单粒子翻转与医疗器件

2011-05-18 13:06:13来源: 互联网

摘要

    随着集成电路(IC)工艺节点不断缩小,器件更容易受高能粒子的攻击而发生单粒子翻转(single-event upset, SEU)。特别应该关注的是器件中的静态RAM结构。这些风险在太空应用领域已经是早被意识到的问题,如今这种担忧也正在蔓延到其它领域,如网络、航空电子、汽车,以及医疗器件。医疗器件不仅会受到自然环境存在的宇宙射线攻击,而且还得在现代医疗机构中常见的辐射环境中工作。由于这类风险是显然的事实,医疗器件设计人员如今在器件选型时,也必须要考虑器件的SEU影响。本文将就这种风险给出定义,并讨论在可编程逻辑器件内减少和避免这些风险的方法。

引言

    CMOS存储结构(如静态RAM单元和触发器)在受到高能粒子轰击时容易发生翻转(即状态改变)。这些高能粒子可能是阿尔法(alpha)粒子、中子、质子或各种重离子,他们是由宇宙射线与大气外层中的粒子碰撞,或宇宙射线释放的粒子与宇宙射线二次碰撞而产生的

    宇宙射线的主要成分是中子,其次是占地球表面中子通量的7%至32%的质子。

    这些粒子的其它来源是封装和硅基片本身。集成电路的封装材料含有微量的铀和钍(thorium)。这两种元素都会产生高能阿尔法粒子。此外,在多晶硅掺杂、基片掺杂,或硼磷硅玻璃(BPSG)中,要大量使用硼元素。当这些常见的硼同位素(10B)之一被某一低能量(热能)中子击中(即所谓中子捕获),就会产生一个锂离子和一个阿尔法粒子。如果基片中硼元素和宇宙射线中的低能量中子达到一定浓度,这种辐射效应可能会较大。由于这些粒子的源头都在器件内部,因此,再多的外部屏蔽措施也无法阻挡这些粒子。

   当这些带电粒子轰击到IC的硅片上,将留下一道电离痕。类似地,当一个高能粒子(如中子) 撞到硅片上,将与硅片内的原子碰撞,释放一群带电粒子,这也会留下一道电离痕。这种电离作用会产生足以使栅极过压,从而改变存储单元状态(位翻转)的电荷。这种存储单元的状态变化即单粒子翻转(SEU)(参见图1)。

     存储单元的这种翻转状态是暂时性的,存储器在下次写入或重置(如重新上电)时,翻转就会被清除。目前还未见SEU导致电路永久性损坏的情况。

      存储器电路的SEU敏感性正在随器件的更新换代而增加。随着工艺尺寸的缩小,还会出现以下情况:

  • 供电电压减小,发生SEU所需的阈值降低。
  • 栅极面积缩小,造成电容减小,进而减小了能够降低发生翻转所需的临界电荷。
  • 存储单元面积缩小,截面面积减小,因此也减少了粒子轰击的机会。

其后果是存储器组件的SEU敏感性增加。这样,原本仅在太空应用中才需要关注的问题,如今甚至成为地面上的高可靠性设备(如医疗设备)设计人员的心病。

图1:带电粒子造成SEU

FPGA技术与SEU敏感性

     所有FPGA都有许多共同的特点:都有一个逻辑阵列(即FPGA基础架构),一组嵌入式存储器,可能还有一些其它特殊构件(如乘法器或DSP),时钟管理电路(如PLL)以及周边的可编程I/O接口电路。不同FPGA产品系列间的关键差异之一是其逻辑阵列。不同供应商之FPGA产品系列的逻辑模块所采用的具体结构和模块互连方式都有所不同。而这种互连方式正是对SEU的关注的重点所在。

      FPGA有两种走线方式:金属连接和通孔连接。而FPGA中的这些通孔是可编程的,构成整个可编程逻辑技术的基础。

      这些可编程的通孔也用于各逻辑模块和整个器件的配置设定,FPGA行业中采用三种类型的通孔连接技术:反熔丝、快闪和SRAM。

反熔丝技术

       反熔丝技术(可编程链路)是一种金属间的可编程互连组件,位于最上面的两个金属层之间。反熔丝一般处于开路状态,且当编程后就形成一个永久性的无源低阻抗连接。由于对反熔丝编程需要多个高压脉冲,因此,高能粒子不可能改变其编程状态。

图2: 反熔丝技术

反熔丝有如下主要特点:

  • 一旦编程后,不可再重新编程;
  • 编程所需能量较高;
  • 编程是在板外完成的,作为OEM制造工艺的一部分;
  • 属静态结构,不涉及任何晶体管,断电后结构状态仍然保持;
  • SEU免疫能力

快闪技术

    基于快闪技术的FPGA中采用的互连组件是一种快闪开关。与所有快闪存储器一样,这些快闪开关编程后的状态是非易失性的。对一个快闪开关进行编程/擦除需要的电压和能量远远高于宇宙射线诱发的粒子所产生的电压和能量。

图3:快闪开关

快闪开关有如下主要特点:

  • 可重新编程;
  • 互连快闪开关编程所需能量较高;
  • 属静态结构,断电后结构状态仍然保持;
  • SEU免疫能力

SRAM技术

     基于SRAM的FPGA中的基本可编程通孔是一个仅有一个位的SRAM单元。这种SRAM通孔的编程和擦除方式与其它SRAM存储器一样。虽然SRAM通孔比一般SRAM组件更牢靠,但之后的状态也很容易被宇宙射线引发的辐射撞击产生的电荷改写。

SRAM通孔有如下主要特点:

  • 可重新编程;
  • 编程所需能量较小;
  • 编程本质上就是对通孔状态组构存储位的写操作;
  • 由多个晶体管构成的易失性结构,断电后结构状态清除;
  • 易受SEU攻击。

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关键字:摘要

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0518/article_2139.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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