萊迪思Nexus FPGA技術平臺在關鍵任務應用中的優(yōu)勢

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

引言（MPU vs.FPGA）

如今的關鍵任務系統(tǒng)可能要求相當大的算力。一種計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大，但實際上它們只執(zhí)行簡單的任務，例如將兩個數(shù)字相加或者比較兩個數(shù)字的大小。同樣，它們看似很快，是因為系統(tǒng)時鐘以2.4 GHz或者更高頻率運行。

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

在嵌入式應用中實現(xiàn)信號和數(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，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基礎知識：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，它以可編程邏輯模塊陣列的形式出現(xiàn)。每個邏輯模塊都包含多個要素：一個查找表（LUT）、一個多路開關和一個寄存器，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（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”。可編程邏輯模塊組可以經過配置執(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。除了可編程架構之外，F(xiàn)PGA還可以包含相當于數(shù)兆RAM的存儲模塊以及大量數(shù)字信號處理（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器連接的高速接口。

FPGA廣為人知的一個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)行相應的數(shù)據(jù)處理算法，這不僅比MPU快幾個數(shù)量級，而且功耗很低。此外，與算法“凍結在芯片中”的SoC不同，F(xiàn)PGA的設計可以隨時重新配置。此外，由于用戶IP由終端用戶自行編程， FPGA在制造時不包含任何用戶IP，這使得FPGA能夠在不受保護的供應鏈中運輸，而不會造成用戶IP被盜竊或篡改。這一點也和SOC及ASIC不同。因此，F(xiàn)PGA是包括工業(yè)機器人和通信基礎設施設備在內的關鍵任務系統(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構大小僅為幾十納米（nm）（一納米等于一米的十億分之一）。這些結構非常微小，可能會受到地球上輻射的影響。

此外，關鍵任務應用的系統(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。

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

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

單粒子翻轉（SEU）是SEE的一種情形，指高能粒子撞擊微電路中的敏感節(jié)點并引起狀態(tài)變化。例如，SEU可能導致寄存器單元或存儲單元從邏輯0翻轉為邏輯1或由到0。與TID引起的問題不同，SEU被定義為“軟錯誤”，因為它可以被校正。

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

不幸的是，制程越來越先進會導致多單元翻轉（MCU）的趨勢愈發(fā)嚴重。這意味著，由于芯片中的結構排列非常緊密，SEU實際上可能會使多個存儲元件發(fā)生邏輯翻轉。此外，多位翻轉（MBU）是指一種在同一數(shù)據(jù)字或幀內出現(xiàn)的MCU，可能會對系統(tǒng)的糾錯能力產生負面影響。

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本身并不會造成太大問題，因為通常在系統(tǒng)其他部分檢測到之前，它就已經消失了。話雖如此，如果SET恰好發(fā)生在錯誤的時間，則可能在時鐘信號控制下進入寄存器元件或存儲單元中，這時它就會變?yōu)镾EU。

另一個潛在的問題是單粒子鎖定（SEL），SEE會可能導致CMOS電路的電源和接地軌之間產生低阻抗通路（實際是短路）。如果發(fā)生這種情況，則需要立即對設備重啟（關閉電源然后再打開），防止對其造成嚴重損壞。不言而喻，在許多情況下重啟關鍵任務設備的電源可能會造成很多問題。

對于FPGA還需要進一步考慮。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技術平臺開發(fā)，為實現(xiàn)用于執(zhí)行關鍵任務應用的先進系統(tǒng)提供了絕對的優(yōu)勢。

Nexus技術平臺

萊迪思的Nexus技術平臺基于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的抗輻射能力。FD-SOI本質上不受單粒子鎖定的影響，這意味著在關鍵任務應用下無需停機，而通常則需要重啟電源才能解除這種狀態(tài)。

第二個值得注意的優(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）模式運行。此外，可以通過程序控制讓系統(tǒng)在兩個模式下實時切換。

