本帖最后由 wolfe_yu 于 2022-1-25 12:20 编辑
【漏风书场】主控芯片CPU/FPGA存储及单粒子翻转科普
前言每一次神舟载人飞船和SpaceX卫星的发射升空，都能吸引众多人关注。对于这些神秘的航天飞信器，你知道它们的信息都是怎么处理的吗？航天飞行器信息的处理依靠CPU/FPGA，而指令的执行则凭借存储器。目前市场上大多数售卖主芯片的厂商都是靠存储器起家的。我此对存储的分类以及它们各自的优劣进行了科普介绍。
半导体存储器功能分类半导体存储器是一种能存储大量二进制信息的半导体器件，半导体存储器种类很多，一般按功能来分，可以分为只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)。 ROM结构简单，断电以后数据还保留着；重新上电，读出来的数据还能恢复成原来的样子。 图1 ROM重新上电信息保留 RAM就不一样了，每次上电之后，上一次的信息无法保留。 图2 RAM重新上电信息丢失
只读存储器（ROM） 只读存储器主要分为掩膜存储器、可编程存储器（PROM）、电可擦写可编程存储器（EEPROM）和Flash等等。
早期只读存储器一览掩膜只读存储器：定制产品，按照用户要求来，内部数据在出厂时就被设定好，后续无法修改。 可编程只读存储器：也叫“反熔丝”，比掩膜存储器高级点，出厂时可以烧写一次，但如果烧错了，只好作废换下一个。 EEPROM（E2PROM）：为了重复利用，这代产品首先研究了第一代通过紫外线擦除的EPROM产品。这代产品是将电荷通过浮栅雪崩注入MOS管（FAMOS）、或者叠栅雪崩注入MOS管（SIMOS），通过雪崩效应编程。这种产品擦出复杂，而且擦写速度很慢。 后来经过改良升级，改采用浮栅隧道氧化层MOS管注入，取名“EEPROM”，也称作“E2PROM”。为了提高擦写可靠性，并保护隧道氧化层，EEPROM还会再加一个选通管。程序读写时，主要通过字线和位线施加脉冲来实现操作。 图3 掩膜存储器、反熔丝存储器、EEPROM一览
快闪存储器（Flash Memory）快闪存储器Flash是在EPROM和EEPROM的基础上做了一些改进，它采用一种类似于EPROM的单管叠栅结构的存储单元，只用一个单管来实现。 图4 Flash存储器单元结构
快闪存储器Flash的结构与EPROM的SIMOS管类似，主要差异为浮栅与衬底氧化层的厚度不同，下图是一个Flash的叠栅MOS管结构。 图5 普通Flash的叠栅MOS管结构
快闪存储器究竟是怎么保存数据的呢？Flash擦写是通过改变浮栅上的电荷来实现的。写入时，漏极经过位线接正压，并将衬底接地，在字线上加脉冲高压（18~20V），源级和漏极之间会发生雪崩击穿，部分电子会穿过氧化层到达浮栅，形成浮栅充电电荷。 擦除即是将电子从浮栅移出来实现。擦除时，将字线接地，同时，在P阱和N衬底上偏置一个正的脉冲高电压（约20V）。这时，浮栅上面的电荷又会通过隧道效应被移出。 读取Flash时，一般在字线加正常逻辑电平（一般3.3V或者5V），源级接地，当浮栅上存在电荷时，MOS管截止，输出1状态信号。反之，浮栅上没有电荷，MOS管导通，输出0状态信号。
图6 Flash单元擦写示例
Flash过擦除（Over Erase）快闪存储器的本质是存储阵列，通过对浮栅上的电荷与字线逻辑电平作比较来判断的。以Nor Flash为例。按照正常的工作方法，字线工作，会加正常逻辑（3.3V或5V）；字线不工作，通常是悬空或者输入0V电平。 正常情况，当字线不工作时，无正常逻辑（3.3V或5V）施压到栅极，不论浮栅上有无电荷，MOS管都要求截止。 如果Flash出现过擦除，这时，浮栅上会表现为高压，输出电压值不确定。如果电压值刚好能使该单元的MOS管导通，此时，无论选择哪个字线，该位线的读值都是0V，从而影响其他单元的读写，这被称为“单元泄露”。因此，为了让Flash避免过擦除，对擦除的时候会非常小心，从而让擦除时间变长。 图7 Nor Flash操作示意图
超级快闪存储器（SuperFlash®）前面提到，快闪存储器的功能很强大，但擦除速度太慢。针对这一问题，Excepoint世健代理的Microchip旗下SST发明的一种全新超级快闪存储SuperFlash®技术。 图8 SuperFlash®闪存的叠栅MOS管结构
在SuperFlash闪存中，控制栅被分成两部分，只覆盖一部分浮栅，它可以直接控制流入漏极的电流。 过度擦除留下的正电荷会产生单元泄漏路径，导致闪存无法正确读取数据。对于SuperFlash闪存来说，由于控制栅直接管理漏极边缘，过度擦除无法使浮栅的泄漏路径的达到漏极。所以，SuperFlash闪存不会考虑过度擦除问题，相对来说，擦除时间就会短很多。
随机存储器（RAM）随机存储器，可以随时随地读写数据，读写方便，操作灵活。但是，RAM存在数据易失性的缺点。RAM主要分为动态随机存储器DRAM和静态存储器SRAM两大类。
动态随机存储器（DRAM）一览动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）是一种半导体存储器，主要的作用原理是利用电容内存储电荷来代表一个二进制比特（bit）。由于在现实中晶体管会有漏电电流的现象，导致电容上所存储的电荷数量无法判别数据，从而造成数据毁损，因此DRAM需要周期性地充电。由于这种定时刷新的特性，因此被称为“动态”存储器。 图9 DRAM结构示意图
