主控芯片CPU/FPGA存儲(chǔ)及單粒子翻轉(zhuǎn)科普

前言

每一次神舟載人飛船和SpaceX衛(wèi)星的發(fā)射升空，都能吸引眾多人關(guān)注。對(duì)于這些神秘的航天飛信器，你知道它們的信息都是怎么處理的嗎？航天飛行器信息的處理依靠CPU/FPGA，而指令的執(zhí)行則憑借存儲(chǔ)器。目前市場(chǎng)上大多數(shù)售賣(mài)主芯片的廠商都是靠存儲(chǔ)器起家的。Excelpoint世健公司的工程師Wolfe Yu在此對(duì)存儲(chǔ)的分類(lèi)以及它們各自的優(yōu)劣進(jìn)行了科普介紹。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器功能分類(lèi)

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一種能存儲(chǔ)大量二進(jìn)制信息的半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器種類(lèi)很多，一般按功能來(lái)分，可以分為只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)。

ROM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，斷電以后數(shù)據(jù)還保留著；重新上電，讀出來(lái)的數(shù)據(jù)還能恢復(fù)成原來(lái)的樣子。

圖1 ROM重新上電信息保留

RAM就不一樣了，每次上電之后，上一次的信息無(wú)法保留。

圖2 RAM重新上電信息丟失

只讀存儲(chǔ)器（ROM）

只讀存儲(chǔ)器主要分為掩膜存儲(chǔ)器、可編程存儲(chǔ)器（PROM）、電可擦寫(xiě)可編程存儲(chǔ)器（EEPROM）和Flash等等。

早期只讀存儲(chǔ)器一覽

掩膜只讀存儲(chǔ)器：定制產(chǎn)品，按照用戶(hù)要求來(lái)，內(nèi)部數(shù)據(jù)在出廠時(shí)就被設(shè)定好，后續(xù)無(wú)法修改。

可編程只讀存儲(chǔ)器：也叫“反熔絲”，比掩膜存儲(chǔ)器高級(jí)點(diǎn)，出廠時(shí)可以燒寫(xiě)一次，但如果燒錯(cuò)了，只好作廢換下一個(gè)。

EEPROM（E2PROM）：為了重復(fù)利用，這代產(chǎn)品首先研究了第一代通過(guò)紫外線擦除的EPROM產(chǎn)品。這代產(chǎn)品是將電荷通過(guò)浮柵雪崩注入MOS管（FAMOS）、或者疊柵雪崩注入MOS管（SIMOS），通過(guò)雪崩效應(yīng)編程。這種產(chǎn)品擦出復(fù)雜，而且擦寫(xiě)速度很慢。

后來(lái)經(jīng)過(guò)改良升級(jí)，改采用浮柵隧道氧化層MOS管注入，取名“EEPROM”，也稱(chēng)作“E2PROM”。為了提高擦寫(xiě)可靠性，并保護(hù)隧道氧化層，EEPROM還會(huì)再加一個(gè)選通管。程序讀寫(xiě)時(shí)，主要通過(guò)字線和位線施加脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)操作。

圖3 掩膜存儲(chǔ)器、反熔絲存儲(chǔ)器、EEPROM一覽

快閃存儲(chǔ)器（Flash Memory）

快閃存儲(chǔ)器Flash是在EPROM和EEPROM的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)，它采用一種類(lèi)似于EPROM的單管疊柵結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元，只用一個(gè)單管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4  Flash存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)

快閃存儲(chǔ)器Flash的結(jié)構(gòu)與EPROM的SIMOS管類(lèi)似，主要差異為浮柵與襯底氧化層的厚度不同，下圖是一個(gè)Flash的疊柵MOS管結(jié)構(gòu)。

圖5 普通Flash的疊柵MOS管結(jié)構(gòu)

快閃存儲(chǔ)器究竟是怎么保存數(shù)據(jù)的呢？Flash擦寫(xiě)是通過(guò)改變浮柵上的電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。寫(xiě)入時(shí)，漏極經(jīng)過(guò)位線接正壓，并將襯底接地，在字線上加脈沖高壓（18~20V），源級(jí)和漏極之間會(huì)發(fā)生雪崩擊穿，部分電子會(huì)穿過(guò)氧化層到達(dá)浮柵，形成浮柵充電電荷。

