辐射在它的各种形态一直是电子系统的设计者的克星。不幸的是,辐射的影响变得更加阴险的和普遍的集成电路制造过程采用越来越小的结构。最严峻的问题在fpga中,也有自己的配置细胞应对。令人高兴的是,一个新的制造工艺可以消除辐射引发的FPGA困境。
更多(处理)的力量!
这些天,许多系统我们需要保持我们的文明运行需求的计算能力。
有各种各样的计算引擎可供选择的方法,其中包括微控制器单元(mcu)、微处理器单元(微控制器)、图形处理单元(gpu),芯片系统(SoC)设备(可能被认为是单片机/微处理机和内存和硬件加速器上实现相同的半导体),现场可编程门阵列(fpga)和fpga嵌入式单片机或微控制器,可称为SoC fpga。唷!(见也FAQ是cpu、微控制器、单片机和gpu吗?和FAQ是asic assp soc,索姆,等等?)。
当大多数人听到这个词“计算”,他们往往认为微处理器,因为这些都是他们通常的处理引擎的形式接触他们的智能手机、平板电脑和个人电脑。在现实中,然而,虽然微处理器似乎是令人难以置信的快速和强大,这在很大程度上是一种错觉。微处理器做的就是执行简单的操作,比如添加两个数字加起来,减去一个数,乘法或除法两个值,比较两个值,看看哪个是更大的,然后做决定基于这些操作的结果。微处理器似乎如此惊人的唯一原因是他们的系统时钟跑那么快,2.4 GHz的频率越高,这是在微波领域。
传统处理器的问题是,尽管他们在实现决策功能很棒,他们实际上是可怕地效率低下时批量数据处理。作为一个简单的例子,考虑康威的生活游戏,这是英国数学家约翰·康威(1937 - 2020)。
生命的游戏发生在一个“宇宙”组成一个二维(2 d)广场的正交网格细胞。每个单元格被认为有八个“邻近”细胞水平,垂直,或对角相邻。每个单元可以在两种状态之一:活着还是死了。一个非常简单的套件的规则用于确定细胞一代将如何进展给下一代。这些规则如下:
- 任何活细胞少于两住的邻居死了,好像由于人口稀少。
- 任何活细胞与两个或三个邻居生活给下一代。
- 任何活细胞中有超过三个活的邻居死了,好像人口过剩。
- 任何死细胞完全三住的邻居变成一个活细胞,生殖。
一小部分的图形化描述的游戏生活如下所示。我们开始在一些代(n)的细胞是活的,而其他人是…不是。然后,我们评估这一代决定未来。一些细胞活着会保持这种方式;有些人会离开尘世的牵挂;和一些将春天的生活。最后,我们生成新一代(n + 1),此时我们从头再来。
游戏的图形化描述的生活(图片来源:Max Maxfield)
纯粹为了讨论,假设我们有一个小游戏100 x 100的宇宙生命细胞的大小。让我们还假设我们使用微处理器运行在50 MHz,每个指令需要一个时钟周期。在这种情况下,我们可能需要做两次通过数组生成新一代。第一个通过发出咚咚的声音,行由行和列列,计算邻居住了每一个细胞的数量。第二步将使用这些数据来木材,行由行和列列,来填充新一代。
我的“信封”计算表明,我们将需要大约50操作每个细胞,相当于100 x 100 x 50 = 500000操作,这意味着我们可以处理每秒100代。这不是太坏,是吗?现在,让我们假设我们希望我们的模拟竞选100000代。在这种情况下,整个仿真需要100000/100 = 1000秒,或略高于16分钟。
相比之下,假设我们决定使用一个FPGA来实现我们的生活游戏。的fpga是他们可以使用大规模并行方式执行操作。在我们的游戏生活,例如,每个单元可以实现为一个独立的单位,可以评估其邻国的生活/死亡状态做出相应的反应,他们都可以同时在时钟上升沿每个活动。
如果我们假设FPGA运动50 MHz时钟一样我们的微处理器,它可以评估每一代的1/50,000,000第二,带微处理器的100000代16分钟计算将FPGA 1/500th秒。看这另一种方式,如果我们假设显示刷新频率为100赫兹,然后在所有细胞100000代我们的游戏生活的宇宙中生活,生育,死于1/5th时间刷新显示甚至一次。(见也fpga和为什么他们需要什么?)
