FPGA 電路動態(tài)老化技術(shù)研究

摘　要：近年來，隨著FPGA 電路在軍工和航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，用戶對FPGA 電路的可靠性要求也越來越高。在集成電路的可靠性*估試驗中，動態(tài)老化試驗是最重要的試驗之一，FPGA 動態(tài)老化技術(shù)的實現(xiàn)可以提高FPGA 電路的可靠性。文章通過研究FPGA 電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能模塊，討論FPGA 電路加載配置過程的原理和流程，通過對動態(tài)老化和靜態(tài)老化的對比試驗和結(jié)果分析，研究出FPGA 電路動態(tài)老化試驗方法，并在工程實踐中得到了成功實現(xiàn)和應(yīng)用。

　　1 引言

　　FPGA 是現(xiàn)場可編程門陣列（Field ProgrammingGate Array）的縮寫，用戶可以編寫程序?qū)PGA 內(nèi)部的邏輯模塊和I/O 模塊重新配置，以實現(xiàn)芯片的邏輯功能。近年來，F(xiàn)PGA芯片以其大規(guī)模、高集成度、高可靠性、投資少、保密性好、開發(fā)方便、使用靈活、可在線編程等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。隨著FPGA 電路在軍工和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，其高可靠性尤為重要，為了提高電路的可靠性，最好的方法是對電路進行篩選，其中老化試驗就是篩選過程中最為重要的環(huán)節(jié)之一。

　　考慮到FPGA 電路的工作模式比較復(fù)雜，外部需要存儲器或者FLASH 對其進行配置，F(xiàn)PGA 才能動態(tài)工作，因此國內(nèi)一般的FPGA 老化技術(shù)都采用了靜態(tài)老化試驗方法。這種靜態(tài)老化試驗方法存在著一定的缺陷，電路在老化過程中并沒有受到真正的應(yīng)力，因此并不能真正剔除掉早期失效的產(chǎn)品，其可靠性得不到保證。對FPGA 電路動態(tài)老化的研究，提高老化試驗條件的嚴酷度，即可保證電路的高可靠性要求。

　　2 動態(tài)老化試驗

　　集成電路的動態(tài)老化理論上要求電路在其最高溫度工作條件下完全模擬實際工作狀態(tài)，電路內(nèi)部的邏輯單元都有機會得到翻轉(zhuǎn)，對于一般數(shù)字集成電路都需要外部提供功能測試碼來驅(qū)動電路工作。

　　對于FPGA 電路的動態(tài)老化試驗來說，功能測試碼是存儲在外部存儲器中的配置程序，將程序配置到FPGA 電路內(nèi)部，使內(nèi)部的門陣列全部工作起來，實現(xiàn)高覆蓋率的邏輯節(jié)點的翻轉(zhuǎn)，讓其按照規(guī)定的功能工作。因此本研究工作的關(guān)鍵在如何進行FPGA電路的程序配置。

　　3 FPGA設(shè)計流程

　　完整的FPGA 設(shè)計流程包括邏輯電路設(shè)計輸入、功能仿真、綜合及時序分析、實現(xiàn)、加載配置、調(diào)試。FPGA 配置就是將特定的應(yīng)用程序設(shè)計按FPGA設(shè)計流程轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)位流加載到FPGA 的內(nèi)部存儲器中，實現(xiàn)特定邏輯功能的過程。由于FPGA 電路的內(nèi)部存儲器都是基于RAM 工藝的，所以當FPGA電路電源掉電后，內(nèi)部存儲器中已加載的位流數(shù)據(jù)將隨之丟失。所以，通常將設(shè)計完成的FPGA 位流數(shù)據(jù)存于外部存儲器中，每次上電自動進行FPGA電路配置加載。

　　4 FPGA配置原理

　　以Xilinx公司的Qpro Virtex Hi-Rel系列XQV100電路為例，F(xiàn)PGA的配置模式有四種方案可選擇：MasterSerial Mode，Slave Serial Mode，Master selectMAPMode，Slave selectMAP Mode。配置是通過芯片上的一組專/ 復(fù)用引腳信號完成的，主要配置功能信號如下：

　　（1）M0、M1、M2：下載配置模式選擇；

　　（2）CLK：配置時鐘信號；

　　（3）DONE：顯示配置狀態(tài)、控制器件啟動；

　　（4）PROG_B：初始化引出端；

　　（5）INT_B：配置延遲控制，配置錯誤顯示；

　　（6）DOUT：菊花鏈中的配置數(shù)據(jù)輸出。

　　（7）DIN：串行數(shù)據(jù)輸入；

　　FPGA 電路在選定模式下的配置過程包括四個主要階段：

　　（1）清除FPGA 電路內(nèi)部配置存儲器；

　　（2）初始化FPGA 電路配置邏輯功能；

　　（3）加載FPGA 電路配置數(shù)據(jù)流；

　　（4）FPGA 電路配置完成，啟動電路就緒序列。