擦除即是將電子從浮柵移出來(lái)實(shí)現(xiàn)。擦除時(shí)，將字線接地，同時(shí)，在P阱和N襯底上偏置一個(gè)正的脈沖高電壓（約20V）。這時(shí)，浮柵上面的電荷又會(huì)通過(guò)隧道效應(yīng)被移出。

讀取Flash時(shí)，一般在字線加正常邏輯電平（一般3.3V或者5V），源級(jí)接地，當(dāng)浮柵上存在電荷時(shí)，MOS管截止，輸出1狀態(tài)信號(hào)。反之，浮柵上沒(méi)有電荷，MOS管導(dǎo)通，輸出0狀態(tài)信號(hào)。

圖6 Flash單元擦寫(xiě)示例

Flash過(guò)擦除（Over Erase）

快閃存儲(chǔ)器的本質(zhì)是存儲(chǔ)陣列，通過(guò)對(duì)浮柵上的電荷與字線邏輯電平作比較來(lái)判斷的。以Nor Flash為例。按照正常的工作方法，字線工作，會(huì)加正常邏輯（3.3V或5V）；字線不工作，通常是懸空或者輸入0V電平。

正常情況，當(dāng)字線不工作時(shí)，無(wú)正常邏輯（3.3V或5V）施壓到柵極，不論浮柵上有無(wú)電荷，MOS管都要求截止。

如果Flash出現(xiàn)過(guò)擦除，這時(shí)，浮柵上會(huì)表現(xiàn)為高壓，輸出電壓值不確定。如果電壓值剛好能使該單元的MOS管導(dǎo)通，此時(shí)，無(wú)論選擇哪個(gè)字線，該位線的讀值都是0V，從而影響其他單元的讀寫(xiě)，這被稱(chēng)為“單元泄露”。因此，為了讓Flash避免過(guò)擦除，對(duì)擦除的時(shí)候會(huì)非常小心，從而讓擦除時(shí)間變長(zhǎng)。

圖7 Nor Flash操作示意圖

超級(jí)快閃存儲(chǔ)器（SuperFlash^?）

前面提到，快閃存儲(chǔ)器的功能很強(qiáng)大，但擦除速度太慢。針對(duì)這一問(wèn)題，Wolfe Yu介紹了世健代理的Microchip旗下SST發(fā)明的一種全新超級(jí)快閃存儲(chǔ)SuperFlash^?技術(shù)。

圖8 SuperFlash^?閃存的疊柵MOS管結(jié)構(gòu)

在SuperFlash閃存中，控制柵被分成兩部分，只覆蓋一部分浮柵，它可以直接控制流入漏極的電流。

過(guò)度擦除留下的正電荷會(huì)產(chǎn)生單元泄漏路徑，導(dǎo)致閃存無(wú)法正確讀取數(shù)據(jù)。對(duì)于SuperFlash閃存來(lái)說(shuō)，由于控制柵直接管理漏極邊緣，過(guò)度擦除無(wú)法使浮柵的泄漏路徑的達(dá)到漏極。所以，SuperFlash閃存不會(huì)考慮過(guò)度擦除問(wèn)題，相對(duì)來(lái)說(shuō)，擦除時(shí)間就會(huì)短很多。

隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）

隨機(jī)存儲(chǔ)器，可以隨時(shí)隨地讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，讀寫(xiě)方便，操作靈活。但是，RAM存在數(shù)據(jù)易失性的缺點(diǎn)。RAM主要分為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM和靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM兩大類(lèi)。

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）一覽

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）是一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，主要的作用原理是利用電容內(nèi)存儲(chǔ)電荷來(lái)代表一個(gè)二進(jìn)制比特（bit）。由于在現(xiàn)實(shí)中晶體管會(huì)有漏電電流的現(xiàn)象，導(dǎo)致電容上所存儲(chǔ)的電荷數(shù)量無(wú)法判別數(shù)據(jù)，從而造成數(shù)據(jù)毀損，因此DRAM需要周期性地充電。由于這種定時(shí)刷新的特性，因此被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)”存儲(chǔ)器。

