PROGRAMMERBAR LOGIK
Komponenter
▲
INLEDAREN
Vinner
mark
Detta tema visar bredden på
tillämpningar av programmerbar logik. Inte minst används FPGA-kretsar för digital signalbehandling, exempelvis som multimediaprocessor vid trådlösa applikationer
och för programstyd radio eller “software defined radio”
för mobiltelefoni.
Allt kortare serier, krav på
kort tid till marknaden och
ofullständiga, successivt ändrade standarder, tvingar konstruktören till programmerbarhet, i form av programvara
och mikroprocessor eller programmerbar logik. Ett intressant alternativ är rekonfigurerbara processorer, där programvaran kan ställa om konstruktionen under drift. Denna
ökade frihetsgrad är förstås
förknippad med ökad komplexitet. Än så länge finns inga
standardiserade operativsystem för detta, men de kommer
säkert. En av artiklarna beskriver en konstruktion för att presentera strömmande video på
en PDA. Begränsad bandbredd och extrema krav på
låg effektförbrukning tvingar
fram extraordinära lösningar,
som i det här fallet med en
FPGA eller en rekonfigurerbar
processor från Tensilica.
Det man tidigare tvingades
lösa i asic, kan man ofta åstadkomma i en FPGA. Priserna
på FPGA sjunker radikalt,
medan de för asic stiger för
varje processgeneration, eftersom maskkostnaderna ökar
exponentiellt med minskade
strukturer. Kan direktskrivning ge asic längre liv?
Att förkasta asic som sådan, vore dock fel. Kiselytan
blir radikalt mycket mindre
och kretsarna kan optimeras
på ett helt annat sätt för ökad
snabbhet och lägre effektförbrukning. Inget säger heller
att man måste använda senaste generationens processteknik, eftersom man ändå
vinner prestanda tack vare att
kretsarna kan åstadkommas
med långt färre transistorer
än i FPGA. Dessa kräver både
extra transistorer och ledningar för en given funktion.
[email protected]
36
Neutroner orsakar fel
i programmerbar logik
I takt med att halvledargeometrierna minskar,
ökar också risken för att
neutroner skall ändra
innehållet i minnescellerna. Barry Marsh,
Actel, tar här upp några
orsaker och hur man
kan minimera felfrekvensen.
Redan i slutet av 70-talet märkte
konstruktörerna att man fick
större mängder korrupta data i
DRAM-arrayer än väntat. Orsaken var svår att hitta. Efter mycken forskning upptäckte halvledarfysikerna att minskande kretsgeometrier ökade riskerna för att
minnescellerna skulle ändra sina
logiska tillstånd p g a att de träffats av högenergetiska neutroner.
Idag ger neutronträffar fortfarande en väsentlig risk för minskad tillförlitlighet i både markbaserad och flygburen elektronik.
Därför tar man ofta till metoder
som feldetekterande och felkorrigerande koder och tredubbel redundans för att skydda data i
driftskritiska minnessystem.
Men att garantera dataintegritet i FPGA-kretsar som innehåller SRAM-baserade konfigurationsminnen har fortfarande sina
problem. Eftersom dessa kretsar
för sin funktion är beroende av
data som lagras i minnen, finns
det risk för att neutronträffar kan
orsaka katastrofala systemfel p g a
att kretsen kan rekonfigureras på
ett icke förutsägbart sätt. Därför
är det nödvändigt att de som konstruerar system med hög tillgänglighet förstår de felmekanismer
som kan uppstå p g a neutroner,
och att de kan välja kretsteknologier och tekniker som maximerar
systemtillförlitligheten.
De mekanismer som genererar
neutronträffar är numera väl kända. När galaktisk kosmisk strålning och solstrålar kolliderar med
jordens översta atmosfär, förstör
högenergetiska partiklar kväveoch syreatomer och skapar olika
andra högenergetiska partiklar.
De flesta av dessa partiklar är laddade och rekombineras snabbt.
Men många oladdade neutroner kommer inte att rekombineras, utan istället att förflytta sig
med hög hastighet tills de kolliderar med gaser i atmosfären, objekt på jordytan eller objekt som
rör sig genom atmosfären. Eftersom atmosfäriska gaser dämpar
neutronerna, kommer antalet be-
Fig 1. Eftersom atmosfäriska gaser dämpar neutronerna, kommer
antalet befintliga neutroner, eller neutronflödet, att främst vara
beroende av höjden, med en topp kring 20 000 m.