静态随机存储器（SRAM）静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）是在静态触发器的基础上构成，靠触发器的自保功能存储数据。 SRAM的存储单元用六只N沟道MOS管组成，其中四个MOS管组成基本RS触发器，用于**二进制代码；另外两个做门控开关，控制触发器和位线。 图10 SRAM结构示意图
RS触发器，是最常见的基本数字锁存单元， FPGA的LUT的主要组成部分，结构简单，操作灵活，RS触发器有一个致命的缺陷，容易产生竞争冒险。 图11 SRAM构造RS触发器数字逻辑示意图
SRAM的单粒子翻转事件（SEU）RS触发器有着非常好的锁存性能，但也有一个设计缺陷。在实际应用中，特别是在空间环境存在辐射的一些场景，会出现带电粒子穿过P管漏区有源区。此时，在粒子径迹上电离产生大量电子空穴对，形成“瞬态电流”。 图12 单粒子翻转事件充电原理 当上管出现一次电离辐射，通过建模，可以大致算出输出电压脉冲和累积电荷、以及存储电容存在一定关系。 假设，如果前级输入是逻辑1，输出是逻辑0，存储单元电容为100fF，只要累积电荷达到0.65pC-0.7pC时，输出电压脉冲幅值>0.7V，就很容易判断为输出为高电平。在输出端电压脉冲恢复到零电平之前，通过反馈，将逻辑0写入输入，从而造成输出端电压固定在高电平，变成逻辑1，出现粒子翻转效应。这也是我们常说的数字电路的竞争冒险现象。 图13 RS触发器引起竞争冒险现象
单粒子翻转影响及加固单粒子翻转会造成存储数据的改写，特别是行业多数FPGA芯片，大多是基于SRAM型的产品。一旦工作在恶劣环境下，极有可能引发产品工作异常，最终导致整个系统失灵。 一般来说，通过三模冗余、时间冗余和错误检测与纠正等电路结构设计加固方法，可对其进行改善。 不过最好的解决方法是采用Flash型FPGA。由于Flash型FPGA和基于锁存器原理的SRAM FPGA的存储原理完全不同，所以很难发生通过简单的电离辐射改写逻辑单元的情况，从而提高了可靠性。同时，Flash技术的产品的功耗也比SRAM的功耗低很多。 目前，基于Flash工艺的FPGA主要是Microchip。它拥有基于反熔丝和Flash技术的FPGA，目前市场上主流产品是第三代SmartFusion® ProASIC®3/IGLOO®、第四代SmartFusion® 2/IGLOO2和第五代PolarFire/PolarFire SoC系列。
其他存储器（FRAM&EERAM）相对于传统的主流半导体存储器，非易失性只读存储器(ROM)和易失性随机存储器（RAM），还有一些速度较快，而且非易失性存储器，比如铁电存储器（FRAM）、和非易失性随机存储器（EERAM）。
铁电存储器（FRAM）上文有提到，EEPROM是通过电荷泵对浮栅操作来做数据存储，浮栅的擦写需要时间，还会破坏浮栅单元，存在次数限制。铁电存储器（FRAM）是采用一种特殊工艺的非易失性的存储器，是采用人工合成的铅锆钛(PZT) 材料形成存储器结晶体。 当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新，掉电后数据能够继续保存，速度快而且不容易写坏。 铁电存储器是个好东西，不过有一个致命的弱点，贵。用在低成本的工业和消费场合性价比不高。 图14 铁电存储器原理
非易失性随机存储器存储器（EERAM）除了上文提到的FRAM，还有一种新型非易失性随机存储器（EERAM），这个产品是Microchip的独家秘籍。 图15 非易失性随机存储器架构
EERAM的工作原理非常简单，灵感来源于采用后备电池供电的SRAM，它的本质就是不需要外部电池，而是通过一个很小的外部电容器，SRAM和EEPROM之间通过IC监测共集极的电压，一旦电源电压较低，就通过电容供电，把SRAM的数据搬到EEPROM里面，防止信号丢失。 对于需要不断更新的存储数据，EERAM采用了一种特殊的工作方式，在监测到供电电压异常的时候，通过Vcap作为备用电源，把数据从SRAM转移到EEPROM，自动完成数据的安全转存。 当供电重新恢复正常，EEPROM的数据又自动导出到SRAM。而且，你也可以手动刷新数据到EEPROM。 图16 非易失性随机存储器用电容为SRAM转移数据提供电源
EERAM的优势包括： 自动通过断电可靠地保存数据、无限次写入数据、 低成本方案和 接近零时间的间隔写入。这个器件性能较高，而且价格也没有铁电那么昂贵，非常适合防数据丢失，成本敏感的客户。 图17 非易失性随机存储器工作原理
Microchip基于先进存储技术一揽子解决方案随着5G通信等市场的快速爆发，越来越多的定制产品层出不穷。由于存储器大多都要暴露在十分苛刻的环境中，市场对万能芯片FPGA的需求越来越大。Excepoint世健拥有专业的技术团队，其代理的Microchip 的FLASH型FPGA能有效抵抗辐射从而提高系统的可靠性，快速的SuperFlash和创新的EERAM技术的存储器等解决方案也都非常有特色，能帮助客户降低存储成本，为客户的系统设计需求提供更多选择。
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