圖9 DRAM結(jié)構(gòu)示意圖

靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）

靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Static Random Access Memory，SRAM）是在靜態(tài)觸發(fā)器的基礎(chǔ)上構(gòu)成，靠觸發(fā)器的自保功能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

SRAM的存儲(chǔ)單元用六只N溝道MOS管組成，其中四個(gè)MOS管組成基本RS觸發(fā)器，用于記憶二進(jìn)制代碼；另外兩個(gè)做門(mén)控開(kāi)關(guān)，控制觸發(fā)器和位線。

圖10 SRAM結(jié)構(gòu)示意圖

RS觸發(fā)器，是最常見(jiàn)的基本數(shù)字鎖存單元， FPGA的LUT的主要組成部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活，RS觸發(fā)器有一個(gè)致命的缺陷，容易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。

圖11 SRAM構(gòu)造RS觸發(fā)器數(shù)字邏輯示意圖

SRAM的單粒子翻轉(zhuǎn)事件（SEU）

RS觸發(fā)器有著非常好的鎖存性能，但也有一個(gè)設(shè)計(jì)缺陷。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在空間環(huán)境存在輻射的一些場(chǎng)景，會(huì)出現(xiàn)帶電粒子穿過(guò)P管漏區(qū)有源區(qū)。此時(shí)，在粒子徑跡上電離產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，形成“瞬態(tài)電流”。

圖12 單粒子翻轉(zhuǎn)事件充電原理

當(dāng)上管出現(xiàn)一次電離輻射，通過(guò)建模，可以大致算出輸出電壓脈沖和累積電荷、以及存儲(chǔ)電容存在一定關(guān)系。

假設(shè)，如果前級(jí)輸入是邏輯1，輸出是邏輯0，存儲(chǔ)單元電容為100fF，只要累積電荷達(dá)到0.65pC-0.7pC時(shí)，輸出電壓脈沖幅值>0.7V，就很容易判斷為輸出為高電平。在輸出端電壓脈沖恢復(fù)到零電平之前，通過(guò)反饋，將邏輯0寫(xiě)入輸入，從而造成輸出端電壓固定在高電平，變成邏輯1，出現(xiàn)粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。這也是我們常說(shuō)的數(shù)字電路的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象。

圖13 RS觸發(fā)器引起競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象

單粒子翻轉(zhuǎn)影響及加固

單粒子翻轉(zhuǎn)會(huì)造成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的改寫(xiě)，特別是行業(yè)多數(shù)FPGA芯片，大多是基于SRAM型的產(chǎn)品。一旦工作在惡劣環(huán)境下，極有可能引發(fā)產(chǎn)品工作異常，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失靈。

一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)三模冗余、時(shí)間冗余和錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正等電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加固方法，可對(duì)其進(jìn)行改善。

不過(guò)最好的解決方法是采用Flash型FPGA。由于Flash型FPGA和基于鎖存器原理的SRAM FPGA的存儲(chǔ)原理完全不同，所以很難發(fā)生通過(guò)簡(jiǎn)單的電離輻射改寫(xiě)邏輯單元的情況，從而提高了可靠性。同時(shí)，F(xiàn)lash技術(shù)的產(chǎn)品的功耗也比SRAM的功耗低很多。

目前，基于Flash工藝的FPGA主要是Microchip。它擁有基于反熔絲和Flash技術(shù)的FPGA，目前市場(chǎng)上主流產(chǎn)品是第三代SmartFusion^? ProASIC^?3/IGLOO^?、第四代SmartFusion^? 2/IGLOO2和第五代PolarFire/PolarFire SoC系列。

其他存儲(chǔ)器（FRAM&EERAM）

相對(duì)于傳統(tǒng)的主流半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，非易失性只讀存儲(chǔ)器(ROM)和易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），還有一些速度較快，而且非易失性存儲(chǔ)器，比如鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）、和非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器（EERAM）。

鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）

上文有提到，EEPROM是通過(guò)電荷泵對(duì)浮柵操作來(lái)做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，浮柵的擦寫(xiě)需要時(shí)間，還會(huì)破壞浮柵單元，存在次數(shù)限制。鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）是采用一種特殊工藝的非易失性的存儲(chǔ)器，是采用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲(chǔ)器結(jié)晶體。

當(dāng)一個(gè)電場(chǎng)被加到鐵電晶體時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)的方向在晶體里移動(dòng)。當(dāng)原子移動(dòng)時(shí)，它通過(guò)一個(gè)能量壁壘，從而引起電荷擊穿。內(nèi)部電路感應(yīng)到電荷擊穿并設(shè)置存儲(chǔ)器。移去電場(chǎng)后，中心原子保持不動(dòng)，存儲(chǔ)器的狀態(tài)也得以保存。鐵電存儲(chǔ)器不需要定時(shí)更新，掉電后數(shù)據(jù)能夠繼續(xù)保存，速度快而且不容易寫(xiě)壞。

鐵電存儲(chǔ)器是個(gè)好東西，不過(guò)有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，貴。用在低成本的工業(yè)和消費(fèi)場(chǎng)合性?xún)r(jià)比不高。

圖14  鐵電存儲(chǔ)器原理

非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器（EERAM）

除了上文提到的FRAM，還有一種新型非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器（EERAM），這個(gè)產(chǎn)品是Microchip的獨(dú)家秘籍。

圖15 非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器架構(gòu)

EERAM的工作原理非常簡(jiǎn)單，靈感來(lái)源于采用后備電池供電的SRAM，它的本質(zhì)就是不需要外部電池，而是通過(guò)一個(gè)很小的外部電容器，SRAM和EEPROM之間通過(guò)IC監(jiān)測(cè)共集極的電壓，一旦電源電壓較低，就通過(guò)電容供電，把SRAM的數(shù)據(jù)搬到EEPROM里面，防止信號(hào)丟失。

對(duì)于需要不斷更新的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，EERAM采用了一種特殊的工作方式，在監(jiān)測(cè)到供電電壓異常的時(shí)候，通過(guò)Vcap作為備用電源，把數(shù)據(jù)從SRAM轉(zhuǎn)移到EEPROM，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的安全轉(zhuǎn)存。

當(dāng)供電重新恢復(fù)正常，EEPROM的數(shù)據(jù)又自動(dòng)導(dǎo)出到SRAM。而且，你也可以手動(dòng)刷新數(shù)據(jù)到EEPROM。

圖16 非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器用電容為SRAM轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)提供電源

EERAM的優(yōu)勢(shì)包括： 自動(dòng)通過(guò)斷電可靠地保存數(shù)據(jù)、無(wú)限次寫(xiě)入數(shù)據(jù)、 低成本方案和 接近零時(shí)間的間隔寫(xiě)入。這個(gè)器件性能較高，而且價(jià)格也沒(méi)有鐵電那么昂貴，非常適合防數(shù)據(jù)丟失，成本敏感的客戶(hù)。

圖17 非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器工作原理

Microchip基于先進(jìn)存儲(chǔ)技術(shù)一攬子解決方案

隨著5G通信等市場(chǎng)的快速爆發(fā)，越來(lái)越多的定制產(chǎn)品層出不窮。由于存儲(chǔ)器大多都要暴露在十分苛刻的環(huán)境中，市場(chǎng)對(duì)萬(wàn)能芯片F(xiàn)PGA的需求越來(lái)越大。Excepoint世健擁有專(zhuān)業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，其代理的Microchip 的FLASH型FPGA能有效抵抗輻射從而提高系統(tǒng)的可靠性，快速的SuperFlash和創(chuàng)新的EERAM技術(shù)的存儲(chǔ)器等解決方案也都非常有特色，能幫助客戶(hù)降低存儲(chǔ)成本，為客戶(hù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求提供更多選擇。