- 宇宙射線(xiàn)對汽車(chē)電子系統的損傷分析
- 探討太空射線(xiàn)引發(fā)電子系統的故障
- 采用具有SRAM FPGA的汽車(chē)系統
設想一下：如果你驅車(chē)以每小時(shí)75英里的速度在高速公路上疾馳，一邊駕駛著(zhù)2006才購買(mǎi)的新車(chē)，一邊欣賞著(zhù)Steve Miller的Greatest Hits樂(lè )曲。突然間，引擎管理系統或穩定控制系統失效。如果出現這一幕，您不僅僅可能會(huì )遭遇嚴重或可能是致命的車(chē)禍，而且車(chē)廠(chǎng)也可能被毀譽(yù)一旦，假設類(lèi)似情況不止你一個(gè)的話(huà)。
隨著(zhù)汽車(chē)從純機械設備向現代高度集成的線(xiàn)控駕駛汽車(chē)電子系統發(fā)展，設計工程現在面臨越來(lái)越多的挑戰。它們必須持續把復雜的電子設備添加到每一個(gè)后續車(chē)型年，與此同時(shí)，仍然要維持高標準的品質(zhì)和可靠性，并滿(mǎn)足嚴格的低成本和大批量生產(chǎn)的要求。
傳統上，這些開(kāi)發(fā)商一直采用微控制器(MCU)、ASIC和碩大的線(xiàn)束來(lái)實(shí)現和控制這些系統并擴展每一代汽車(chē)的性能。目前，這些技術(shù)已經(jīng)逼近了它們的極限，并因復雜性呈指數增長(cháng)而引發(fā)了對可靠性問(wèn)題的關(guān)注。為了解決這些問(wèn)題，許多設計工程師正在轉向采用FPGA作為下一代汽車(chē)電子設計的靈活和低成本的解決方案。
太空射線(xiàn)引發(fā)的故障
為了確?，F代汽車(chē)中各種系統的功能運轉正常，必須對元器件提出可靠性數據的要求。雖然人們掌握元器件可靠性的大部分原理，但是，在選擇可編程邏輯器件如FPGA的過(guò)程中，要把一些獨特的問(wèn)題納入應該考慮的因素。
明確地說(shuō)，技術(shù)決策人要預見(jiàn)到將影響可編程邏輯系統的故障源。雖然來(lái)自太空(宇宙射線(xiàn))的中子轟擊的概念聽(tīng)起來(lái)就像蹦出Star Trek的插曲，中子導致的錯誤現實(shí)上對許多類(lèi)型的電子設備都有危害。
中子導致的固件錯誤(firm error)已經(jīng)從一件麻煩事變?yōu)橹卮髥?wèn)題。例如，如果中子導致基于SRAM(基于靜態(tài))的FPGA的(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：SRAM FPGA)配置單元被擾亂，就可能導致功能喪失。如果出現這種情況，它就可能造成主系統失常。展望未來(lái)，這種問(wèn)題將更為嚴重，因為將來(lái)的深亞微米制造工藝將持續為基于FPGA的汽車(chē)電子系統的設計工程師帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的挑戰。
在集成電路內部由中子造成的單事件擾亂(SEU)可能在各種類(lèi)型非易失性存儲單元中都會(huì )出現。上述SRAM FPGA采用內部存儲單元來(lái)保持FPGA的配置狀態(tài)或(個(gè)性)。這些存儲器單元面對更為嚴重的可靠性威脅。當內容被改變的時(shí)候，它被稱(chēng)為“軟錯誤”，因為是數據錯誤，而功能不受影響。雖然該器件可以采用校正數據成功地重新寫(xiě)入，對SRAM數據和寄存器可以分別采用EDAC(錯誤檢測和校正)或TMR(隧道磁阻)。軟錯誤可能導致數據丟失或“系統出現意外故障”。
如果SRAM FPGA配置存儲器單元受到破壞，那就稱(chēng)為“固件錯誤”，因為這些錯誤不易檢測或校正并且本質(zhì)上不是瞬時(shí)現象。一旦在FPGA中出現固件錯誤，必須采用初始配置對該器件進(jìn)行重新載入。在一些情況下，必須重新上電以清除故障，然后，重新配置。
這些配置單元中，只要有一個(gè)遭遇中子導致的SEU，后果都是嚴重的。如果配置為被擾亂并改變狀態(tài)，它可能會(huì )改變整個(gè)器件的功能，導致重大數據崩潰或向系統中的其它電路發(fā)送虛假的信號。在極端情況下，如果固件錯誤長(cháng)期未被檢測到其存在，那么，就能變成“硬故障(hard errors)”并對器件本身或包含該器件的系統造成破壞。這類(lèi)問(wèn)題的常見(jiàn)例子是：中子導致的穩故障把信號導向錯誤的路徑，從而造成短路。
