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SRAM型FPGA(现场可编程门阵列)因其可现场编程的特性,在航天电子设备的设计和应用中备受青睐。单粒子效应(Single Event Effects,SEE)是指在太空环境中,由于宇宙射线中的高能粒子作用于电子设备,导致器件出现异常状态的现象。本研究针对SRAM型FPGA的单粒子效应敏感性进行了系统性分析,为SRAM型FPGA的抗辐射性能评估提供关键性参考。
研究总结了SRAM型FPGA内部包含的三类基本资源,包括:可编程逻辑功能模块、可编程逻辑I/O模块、可编程内部互连资源。可编程逻辑功能模块是指实现用户功能的基础单元,它通常由多个逻辑功能块组成一个阵列结构。可编程逻辑I/O模块用于芯片内部逻辑与外部管脚之间的接口。可编程内部互连资源则由不同长度的互连线和可编程开关单元组成,负责连接各个逻辑块或I/O模块。
接下来,研究分析了这些内部电路单元对单粒子效应的敏感性,并归纳出Virtex系列SRAM型FPGA中的6种敏感结构单元。这些单元包括:配置存储单元、输入/输出缓冲单元、逻辑单元、触发器、SRAM单元、分布式RAM单元。对于每一种敏感结构单元,研究给出了单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子闩锁的检测方式。
本研究还对SRAM型FPGA单粒子效应评估研究的发展趋势进行了总结。由于单粒子效应在航空航天领域的极端重要性,对SRAM型FPGA抗辐射性能的研究越来越受到重视。例如,Xilinx公司和NASA喷气推进实验室联合成立的SEE协会,对Xilinx多款SRAM型FPGA在太空中的应用进行了多年的研究与评估。
文章还提到了我国自主研发的SRAM型FPGA目前处于研究阶段,而如何准确评估其辐射效应敏感单元,是SRAM型FPGA辐射效应评估研究的关键。研究在分析Virtex系列FPGA内部结构和功能模块的基础上,系统性地研究了SRAM型FPGA的抗辐射性能,从而为其可靠评估提供了科学依据。
在航天电子设备的设计中,集成电路设计技术和集成电路工艺技术的进步为航天电子设备的发展提供了新的机遇。FPGA由于具有现场可编程性,其灵活的编程特点在满足硬件开发特殊需求方面具有独特优势,因此在航天电子设备中得到了广泛的应用。2003年,Xilinx公司的Virtex FPGA在火星探测任务中的成功应用进一步增强了国外航天领域对SRAM型FPGA应用的兴趣。勇气号(Spirit)和机遇号(Opportunity)火星探测器的成功使用了Xilinx公司的SRAM型FPGA。这些事实表明,SRAM型FPGA已成为航天电子设备中不可或缺的关键组件,且其抗辐射性能评估已成为航天系统设计师在硬件设计中必须考虑的重要因素。
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