FPGA大气中子辐射效应仿真研究∗

2019-03-01赵鹏梅亮常成

计算机与数字工程 2019年1期

赵鹏梅亮常成

（航天科工防御技术研究试验中心北京 100854）

1 引言

临近空间飞行器的定义是可以在临近空间长期作业的飞行器，由于其具有重要的战略意义，因此得到众多国家的重视。组成临近空间的主要成分为中子，我们把它定义为大气中子。临近空间飞行器上装载大量FPGA、DSP等大规模集成电路，这些集成电路对大气中子辐射效应反应灵敏，受大气中子辐射影响，容易发生单粒子翻转，从而影响整个控制系统的正常运行［1～8］。本文以SRAM型FPGA为研究对象，开展FPGA大气中子辐射效应研究与分析。

SRAM型FPGA受大气中子辐射影响，发生单粒子效应的主要内因在于，其存储单元（SRAM）中的NMOS管受粒子入射影响，产生瞬态脉冲电流，该脉冲电流作用于整个SRAM电路结构中，改变其存储状态，影响整个FPGA的正常功能［9～10］。

2 SRAM结构分析与模型建立

2.1 SRAM电路结构分析与工艺参数

SRAM就是静态随机存储器，其结构原理示意图如图1所示，SRAM一般由存储单元阵列、地址译码器、灵敏放大器、控制电路以及驱动电路五个结构组成。存储单元阵列是SRAM实现功能的关键部分，而剩下的四个部分主要负责为存储单元阵列服务。随着集成工艺的发展，SRAM存储单元出现了许多不同的电路结构，常见的SRAM存储单元电路结构有：传统六管型、六管NMOS型、四管型、改进七管型以及新型八管型。其具体工艺参数参见表 1［9～14］。

表1 五种不同结构SRAM存储单元MOS管工艺尺寸对比

图1 SRAM结构原理示意图

2.2 SRAM电路模型建立

根据表1所示的工艺参数，利用仿真软件PSpice搭建SRAM存储单元电路结构的仿真电路，以传统六管型SRAM为例［15］，构建电路模型如图2所示。

图2 传统六管SRAM存储单元

3 SRAM存储单元电路仿真分析

3.1 传统六管型SRAM存储单元电路仿真分析

利用《NMOS大气中子辐射效应仿真研究》中所得NMOS管漏极瞬态脉冲电流仿真结果，进行SRAM存储单元电路仿真分析。

将不同LET分别为0.1、0.5、1MeVcm2/mg时的NMOS管漏极脉冲电流［8］施加到如图2所示T1管的漏极上，使用PSpice中的Voltage Maker工具对Q数据存储位进行观测，记录的Q点电压（假设初始状态为高电平，即SRAM存储数据为“1”）变化如图3所示。

图3 不同LET值下Q存储位电压变化示意图

从图中可以看出，LET=0.1、0.5 MeVcm2/mg时，Q存储位电压在一个短时间内下降，但虽然立即返回到原始电压，说明此时Q存储位仍为高电平，SRAM存储数据仍为“1”；当LET=1MeVcm2/mg时，Q存储位电压迅速下降，并最终彻底变为几乎等于0的电压，说明此时Q存储位从高电平变为低电平，SRAM存储数据从“1”变为“0”，也就是说，SRAM存储状态发生改变，具体状态如图10所示，可以清楚看出，SRAM受中子辐射影响，其存储状态发生了变化。

为了更为全面地研究SRAM存储单元受中子辐射影响引起的单粒子效应，需要将表1中分析的五种不同结构SRAM进行依次仿真分析，仿真手段与上述流程一致。

3.2 SRAM存储单元电路仿真分析

图4 四管SRAM电路仿真示意图

从表1可以得出，四管SRAM存储单元由两个PMOS管以及2个NMOS管构成，2个NMOS作为存储管存在，主要完成数据的存储功能，需要注意的是，四管SRAM中的4个MOS管工艺尺寸均为0.18μm，而受到中子辐射的影响主要集中在NMOS管的漏极，因此，以其中一个存储管N1为例，如图4所示，将上述得到的0.18μm NMOS管受不同LET值下中子辐射影响而产生的脉冲电流施加到如图中N1管的漏极，以进行四管SRAM存储单元的单粒子翻转仿真分析，仿真具体结果如图5所示，随着LET值的不同减小，脉冲电流的冲击不断减小，对四管SRAM的影响也不断地减弱，当LET=1MeV-cm2/mg时，四管SRAM中存储位Q的电压，受N1脉冲电流的影响，迅速地减小，直到最终变为几乎为0，也就是存储位Q的电压从高电平变为低电平，即四管SRAM的存储数据从“1”变为“0”，证实四管SRAM发生了单粒子翻转；当LET=0.5MeVcm2/mg或0.1MeVcm2/mg时，四管SRAM的存储位Q的电压，受N1脉冲电流的影响，电压持续下降，但与上述情况不同的是，电压下降到一定的程度（两个LET值下，Q点电压下降幅度不同）重新返回到4.8V，也就是Q存储位的电压受脉冲电流影响，在一极短的时间内下降，然后迅速返回到初始值，证实四管SRAM并未发生单粒子翻转。

图5 四管SRAM单粒子翻转仿真结果

与上述传统六管SRAM仿真结果进行对比分析可以得出，无论是传统的六管SRAM存储单元还是四管SRAM存储单元，均在中子的LET值为1MeVcm2/mg时，发生了单粒子翻转，但两个SRAM存储单元在结构上存在比较大的差别，主要是结构的组成以及MOS管的工艺尺寸。为了更好地进行对比分析，可以仿真LET=0.8MeVcm2/mg时，0.18μm以及0.35μm的NMOS管受中子辐射，引起的漏极脉冲电流。具体的流程还是参照前文的整个过程，得到的两个不同工艺尺寸NMOS管，在中子的LET值为0.8MeVcm2/mg时，其漏极产生的脉冲电流，具体仿真结果如图6所示。

图6 LET=0.8MeVcm2/mg时，两种不同尺寸NMOS管漏极脉冲电流

从图6可以看出，LET=0.8MeVcm2/mg时，0.18μm的NMOS管受中子辐射影响，引起的漏极脉冲电流明显大于0.35的NMOS管所产生的脉冲电流，符合前文关于工艺尺寸对漏极脉冲电流的影响的论述，下面需要将这两个脉冲电流施加到四管SRAM以及传统六管SRAM的仿真电路中，其存储位Q的电压变化如图7所示。

图7 LET=0.8MeVcm2/mg时，两种不同结构的SRAM存储单元Q变化趋势

从图7中可以看出，当LET=0.8MeVcm2/mg时，四管SRAM中存储位Q的电压变化趋势与传统六管SRAM完全不同，四管SRAM中Q点受中子辐射的影响，电压从4.8V逐渐减小到几乎0V的状态，最终维持在0V；而传统六管SRAM中Q点受中子影响，电压在极短的时间内，下降到0.8V左右，而后迅速返回到初始值4.8V。以上分析说明，当LET=0.8MeVcm2/mg时，四管SRAM存储单元发生了单粒子翻转，而传统六管SRAM存储单元并未发生单粒子翻转。

在对六管NMOS型SRAM、改进型SRAM以及八管SRAM进行仿真对比分析后得出，六管NMOS型SRAM、改进型SRAM以及八管SRAM的存储单元，其存储位Q点电压变化与传统六管SRAM存储单元变化一致，证明影响SRAM发生单粒翻转的决定因素在于其组成的MOS管尺寸大小，尤其是其中负者存储数据的NMOS管的尺寸，与电路结构关系不大。