對于采用SRAM FPGA的、執行重要任務(wù)的汽車(chē)電子應用系統，中子導致的錯誤有著(zhù)重要的影響?，F有的檢測技術(shù)，每隔一定間隔讀回FPGA的配置，對防止系統內的錯誤毫無(wú)幫助。
此外，能夠檢測受破壞配置的讀回電路本身就易于遭受SEU或破壞。進(jìn)一步說(shuō)，在檢查汽車(chē)系統抗中子導致的錯誤中，隨著(zhù)易受影響的FPGA技術(shù)的廣泛應用，人們要求把創(chuàng )新的質(zhì)量認證體系添加到AEC-Q100標準之中，以補充JEDEC標準 89的不足。當前檢測和校正FPGA固件錯誤的方案增加了系統設計的額外復雜性，并增加了電路板的大小和物料的成本，從而增加了發(fā)現中子導致的錯誤的“成本”。
中子導致的固件錯誤可能對整個(gè)系統按時(shí)間計算的故障(FIT)率影響很大。由于難以檢測和幾乎不可能診斷，軟和穩故障可能引發(fā)維護和服務(wù)問(wèn)題，從而有可能造成擔保費用攀升。在三種主流FPGA技術(shù)—反熔絲、閃存和SRAM—之中，只有反熔絲和閃存免受抗中子導致的軟錯誤和固件錯誤的影響。
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實(shí)例：具有SRAM FPGA的汽車(chē)系統
本例分析一個(gè)安裝在駕駛室內地板中的系統。中子射線(xiàn)密度以Denver計算，元素鈷放置在5000英尺的高處，用SpaceRad 4.5(一種廣泛應用的輻射效應預測軟件程序)工具測量。根據已出版的關(guān)于0.22um SRAM FPGA的輻射數據，每天每1百萬(wàn)門(mén)FPGA的預測擾亂率為1.05E-4。
如果供應商在乘員傳感器和氣袋控制模塊中部署1百萬(wàn)門(mén)SRAM FPGA，把每天每1百萬(wàn)門(mén)器件為1.054E-4的擾亂率乘以每天每系統為模擬4.38E-06的擾亂率或4375FIT。這意味著(zhù)，如果同一供應商在50萬(wàn)輛車(chē)中采用基于1百萬(wàn)門(mén)SRAM FPGA的安全系統，把擾亂數1.05E-4乘以路上的車(chē)輛/系統的數量，就得到所有車(chē)輛每天有52.5的總擾亂數(假設車(chē)輛做恒速工作)。
這就相當于每27.4分鐘出現一次擾亂。即使對于每天兩小時(shí)的中等車(chē)輛使用率，仍然有每天兩次擾亂。因為這些都是穩故障，它們都將持續下去，直到SRAM FPGA被二次加載(通常要重新上電或強迫配置)。
在目前的半導體技術(shù)中，器件中的軟錯誤已經(jīng)受到高度關(guān)注。隨著(zhù)器件尺寸持續縮小，人們廣泛認為這些軟錯誤將成為主要問(wèn)題。這些錯誤可能常常極大地降低系統的可用性。為了把系統的可用性維持在可以接受的水平，人們強烈要求避免出現軟錯誤。
未來(lái)要做的工作
當選擇FPGA的時(shí)候，至關(guān)重要的是評價(jià)每一種可編程架構所有權的總成本，并識別具有本質(zhì)上可靠的內核技術(shù)的供應商，不要采用為低檔次要求應用而設計的二等品質(zhì)的商用產(chǎn)品。
對于采用SRAM FPGA的設計工程師來(lái)說(shuō)，有必要實(shí)現檢測和校正配置錯誤的電路，盡管這會(huì )增加系統成本和復雜性。此外，輻射測試數據表明，反融絲和基于閃存的FPGA不易于出現因中子導致的擾亂而造成的配置丟失。這使它們特別適用于可靠性要求高的應用。
現在，想象以下稍微不同的外景：你以每小時(shí)75英里的速度駕駛著(zhù)新的2006車(chē)型在高速公路奔馳，耳畔聆聽(tīng)著(zhù)優(yōu)美的Steve Miller的Greatest Hits樂(lè )曲。由于對引擎管理系統中采用的基于非易失性閃存的FPGA充滿(mǎn)信心，你推桿加速狂飆，體驗著(zhù)極速帶來(lái)的快樂(lè )，享受著(zhù)舒適和無(wú)故障的旅行。