Fig 2. Jordens magnetfältlinjer ligger tätast nära polerna, så fler
kosmiska partiklar når jordens yta där än vid ekvatorn. Longituden har mindre inverkan, men två orter på samma latitud har olika flödestäthet beroende på höjden över havet.
fintliga neutroner – eller neutronflödet – att främst vara beroende av höjden, med en topp
kring 20 000 m. Se fig 1.
Eftersom jordens magnetiska
fält fångar upp inkommande högenergetiska partiklar och förhindrar kollisioner med atmosfäriska
gaser, är även latituden en viktig
faktor. Jordens magnetfältlinjer
ligger tätast nära polerna, så fler
kosmiska partiklar når jordens yta
där än vid ekvatorn. Longituden
har mindre inverkan, men som
fig 2 visar, kan två städer på samma latitud ha olika flödestäthet:
Denver som ligger på 1 500 m
höjd har tre gånger så högt neutronflöde som New York som ligger vid havsytan.
I de flesta fall passerar neutroner
som träffar en IC rakt genom
Fig 3. Ibland kan en neutron passera så nära att kislet eller dopningsatomerna i kretsen kan skapa sekundära partiklar. Dessa partiklar skapar ett spår av elektron/hål-par som kan uppnå en längd
av flera tiotals µm. Om detta händer nära en i backriktningen förspänd P/N-övergång i en minnescell, eller en vippa, kan en spänningsspik uppstå som förändrar kretsens logiska tillstånd.
kretsen utan att påverka dess
funktion. Vid enstaka tillfällen
kan en neutron passera så nära att
kislet eller dopningsatomerna i
kretsen kan skapa sekundära partiklar. Sekundärpartiklarna skapar ett spår av elektron/hål-par
som kan uppnå en längd av flera
tiotals µm.
Om detta händer nära en i
backriktningen förspänd P/Növergång i en minnescell, eller en
vippa, kan en spänningsspik uppstå som kan förändra kretsens logiska tillstånd, se fig 3. Vanligen
uppstår ingen skada och felet kan
återställas genom att minneselementet skrivs om. Men om minneselementet används för att lagra konfigurationsdata, kan en sådan förändring orsaka en konflikt
inom kretsen, eller med andra
kretsar som är anslutna till den.
Om en sådan konflikt uppstår
kan alltför höga strömmar börja
flyta, viket kan resultera i att kretsen eller systemet skadas.
Sannolikheten för att en neutronträff skall ändra innehållet i
en minnescell eller en vippa beror
på flera faktorer. Neutronen måste träffa kretsen med tillräckligt
hög energi för att orsaka att sekundära tunga partiklar bildas
inom kislets kristallstruktur. De
bildade partiklarna måste ha tillräckligt hög energi och färdas i
rätt riktning för att kunna ladda
den känsliga volymen i kretsen.
I takt med att halvledarna får allt
mindre strukturstorlekar, minskar även den mängd laddning
som krävs för att orsaka datakorruption. När denna laddningsnivå minskar, ökar antalet neutroner som kan stimulera en sådan korruption exponentiellt, se
fig 4. Figuren visar effekten av alfapartiklar som funktion av
mängden isotoper inom kapselmaterialen.
Alfapartiklar och neutronträffar som orsakar “mjuka” fel, kan
sammanfattas som “single-event
upsets” (enstaka störningar). Sannolikheten för sådana störningar
ökar dramatiskt när processteknologierna går mot allt mindre
strukturer. Å andra sidan minskar
chipytan hos minnescellerna och
vipporna, så sannolikheten för att
ett sådant element skall träffas av
en partikel minskar.
Denna förmildrande omständighet uppvägs dock av att man
tenderar att lägga in fler minneselement när geometrierna krymper. Härtill kommer att den minskade sannolikheten för att ett individuellt minneselement skall
träffas, uppvägs av att det krävs
ELEKTRONIK I NORDEN 9/2003
PROGRAMMERBAR LOGIK
Forts nästa sida
lägre energinivåer för att enstaka
störningar skall uppkomma.
Om man har tillgång till data
över strålningen på en given plats
och data över en viss kretsfamiljs
strålningskänslighet, kan man
beräkna sannolikheten för störningar i ett system. De enda publicerade data från strålningstester
av SRAM-baserade FPGA gäller
för kretsar på 0,22 µm och äldre.
Dagens tätaste kretsar tillverkas i 0,13 µm-teknologi och innehåller upp till 43 miljoner konfigurationsbitar. De lägre energinivåerna i 0,13 µm-kretsar antyder att deras känslighet för enstaka störningar är minst fyra gånger större än hos 0,22 µm-kretsar
med samma täthet. Det innebär
att det torde vara en väsentlig
skillnad i tillförlitlighet för dessa
båda kretsgeometrier.
