FPGA大氣中子輻射效應仿真研究?

趙鵬梅亮常成

（航天科工防御技術研究試驗中心 北京 100854）

1 引言

臨近空間飛行器的定義是可以在臨近空間長期作業的飛行器，由于其具有重要的戰略意義，因此得到眾多國家的重視。組成臨近空間的主要成分為中子，我們把它定義為大氣中子。臨近空間飛行器上裝載大量FPGA、DSP等大規模集成電路，這些集成電路對大氣中子輻射效應反應靈敏，受大氣中子輻射影響，容易發生單粒子翻轉，從而影響整個控制系統的正常運行［1～8］。本文以SRAM型FPGA為研究對象，開展FPGA大氣中子輻射效應研究與分析。

SRAM型FPGA受大氣中子輻射影響，發生單粒子效應的主要內因在于，其存儲單元（SRAM）中的NMOS管受粒子入射影響，產生瞬態脈沖電流，該脈沖電流作用于整個SRAM電路結構中，改變其存儲狀態，影響整個FPGA的正常功能［9～10］。

2 SRAM結構分析與模型建立

2.1 SRAM電路結構分析與工藝參數

SRAM就是靜態隨機存儲器，其結構原理示意圖如圖1所示，SRAM一般由存儲單元陣列、地址譯碼器、靈敏放大器、控制電路以及驅動電路五個結構組成。存儲單元陣列是SRAM實現功能的關鍵部分，而剩下的四個部分主要負責為存儲單元陣列服務。隨著集成工藝的發展，SRAM存儲單元出現了許多不同的電路結構，常見的SRAM存儲單元電路結構有：傳統六管型、六管NMOS型、四管型、改進七管型以及新型八管型。其具體工藝參數參見表 1［9～14］。

表1 五種不同結構SRAM存儲單元MOS管工藝尺寸對比

圖1 SRAM結構原理示意圖

2.2 SRAM電路模型建立

根據表1所示的工藝參數，利用仿真軟件PSpice搭建SRAM存儲單元電路結構的仿真電路，以傳統六管型SRAM為例［15］，構建電路模型如圖2所示。

圖2 傳統六管SRAM存儲單元

3 SRAM存儲單元電路仿真分析

3.1 傳統六管型SRAM存儲單元電路仿真分析

利用《NMOS大氣中子輻射效應仿真研究》中所得NMOS管漏極瞬態脈沖電流仿真結果，進行SRAM存儲單元電路仿真分析。

將不同LET分別為0.1、0.5、1MeVcm2/mg時的NMOS管漏極脈沖電流［8］施加到如圖2所示T1管的漏極上，使用PSpice中的Voltage Maker工具對Q數據存儲位進行觀測，記錄的Q點電壓（假設初始狀態為高電平，即SRAM存儲數據為“1”）變化如圖3所示。

圖3 不同LET值下Q存儲位電壓變化示意圖

從圖中可以看出，LET=0.1、0.5 MeVcm2/mg時，Q存儲位電壓在一個短時間內下降，但雖然立即返回到原始電壓，說明此時Q存儲位仍為高電平，SRAM存儲數據仍為“1”；當LET=1MeVcm2/mg時，Q存儲位電壓迅速下降，并最終徹底變為幾乎等于0的電壓，說明此時Q存儲位從高電平變為低電平，SRAM存儲數據從“1”變為“0”，也就是說，SRAM存儲狀態發生改變，具體狀態如圖10所示，可以清楚看出，SRAM受中子輻射影響，其存儲狀態發生了變化。

