐照FPGA器件的需求型谱的设计应遵循以下几个原则。

a）需求型谱的建立应以实现自主可控为目标,形成一种包括设计、加工、封装和测试在内的国内产品链,促进宇航用抗辐照FPGA器件的自主可控发展[1]。

b）覆盖航天器用抗辐照FPGA器件的当前和未来需求。以少数的不同规格的产品,覆盖当前及未来对FPGA器件性能、封装形式、可靠性和抗辐照性能等多个方面的需求[2]。

c）符合电子系统小型化的需求。应充分地考虑器件的集成度和封装形式,在性能、可靠性等指标满足要求的前提下选择小型化封装。

d）以成熟的元器件研制技术路线为主,既满足当前和未来的选用需求,又不盲目地追求性能指标和技术的先进性,确保型谱产品的可行性。

e）以国际主流产品参数指标为基线,与国外对应型号产品对标,开展差异性的比较分析,充分地征求FPGA器件的用户的意见,确保型谱产品的可用性。

2 抗辐照FPGA器件的需求型谱设计方法

在设计航天器用抗辐照FPGA器件的需求型谱时,应充分地调研国内外技术发展现状和趋势、航天器元器件当前及未来的需求,在此基础上设计型谱产品,并建立型谱树,具体的步骤如图1所示。

2.1 器件现状及未来趋势

2.1.1 器件现状

图1 航天器用抗辐照FPGA器件的需求型谱设计流程

Altera和XILINX公司作为全球两大主要可编程逻辑器件供应商,其产品占全球总市场份额的80%以上,在高端FPGA领域中占有绝对的优势。由于SRAM型FPGA具有高逻辑密度、高性能、配置灵活和可重复编程等特点,因此,目前高端FPGA产品无一例外地采用了这种结构。高端FPGA产品不仅具有很高的逻辑密度,还集成了大量的专用部件。

这两大公司的FPGA器件所采用的技术相类似,都是基于SRAM的LUT（查找表）架构；宇航用抗辐照FPGA工艺从0.25 μm铝布线发展到0.13 μm和65 nm铜布线,其系列化产品的逻辑容量涵盖了从数万系统门的低端FPGA到千万系统门的高端FPGA,有利于航天用户进行应用设计时的选型[3]。

a）XILINX公司的FPGA器件的特点

在航天应用中,宇航级抗辐照大规模SRAM型FPGA器件主要由XILINX公司设计制造,XILINX公司采用冗余电路和判决器等设计加固技术来满足空间应用环境的要求。

目前,国际上性能最先进的航天器用抗辐照FPGA是XILINX公司推出的Virtex-5系列FPGA器件中的XQR5VFX130型产品,该产品采用65 nm工艺、1.0 V内核工作电压。Virtex-5系列产品提供了 3种新型平台,每种平台都在高性能逻辑、串行连接功能、信号处理和嵌入式处理性能方面实现了最佳平衡。其中,Virtex-5 LX平台针对高性能逻辑进行了优化；Virtex-5 LXT平台针对带有低功耗串行连接功能的高性能逻辑进行了优化；Virtex-5 SXT平台针对带有低功耗串行连接功能的DSP和存储器密集型应用进行了优化。XQR5VFX130型SRAM FPGA设计有81 920个6输入LUT和81 920个可编程寄存器,等效规模容量达1 300万门,还包括320个DSP功能块和约10 Mbit/s RAM,以及18个时钟管理模块 （DCM和PLL）,最高时钟频率可达450 MHz以上。

在百万门级规模的宇航用抗辐照FPGA领域,XILINX公司推出了VirtexII系列抗辐照FPGA器件,包括100万门XQR2V1000、300万门XQR2V3000和600万门XQR2V6000,采用CMOS 0.15 μm工艺,1.5 V内核工作电压,抗电离辐射总剂量达200 krad（Si）,片内提供了720～2 592 kbit嵌入式存储器,8～16个时钟管理模块。此外,XQR2V系列FPGA还针对数字信号处理应用,在其内部集成了多个18-bit×18-bit硬件乘法器。