Se exempelvis på en telekomswitch som finns i Denver på
1 600 m höjd över havet och som
innehåller 64 FPGA per system.
Data för 0,22 µm-kretsar visar en
störningsfrekvens på 1,05 × 10-4
störningar per 1M-grinds SRAMFPGA och dag. Med 64 kretsar
får man en tid på 3 580 timmar
mellan störningarna i systemet.
Om man istället extrapolerar
data för en 1M-grinds krets i 0,13
µm, får man 4,19 × 10-4 störningar per dag och 895 timmar
mellan systemstörningarna. Nästa generations SRAM-FPGA i
0,09 µm-teknologi väntas bli
dubbelt så känsliga för enstaka
störningar som kretsar i 0,13 µm.
Tills nyligen har systemkonstruktörerna lagt ned mest möda
på att minska de skador som enstaka störningar orsakar. Tekniker som feldetekterande/felkorrigerande koder och trippelmodulsredundans är effektiva i konventionella minnesarrayer.
Men om man konstruerar med
SRAM-FPGA ställs man inför ett
allvarligare hot. I dessa kretsar
lagras konfigurationsdata i vippor uppbyggda med sex transistorer och dessa vippor är bara något mindre känsliga för enstaka
störningar än vad DRAM-minnesceller är. Om en neutronträff
korrumperar en konfigurationsbit kan hela kretsens funktion
komma att förändras. Detta kan
orsaka en omfattande datakorruption, som kan ge upphov till
oönskade signaler till andra kretsar i systemet. I extrema fall kan
hela systemet rubbas eller rent av
förstöras.
Detekteringsmetoder som bygger på att man med regelbundna
intervall återläser konfigurationsdata, kan mata in korrupta data i
systemet under lång tid. Dessutom kan de kretsar som hanterar denna återläsning själva drabbas av enstaka störningar eller
permanenta skador.
I system med trippelmodulsre-
ELEKTRONIK I NORDEN 9/2003
Fig 4. När halvledarna får
mindre strukturstorlekar, minskar även mängden laddning
som krävs för att orsaka datakorruption. När denna laddningsnivå sänks, ökar antalet
neutroner som kan stimulera
en sådan korruption exponentiellt. Här visas effekten av alfapartiklar som funktion av
mängden isotoper i kapselmaterialen.
dundans på kortnivå använder
man tre uppsättningar av samma
konstruktion. En kretsfunktion
som arbetar med majoritetsval
garanterar att data som korrumperats av enstaka störningar upp-
täcks innan de kan vidarebefordras genom resten av systemet. De
flesta voteringskretsar är byggda i
37
PROGRAMMERBAR LOGIK
Neutroner...
Forts från föregående sida
en teknologi som motstår enstaka störningar.
Om ett FPGA-konfigurationsfel upptäcks, måste man göra en
refresh. Denna process kan ta
hundratals millisekunder och
den kan avbryta hela systemets
operation. Dessutom ger trippelmodulsredundans större kretskomplexitet och man får extrakostnader i form av komponentantal, kortutrymme och effektförbrukning.
Hittills har enstaka störningar
främst associerats till rymdsystem, som är utsatta för höga strålningsnivåer på hög höjd eller ute
i rymden. Idag har övergången till
mindre kretsgeometrier orsakat
liknande hot i markbaserade system som innehåller SRAM-baserade FPGA. I sådana system där
hög tillförlitlighet är en viktig
faktor, måste man försäkra sig om
att FPGA-kretsarna fungerar riktigt med hjälp av kostsamma metoder för felkorrigering.
Genom att ersätta SRAMFPGA med flash- eller antifusebaserade programmerbara kretsar, kan man slippa undan dessa
krav på felkorrigering. Flashbaserade FPGA måste utsättas för
mycket högre strålningsnivåer för
att enstaka störningar skall uppstå, jämfört med motsvarande
SRAM-baserade kretsar. Antifuse-baserade kretsar är hårdvirade
och därmed immuna mot denna
typ av fel.
Actel erbjuder kommersiellt
klassade kretsar med upp till två
miljoner ekvivalenta grindar som
motstår neutronbombardemang
av sådan styrka som man normalt
träffar på i jordens atmosfär, utan
att förlora några konfigurationsdata. För driftskänsliga militäroch rymdtillämpningar omfattar
Actels sortiment kretsar som
sträcker sig från Mil-Std 883 över
strålningstoleranta till strålningshärdade kretsar som klarar drift i
rymdmiljö i över 15 år.
38
ELEKTRONIK I NORDEN 9/2003