為了更為全面地研究SRAM存儲單元受中子輻射影響引起的單粒子效應，需要將表1中分析的五種不同結構SRAM進行依次仿真分析，仿真手段與上述流程一致。

3.2 SRAM存儲單元電路仿真分析

圖4 四管SRAM電路仿真示意圖

從表1可以得出，四管SRAM存儲單元由兩個PMOS管以及2個NMOS管構成，2個NMOS作為存儲管存在，主要完成數據的存儲功能，需要注意的是，四管SRAM中的4個MOS管工藝尺寸均為0.18μm，而受到中子輻射的影響主要集中在NMOS管的漏極，因此，以其中一個存儲管N1為例，如圖4所示，將上述得到的0.18μm NMOS管受不同LET值下中子輻射影響而產生的脈沖電流施加到如圖中N1管的漏極，以進行四管SRAM存儲單元的單粒子翻轉仿真分析，仿真具體結果如圖5所示，隨著LET值的不同減小，脈沖電流的沖擊不斷減小，對四管SRAM的影響也不斷地減弱，當LET=1MeV-cm2/mg時，四管SRAM中存儲位Q的電壓，受N1脈沖電流的影響，迅速地減小，直到最終變為幾乎為0，也就是存儲位Q的電壓從高電平變為低電平，即四管SRAM的存儲數據從“1”變為“0”，證實四管SRAM發生了單粒子翻轉；當LET=0.5MeVcm2/mg或0.1MeVcm2/mg時，四管SRAM的存儲位Q的電壓，受N1脈沖電流的影響，電壓持續下降，但與上述情況不同的是，電壓下降到一定的程度（兩個LET值下，Q點電壓下降幅度不同）重新返回到4.8V，也就是Q存儲位的電壓受脈沖電流影響，在一極短的時間內下降，然后迅速返回到初始值，證實四管SRAM并未發生單粒子翻轉。

圖5 四管SRAM單粒子翻轉仿真結果

與上述傳統六管SRAM仿真結果進行對比分析可以得出，無論是傳統的六管SRAM存儲單元還是四管SRAM存儲單元，均在中子的LET值為1MeVcm2/mg時，發生了單粒子翻轉，但兩個SRAM存儲單元在結構上存在比較大的差別，主要是結構的組成以及MOS管的工藝尺寸。為了更好地進行對比分析，可以仿真LET=0.8MeVcm2/mg時，0.18μm以及0.35μm的NMOS管受中子輻射，引起的漏極脈沖電流。具體的流程還是參照前文的整個過程，得到的兩個不同工藝尺寸NMOS管，在中子的LET值為0.8MeVcm2/mg時，其漏極產生的脈沖電流，具體仿真結果如圖6所示。

圖6 LET=0.8MeVcm2/mg時，兩種不同尺寸NMOS管漏極脈沖電流

從圖6可以看出，LET=0.8MeVcm2/mg時，0.18μm的NMOS管受中子輻射影響，引起的漏極脈沖電流明顯大于0.35的NMOS管所產生的脈沖電流，符合前文關于工藝尺寸對漏極脈沖電流的影響的論述，下面需要將這兩個脈沖電流施加到四管SRAM以及傳統六管SRAM的仿真電路中，其存儲位Q的電壓變化如圖7所示。

圖7 LET=0.8MeVcm2/mg時，兩種不同結構的SRAM存儲單元Q變化趨勢

從圖7中可以看出，當LET=0.8MeVcm2/mg時，四管SRAM中存儲位Q的電壓變化趨勢與傳統六管SRAM完全不同，四管SRAM中Q點受中子輻射的影響，電壓從4.8V逐漸減小到幾乎0V的狀態，最終維持在0V；而傳統六管SRAM中Q點受中子影響，電壓在極短的時間內，下降到0.8V左右，而后迅速返回到初始值4.8V。以上分析說明，當LET=0.8MeVcm2/mg時，四管SRAM存儲單元發生了單粒子翻轉，而傳統六管SRAM存儲單元并未發生單粒子翻轉。

在對六管NMOS型SRAM、改進型SRAM以及八管SRAM進行仿真對比分析后得出，六管NMOS型SRAM、改進型SRAM以及八管SRAM的存儲單元，其存儲位Q點電壓變化與傳統六管SRAM存儲單元變化一致，證明影響SRAM發生單粒翻轉的決定因素在于其組成的MOS管尺寸大小，尤其是其中負者存儲數據的NMOS管的尺寸，與電路結構關系不大。

4 結語

本文利用建模手段，模擬出五種不同結構SRAM受單粒子輻射發生翻轉的過程，通過對比仿真結果可以得出如下結論：

1）搭載在臨近空間飛行器上的FPGA，受到臨近空間中大氣中子的輻射影響，容易發生單粒子翻轉，尤其以SRAM型FPGA現象最為明顯；

2）SRAM型FPGA受大氣中子輻射影響，發生單粒子翻轉的物理過程為FPGA的存儲結構SRAM中的NMOS受中子入射影響，產生瞬態脈沖電流，影響SRAM的存儲狀態，進而影響整個FPGA的運行；

3）五種不同存儲單元結構的SRAM，受大氣中子輻射影響，其發生單粒子翻轉情況跟其組成MOS管尺寸有關，與其結構形式無關。

本文通過仿真的手段，分析得出中子輻射情況下，FPGA發生單粒子翻轉的主要影響因素，為接下來進行FPGA大氣中子輻射單粒子效應的防護提供參考，具備一定的工程參考價值。