由于XILINX公司的抗辐照FPGA产品其单粒子翻转阈值不超过3 MeV·cm2/mg,不满足航天器件37 MeV·cm2/mg的标准要求,因此,XILINX公司推荐一种采用冗余电路和判决器等器件的设计加固技术来满足空间应用环境的要求,从而降低了器件的性能和可用资源总量,但增大了器件的功耗。

b）ACTEL公司的FPGA器件的特点

ACTEL公司的FPGA产品以反熔丝结构和Flash结构为主。反熔丝结构的FPGA器件具有低功耗、高速和高可靠性等特点,适合于恶劣的应用环境,但是,由于反熔丝结构的器件在配置上采用一次性烧写 （OTP）方式,因此,与基于SRAM的FPGA相比,其易用性相对较低；同时其芯片的制造成本也相对较高,需要采用特殊的工艺。Flash结构FPGA是ACTEL的一大特色,具有非易失性、掉电后数据不丢失的特点,因此,其易用性较强；但是,由于工艺的限制,其逻辑容量还难以满足现代大规模、高性能系统设计的要求。

RTAX-S/SL系列FPGA是一种基于反熔丝结构的高速、低功耗器件,具有高可靠性的特点,适合应用于恶劣环境中。器件采用1.5 V内核工作电压,抗电离辐射总剂量达200 krad（Si）,提供400万系统门,540 kbits的嵌入式RAM。

纵观各大FPGA生产厂商提出的FPGA空间应用解决方案,ACTEL公司采用反熔丝工艺设计的FPGA具有良好的抗辐照特性,但是,由于采用了特殊工艺,生产成本很高；另外,反熔丝工艺的FPGA芯片只能进行一次编程,导致其应用的灵活性降低。针对广泛使用的SRAM型FPGA的空间应用,Altera公司提出了一种采用后台CRC方式进行错误检查的方法,以此来解决由于空间辐射效应导致FPGA内SRAM被改写的问题,这种措施只能进行检错,无法在片内实现纠错,还需用户在系统级进行刷新电路设计；XILINX公司则推荐了一种采用冗余电路和判决器等器件的设计加固技术来满足空间应用环境要求的方法,要求对用户电路进行三模冗余设计,并在系统级进行刷新,从而降低了器件的性能和有效资源总量,但增大了器件的功耗。

c）Lattice公司的FPGA器件的特点

Lattice公司的FPGA产品的特色在于其部分产品系列中嵌入了Flash存储器,形成了非易失性存储器和基于SRAM的LUT相结合的FPGA,器件上电后数毫秒内对系统进行配置,从而节省了外部的配置器件及相关电路。但其器件的规模相对较小、逻辑密度低,不适用于复杂系统设计的高端应用环境。例如:XP系列提供了非易失的Flash存储器,提供23.6万系统门逻辑阵列、414 kbits嵌入式RAM和4个PLL。

在Lattice的ECP/EC系列FPGA产品中,为了提高逻辑密度,采用了完全基于SRAM的设计,然而其逻辑密度仍落后于Altera和XILINX的同类产品。以Lattice ECP/EC为例,ECP/EC系列FPGA采用1.2 V内核工作电压,工作频率为420 MHz；提供40万系统门逻辑阵列；4～8个DSP功能块,最多可组成16个18-bit×18-bit乘法器；498 kbits的嵌入式RAM和4个PLL。

2.1.2 器件的未来发展趋势

随着先进的深亚微米半导体生产工艺的应用,FPGA器件的性能不断地提高、功能不断地丰富,可以满足系统级设计工程的需要,目前FPGA的主流发展方向呈现出高密度、高性能和低功耗的特点,片上资源的集成度得到了进一步的提高,集成了更多的IP（Intellectual Property）模块,向SoC FPGA的方向发展。

a）多维架构的发展趋势

大容量是FPGA发展的重点方向。采用深亚微米的半导体工艺后,每一次工艺升级带来的优势,都会在FPGA产品的功耗、频率、密度和成本方面得到体现。随着CMOS工艺的不断发展,FPGA的集成规模亦同步增长,传统的二维结构导致的诸多弊端地逐渐地显现出来,包括:1）长互连延时；2）时钟同步困难；3）电源网络的电压降 （IR Drop）等问题。迫切地需要引入新型工艺、新型体系结构来解决FPGA在集成规模、速度和功耗等方面的发展瓶颈。2011年,XILINX宣布通过堆叠硅片互连 （SSI）技术,将4个不同的FPGA芯片在无源硅中介层上并排互连,结合穿透硅通孔工艺（TSV:Through Silicon Vias）技术与微凸块工艺,构建了相当于容量达2 000万门的可编程逻辑器件（Virtex 72 000 T）。SSI技术仍然是并排互连堆叠的2.5维集成,而非垂直堆叠的三维集成,由此却预示了FPGA向多芯片、多维方向发展的趋势。