它让你思考,不是吗?
(辐射)燃烧的感觉
辐射有不同的口味。一方面我们有电磁辐射(电磁辐射或EMR),力的载体是一个无质量的粒子称为光子,它以光的速度传播。EMR包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线和伽马射线。
电磁波谱(图片来源:Max Maxfield)
如果一个光子在紫外波段或更高频率,当它到达一个原子或分子,它可以给予足够的精力去剥开一个电子从原子或分子,从而留下一个积极的离子。因此,这称为电离辐射。
其他形式的辐射是基于粒子如电子(也称为β粒子),质子,中子,原子核。反过来,原子核从氦原子核(也称为阿尔法粒子)重离子。再次,如果这些粒子之一是旅行足够快时,接触到一个原子或分子,它可以给予足够的精力去剥开一个电子的原子或分子,从而留下一个积极的离子。
有各种各样的方式辐射会影响半导体器件,俗称“硅芯片。“随着时间的推移,例如,辐射会降低半导体的晶格。此外,它会导致电荷建立形成了各层之间的芯片。结果可以改变晶体管的开关阈值,增加渗漏,增加能耗,降低性能。出于这个原因,设计师打算部署半导体器件在敌对的辐射环境中感兴趣的东西称为电离总剂量(TID),指电离辐射设备的数量是随着时间的推移暴露。
另一个类的辐射效应,称为单一事件的影响(看到),提供更多的直接结果。一看是指影响造成一个电离粒子(电子、质子、离子,光子…)诱发立即反应在一个集成电路。
单个事件打乱(SEU)是一个看到罢工一个敏感电路中节点使其改变状态;例如,一个寄存器或内存单元翻转从0到1,反之亦然。
单个事件打乱(SEU)导致一个寄存器位翻转(来源:Max Maxfield)
相比之下,一个事件瞬态(集)是一个看到罢工一块组合逻辑导致脉搏,故障,或上升。
单个事件瞬态(组)组合逻辑(来源:Max Maxfield)
问题在于当一组是无意中加载到寄存器或内存元素,这时它就变成了一个建。光明的一面,不像TID所造成的问题,建被指定为一个“软错误”,因为它可以纠正(如果你知道你在做什么)。
有更多的潜在的问题,就像可怕的单一事件封闭(选取),多个细胞紊乱(单片机)和多一点不适(生产部),但我们会保存这些小流氓说话第2部分。
可怜的FPGA
所有的芯片都是容易受到辐射的影响。fpga体验“双重打击”,因为,除了常规的寄存器和记忆细胞,形成用户的设计的一部分,它们也包含配置细胞,用于配置可编程结构。
一些fpga被列为SRAM-based,这意味着它们的配置从SRAM细胞形成细胞。这些设备也列为被挥发性,因为它们的配置时失去了权力从系统中删除。反过来,这就意味着它们的配置权力时必须重新加载第一个应用系统。SRAM-based fpga的一个主要优点是,他们可以创建使用尖端的CMOS工艺流程(其他类型的fpga需要额外的处理步骤,通常由一个或两个过程滞后前缘代)。
说到“其他fpga”,其中一些被归类为基于flash的,这意味着它们的配置存储在闪存细胞。除了这些设备“即时”(即。,他们不需要配置加载来自外部源),闪存不太容易比SRAM辐射的影响。在此基础上,你可能认为基于flash的fpga是敌对的辐射环境的路要走。别急,还有更多,因为,当权力是第一次通常应用于系统——基于flash的fpga配置存储在闪存配置内存复制到SRAM-based配置细胞,这意味着我们回到我们开始。
不是很好如果我们可以创建SRAM-based fpga使用过程,本质上是弹性的影响辐射吗?哦,天啊,我是最近推出了这样一个过程,这是…我的下一个专栏的话题。在此之前,像往常一样,我欢迎您的评论和问题和建议。