例如我們之前已經討論過，當輻射以高能粒子的形式穿過寄存器元件或存儲器單元時，就會出現(xiàn)單粒子翻轉，使半導體材料電離（產生電荷），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，隨之留下正負電荷。這些電荷隨后在入射點處聚集（藍色箭頭）。

(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單元發(fā)生故障。

之前提到的另一個潛在問題就是MCU和MBU，這兩種情況下單個粒子可能破壞多個存儲元件。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，隨之留下正負電荷。除了在入射節(jié)點處聚集（藍色箭頭）外，這些電荷還可能在相鄰節(jié)點處聚集（紫色箭頭），從而導致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單元的敏感區(qū)域，讓單個粒子軌跡很難影響到多個數(shù)據(jù)位，從而大幅減少了MCU和MBU的發(fā)生。

關鍵任務系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的設計人員通常使用FIT（故障率）的概念。器件的FIT是指器件在十億（109）個小時的運行中可以預期的故障次數(shù)（例如，一個器件運行十億小時，1000個器件每個運行100萬小時，一百萬個器件每個運行1000小時，以此類推）。

就28納米技術節(jié)點下采用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FD-SOI工藝的萊迪思FPGA其FIT僅為1。這意味著Nexus平臺就將FIT降低了兩個數(shù)量級?；贜exus平臺的FPGA（例如Lattice CrossLink?-NX）提供了詳細的SEU描述報告，可用于估算輻射效應導致的故障率。

Nexus平臺憑借自身優(yōu)勢，讓基于該技術的FPGA真正脫穎而出，更好地服務于醫(yī)療、汽車、安防等領域。然而這僅僅是開始，因為萊迪思的使命是將FIT降低到幾乎為零，這可以通過強化FD-SOI工藝以及下面討論的技術實現(xiàn)。

萊迪思Nexus FPGA

糾錯碼（ECC）存儲器是一種數(shù)據(jù)存儲方式，它可以檢測和校正任何內部數(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“軟錯誤”，從而有了軟錯誤檢測（SED）和軟錯誤校正（SEC）的概念。

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

設計人員通常必須自己來實現(xiàn)內存刷洗功能，但這會消耗寶貴的可編程邏輯資源。相比之下，Nexus FPGA已經包括了專用的IP模塊，能夠在后臺自動執(zhí)行基于ECC的內存刷洗功能。 

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

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遇到數(shù)位發(fā)生錯誤的情形，但受到影響的數(shù)位幾乎會立即恢復正常。

雖然如此，但依然可能出現(xiàn)內部SED/SEC引擎可能無法糾正錯誤的情況。第一種情況是出現(xiàn)多個單獨的SEU，其中兩個或多個粒子隨機擾亂同一數(shù)據(jù)幀內的多個數(shù)位。第二情況是出現(xiàn)MBU，單個粒子使同一數(shù)據(jù)幀內的兩個或多個數(shù)位出現(xiàn)異常。

在分析Nexus平臺抵御MCU和MBU輻射影響時，要特別注意觀察這些效應。這些測試證實了上述技術優(yōu)勢，表明單個粒子很少會影響到多個單元。此外，由于萊迪思的存儲器陣列設計，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引擎進行校正。

除了使用真實輻射源測試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制。實際上，開發(fā)人員可以同步或異步輸入單位和多位錯誤。通過這些機制，開發(fā)人員可以驗證內存刷洗功能和SED/SEC引擎的運作，以及器件是否正常運行并生成正確的數(shù)據(jù)，這樣可以確保器件和設計即便處于輻射密集的惡劣環(huán)境中也能夠按預期工作。

結論

與所有電子元件一樣，F(xiàn)PGA可能會受到輻射的負面影響，隨著芯片中結構的不斷縮小，這種影響也變得更加明顯。萊迪思Nexus技術平臺基于28納米FD-SOI工藝，能讓用戶選擇高性能或低功耗模式運行，并通過程序控制實時做出更改。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，與同一技術節(jié)點下的標準CMOS FPGA相比，提高了兩個數(shù)量級。

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、安防和汽車等領域的關鍵任務和安全應用。