b）系统功能级的发展趋势

随着半导体技术的进步,各大厂商也在不断地扩充FPGA片上集成资源,体现在FPGA上集成了越来越丰富的IP硬核和IP软核:一方面是FPGA厂商将IP硬核 （指完成版图设计的功能单元模块）嵌入到FPGA器件中,另一方面是大力扩充优化的IP软核,即利用硬件设计语言 （HDL:Hardware Design Language）设计并经过综合验证的功能单元模块。IP硬核和软核包括嵌入式处理器、可编程存储器、高速收发器、嵌入式逻辑分析仪和复杂数字信号处理模块等。这些片上集成资源都经过验证和优化,用户在EDA工具的配合下,可直接利用这些预定义的IP核资源,有效地完成复杂的片上系统设计。

c）FPGA与SoC相互融合的发展趋势

SoC FPGA器件将处理器和FPGA架构集成在一块器件上,目前这种先进的器件不仅能保持FPGA和处理器独立运行时所具有的优势,还能挖掘出处理器和FPGA整合后独有的优势,为系统设计带来了多种益处,例如:更高的集成度、更低的功耗、更小的电路板,以及处理器与FPGA之间更高的带宽通信[4]。

d）动态可重构的发展趋势

FPGA的动态可重构技术是指在系统内动态地对芯片全部或部分逻辑资源进行高速的重新配置,对其功能进行变换,从而实现硬件的分时复用,使用较小规模的FPGA器件实现更大规模的数字时序系统。目前比较常用的是FPGA的局部动态重构,指在系统内对器件的部分逻辑资源进行重新配置,其余部分的逻辑功能不受影响。局部动态重构的方式减小了重构范围,可以大大地缩短配置时间,允许用户在系统中对FPGA器件的功能进行部分配置,大大地提高了FPGA的灵活性,可以应用于硬件的远程升级、系统容错和通信平台等设计中。

目前,传统的、基于SRAM存储结构的FPGA进行重构至少需要毫秒量级的时间,无法满足高速动态可重构技术的应用要求。可以预见,一旦FPGA采用了新的存储技术和架构,把重构时间缩短至纳秒量级,能够真正地实现高速电路的分时复用,则将会引发可编程逻辑器件和整个数字系统设计的巨大转变[5]。

为了满足系统不断更新的性能指标要求,反熔丝FPGA的系统等效门数已经达到400万门,并不断地向前发展。综合地考虑,航天器用反熔丝FPGA的未来将主要朝着以下几个方向发展。

1）反熔丝FPGA向系统化方向发展

由于受反熔丝工艺的限制,反熔丝FPGA的系统等效门数难以持续地扩大,需要采用新的设计思想不断地向前发展。系统化就是一个主要的发展方向。反熔丝FPGA以其可编程性、非易失性等特点,与CPU、DSP等诸多的系统模块可以实现系统集成,从而形成更丰富的产品种类。编程性能好、抗辐射加固能力强的SoC产品,将具有更广阔的应用空间和市场前景,并更能适应航天领域的不断发展、不断变化的需求。

2）抗辐射性能指标不断地提高

与其他电力、电子系统相比,航天器用反熔丝FPGA的应用环境对器件的抗辐射性能的要求不断地提高。由于反熔丝结构对单粒子所具有的天然免疫力,反熔丝FPGA器件的抗辐射能力取决于其内部其他MOS电路的抗辐射能力。随着设计和工艺技术的不断提升,反熔丝FPGA的抗辐射能力将得到进一步的提高,并满足航天领域对高抗辐射能力的要求。

2.2 型号需求分析

2.2.1 当前需求分析

目前,在航天领域,高可靠性器件,特别是宇航级抗辐照FPGA在航天器的各个部分中得到大量的使用,例如:在卫星平台中,关键的控制系统使用的是反熔丝型FPGA；数据处理系统则大量地使用宇航级抗辐照SRAM型FPGA。

2.2.2 未来需求分析

随着航天器研制技术的不断发展,用户技术指标的不断提高,功能集成和微小型化已经成为了星载电子设备的主流趋势。采用大容量、高密度和高性能的宇航级抗辐照FPGA,能够使星载电子设备的体积减小、重量减轻、功耗降低,减小电路板的尺寸,减少焊盘数量,提高航天器承载有效载荷的能力和功效比,还有利于充分地利用冗余技术来提高系统的容错能力。

