主控芯片CPU/FPGA存储及单粒子翻转科普

作者：Excelpoint世健

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。Excelpoint世健公司的工程师Wolfe Yu在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，Wolfe Yu介绍了世健代理的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，用于记忆二进制代码；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。