一种SRAM型FPGA单粒子效应加固平台设计

针对大规模集成电路在空间环境的应用需求，介绍了目前国内外针对FPGA的抗辐射加固的研究现状，对空间辐射和单粒子效应进行了简单描述，分析了SRAM型FPGA的结构和故障特点，提出了一种基于高可靠单元针对Xilinx Kintex-7系列FPGA进行配置、监控、回读校验和刷新的单粒子翻转加固硬件平台设计。介绍了对Kintex-7系列FPGA进行防护的流程和故障注入测试系统的组成，该平台已经在某项目中得到应用并通过了功能测试和相关环境试验，为大规模集成电路在空间应用提供了设计参考。 【单粒子效应】单粒子效应（Single Event Effect, SEE）是空间环境中高能粒子与半导体器件相互作用产生的现象，可能导致电路中的数据翻转、锁死或其他功能失效。在大规模集成电路，特别是SRAM型FPGA中，单粒子翻转（Single Event Upset, SEU）是最常见的形式，它会改变SRAM单元的状态，影响系统的正常运行。 【FPGA抗辐射加固】针对FPGA的抗辐射加固主要包括工艺加固和功能加固。工艺加固是采用抗辐射的材料和制造工艺，制造出具有抗辐射能力的器件，如宇航级FPGA。功能加固则是通过设计冗余机制，如三模冗余（TMR）或双模冗余（DMR），在检测到错误时能够自我修复，确保系统稳定运行。然而，这些方法可能会增加资源消耗和功耗。 【Xilinx Kintex-7 FPGA】Xilinx Kintex-7系列FPGA是一款广泛应用的高性能、低功耗FPGA，适用于多种领域，包括航空航天。相比于传统的抗辐射FPGA，如Virtex-4QV，Kintex-7提供了更多的逻辑单元、DSP资源和更低的功耗，更适合复杂系统设计。 【加固平台设计】针对Kintex-7 FPGA的单粒子效应加固平台设计，通常包括配置、监控、回读校验和刷新机制。配置是为了确保FPGA按照预期工作，监控则用来检测可能的错误，回读校验可以发现错误并定位，而刷新则用于恢复错误状态。这种设计结合了高可靠性反熔丝Actel FPGA，能够实时监测和修复因单粒子效应引发的错误。 【应用与测试】该加固平台已在实际项目中成功应用，并通过了功能测试和环境试验，证明了其在空间环境中的可靠性。这为未来大规模集成电路在严苛环境下的应用提供了设计参考和实践经验。 【总结】本文着重讨论了针对空间应用的SRAM型FPGA，尤其是Xilinx Kintex-7系列，如何通过设计加固平台来抵抗单粒子效应。通过对空间辐射的简述、现有加固方法的分析以及新提出的基于高可靠性反熔丝Actel FPGA的平台设计，揭示了提高FPGA在空间环境可靠性的关键技术和实践。这种方法不仅考虑了资源效率，还兼顾了抗辐射性能，为未来FPGA在复杂环境中的应用提供了新的思路和解决方案。