高端FPGA的海量数据并行处理和高速数据传输能力更是使得它非常适用于航天信号实时处理系统。以用于地球资源普查和海洋监测的遥感卫星为例,传统的处理方式是将未经处理的遥感图像数据传输到地面后再进行处理,并供给用户去提取有用的信息,所以卫星到地面的传输信息量很大,数据处理不够及时。目前国外开始采用一些具有定标、辐射校正、几何校正等预处理功能和具有分类、变化检测、目标识别、动态感知等信息提取功能的星上数据处理系统,以减少无效的数据,缓解星上固存及数据传输的压力,并已达到应用阶段。在载荷分系统中,星上数据处理技术的核心是数据处理算法和硬件实现,需要构建处理速度快、小型化、结构简单稳定的数据处理系统。综合地考虑星上计算资源的约束,通过全方位权衡考虑,高速、大规模、高性能的FPGA是比较适合的硬件选择,其高速的数据并行处理能力可以应对星上海量数据处理的实时性要求。从性能指标考虑,希望选择系统时钟频率为300～500 MHz、 千万门级以上的FPGA芯片。

“十二五”期间,可编程器件市场仍保持年均30%以上的增长速度,急需并长期需要国产FPGA产品用于航天航空、信息安全和保密通信等领域。可以预计,未来航天器中FPGA器件的需求将继续保持快速增长的势头,并且迫切地需要千万门级规模以上的大容量、高密度和高性能的宇航级抗辐照FPGA。

2.3 需求型谱设计

根据航天器用FPGA的选用情况及未来需求调研结果,形成以下优化原则,用于对抗辐照FPGA品种进行压缩和优化:1）满足抗辐照FPGA技术指标的应用需求；2）功能覆盖所有的应用范围；3）在功能覆盖的前提下尽量地用先进的技术产品替代落后的技术产品；4）在功能覆盖的前提下选择小型封装。

2.3.1 需求型谱的参数设计

根据编程方式的不同,抗辐照FPGA器件可分为SRAM型和反熔丝型两类,故将编程方式作为第一特征参量；FPGA的规模容量为其主要性能指标,决定了产品的电路应用环境,故选择规模容量作为第二特征参量；最高工作频率决定了应用处理速率,故将其作为第三特征参量。由此形成了航天器用抗辐照FPGA需求型谱树,如图2所示。

图2 抗辐照FPGA需求型谱树

2.3.2 需求型谱的关键指标设计

a）抗辐照FPGA器件需求型谱的功能和性能指标

功能和性能指标应包括:规模容量、系统工作频率、工作电压、关键IP核性能、内嵌存储器容量、全局时钟网络和封装形式。

b）抗辐照FPGA器件需求型谱的耐环境性

1）温度特性

空间环境温度的变化会影响FPGA元器件的性能参数,进而对元器件的正常工作产生影响。因此,需要对航天器用FPGA器件的温度特性提出要求。参考国外军级产品的温度特性,要求型谱产品的工作温度范围为-55～125℃、贮存温度范围为-65～150℃。

2）抗辐照特性

FPGA器件在空间辐射应用环境下,带电粒子可能造成电离总剂量效应、单粒子翻转和单粒子锁定。为了确保航天器用FPGA器件的可靠应用,有必要对其提出抗辐照能力要求。因此,型谱产品的抗辐照能力应满足以下要求:抗电离总剂量能力≥100krad （Si）； 抗SEL的LET阈值≥75MeV·cm2/mg；反熔丝型FPGA单粒子翻转LET阈值≥37 MeV·cm2/mg；单粒子翻转加固SRAM型FPGA单粒子翻转LET阈值≥15 MeV·cm2/mg；非单粒子翻转加固SRAM型FPGA需要具备三模冗余加固工具,采用应用加固措施后FPGA系统单粒子功能中断＜1×10-5errors/device/day。

3）抗静电能力

型谱产品的抗静电能力应大于2 000 V。

3 结束语

本文对航天器用抗辐照FPGA器件的需求型谱的设计方法进行了研究,分析了FPGA技术的发展现状和趋势,以及FPGA器件当前和未来的需求,完成了抗辐照FPGA需求型谱参数设计,对于实现航天器用抗辐照FPGA器件的标准化、系列化和国产化,推动航天器用关键元器件的自主可控发展具有重要的意义。

[1]张磊,夏泓,李楠,等.航天器元器件需求型谱设计研究 [C]//中国科技集团公司航天型号物资管理工作论坛, 北京,2015: 42-45.

[2]夏泓,李京苑,李应选,等.航天元器件自主与可控概念及量化研究 [J].电子元件与材料,2013,32（7）:50-53.

[3]AVIONICS S C.Flight avionics hardware roadmap[R].National Aeronautics and Space Administration Langley Research Center,2014.

[4]施苏明.ESA元器件需求管理与发展路线图概况 [C]//中国航天元器件发展论坛,西安,2013:47-66.

[5]王长龙.NASA航天飞行电子系统硬件路线图的几点启示 [C]//中国航天元器件发展论坛,西安,2013:29-36.