微電子或集成電路 (IC) 是許多前沿應(yīng)用的核心，其工藝進(jìn)步直接影響各種應(yīng)用的創(chuàng)新。但在機(jī)器人、太空探索、航空航天、核電站、精密檢測、醫(yī)學(xué)成像、甚至環(huán)境保護(hù)和食品安全等應(yīng)用中，工藝的先進(jìn)性并不是全部，“輻射”是這些領(lǐng)域的 IC 需要解決的核心問題。輻射可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人發(fā)生故障，使醫(yī)學(xué)成像不準(zhǔn)確，或者工業(yè)應(yīng)用機(jī)器出現(xiàn)停轉(zhuǎn)等等。
對(duì)于 IC 設(shè)計(jì)師來說，在所有上述應(yīng)用中，宇宙空間應(yīng)該說是最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用場景。失去地球大氣層的保護(hù)，電子系統(tǒng)在阿爾法 ( Alpha ) 和貝塔 ( Beta ) 粒子、伽馬 ( Gamma ) 和 X 射線以及銀河宇宙輻射等高能（電離）輻射面前，相當(dāng)脆弱，所以能夠抗衡此類輻射的航空級(jí)IC 代表了防輻射IC 技術(shù)的塔尖。
電離輻射有足夠的能量讓電子脫離軌道。如果這個(gè)電子代表存儲(chǔ)器中的一個(gè)數(shù)位或總線接口上的一個(gè)值，該值就可能被改變或“翻轉(zhuǎn)”。這種狀況有多種叫法，包括單粒子效應(yīng) (SEE)、單粒子翻轉(zhuǎn)或單粒子閂鎖。無論具體叫什么，如果錯(cuò)誤的數(shù)位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，例如應(yīng)用代碼中的指令或寄存器中的控制數(shù)位，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)崩潰。
耐輻射 （Radiation-tolerant）和抗輻射加固 （Radiation-hardened）的區(qū)別
為了在宇宙空間中運(yùn)行，電子系統(tǒng)需要具有防范輻射風(fēng)險(xiǎn)的能力。某些 IC 制造商采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體晶圓中加入防護(hù)襯底的方式提供“ 加固 ( hardened ) ”組件。雖然抗輻射加固 IC 具有更強(qiáng)的耐輻射能力，但卻不能徹底免疫。與此同時(shí)，因?yàn)榭馆椛湫酒O(shè)計(jì)要求更復(fù)雜且產(chǎn)量更低，因而價(jià)格也明顯更加昂貴。
此外，即便所需要的組件可以被設(shè)計(jì)成抗輻射加固IC，因?yàn)槠渫懂a(chǎn)速度的滯后性，也阻礙了航天器設(shè)計(jì)人員對(duì)抗輻射加固 IC 選用。
在遭遇電離輻射時(shí)，除了采用抗輻射加固IC的設(shè)計(jì)方法提供抗輻射能力，設(shè)計(jì)人員還可以通過運(yùn)用器件和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行檢測并予以糾正。
這就是所謂的耐輻射。
這種方法的主要優(yōu)勢在于，可以將大量組件都制作成耐輻射組件。例如，眾多存儲(chǔ)器技術(shù)采用糾錯(cuò)碼技術(shù)來檢測和糾正存儲(chǔ)器內(nèi)的位翻轉(zhuǎn)。
三重模塊冗余
如果寄存器內(nèi)發(fā)生了位翻轉(zhuǎn)，或由存儲(chǔ)器檢索的數(shù)據(jù)在總線接口傳輸?shù)倪^程中發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，對(duì)此類事件進(jìn)行檢測則極為復(fù)雜。開發(fā)者通常使用三重模塊冗余技術(shù) （triple modular redundancy， TMR）來檢測和糾正此類性質(zhì)的事件。通過TMR，主要電路采用完全相同的設(shè)計(jì)提供并行三冗余，由“票決”電路比較這些相同路徑的輸出，按少數(shù)服從多數(shù)的原則決定輸出。（參見圖 1）
如果其中一條電路遭遇影響輸出的事件，其輸出將不同于其余兩條電路的輸出。如果只使用兩條完全相同的電路進(jìn)行比較，輸出不同將提示有事件發(fā)生，但無法辨別具體發(fā)生在哪條電路上。
哪個(gè)輸出是正確的？使用三條電路，可以確定正確的輸出（可以進(jìn)行合理假設(shè)，在兩條電路上發(fā)生完全相同的 SEE 的概率基本為零）。
開發(fā)者隨即可以采納多數(shù)輸出或重新評(píng)估設(shè)備運(yùn)行。大量 OEM 廠商對(duì)自己的設(shè)計(jì)采用定制 IC，因此為了實(shí)現(xiàn) TMR，他們?cè)陔娐钒迳喜⑿胁季?IC 的三個(gè)副本并追加一個(gè)投票器 IC。
圖 1：采用三模冗余的情況下，使用“票決”電路對(duì)并行的三個(gè)相同的電路開展評(píng)估，確保電路產(chǎn)生正確（大多數(shù)）輸出。
任務(wù)關(guān)鍵型 TMR
TMR 在對(duì)系統(tǒng)性能影響最小（指時(shí)延）的情況下提供高度的可靠性。然而，這種可靠性顯然有其代價(jià)。它增大了系統(tǒng)的占板面積、功耗和費(fèi)用。鑒于各條電路的重要性并不均等，理想情況下，開發(fā)者希望僅在必要時(shí)使用 TMR。
以溫度傳感器為例。不常發(fā)生的數(shù)據(jù)點(diǎn)錯(cuò)誤不會(huì)影響整體監(jiān)測性能，因?yàn)闃颖究梢噪S時(shí)間平均，因此不必承擔(dān)三個(gè)傳感器或三個(gè)監(jiān)測電路帶來的附加費(fèi)用。
除了在電路板上為電路創(chuàng)建三個(gè)副本以外，還有一種替代方法是在賽靈思 XQR Versal ACAP或自適應(yīng) SoC 等航天級(jí)可編程器件中實(shí)現(xiàn)電路。賽靈思軟硬件一體化可編程邏輯方法讓設(shè)計(jì)人員能夠在單個(gè)芯片中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的 TMR。無需并行布局三個(gè) IC，單個(gè)可編程邏輯器件就能將三條電路和票決電路集成在一起。（參見圖 2）
圖 2：如圖所示的賽靈思 XQR 航天級(jí)器件能將使用 TMR 的任務(wù)關(guān)鍵型電路實(shí)現(xiàn)在單個(gè)芯片中。
使用可編程邏輯的主要優(yōu)勢在于設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)需要實(shí)現(xiàn) TMR。借助這種方法，任務(wù)關(guān)鍵型模塊能夠在無需復(fù)制非重要模塊的情況下，以最高可靠性實(shí)現(xiàn)，從而避免推高成本和功耗。
此外，因?yàn)?ACAP 或 FPGA 中的自適應(yīng)系統(tǒng)并非定制 IC 那樣在功能上是固定的，所以設(shè)計(jì)人員在推出新特性時(shí)可以避免因重新開發(fā)新 IC 而造成的延誤或成本。
隨著 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)不斷演進(jìn)發(fā)展，成為電子系統(tǒng)不可或缺的組成部分，自適應(yīng)靈活性也正在變得越來越重要。這意味著當(dāng)新的 AI 推斷模型出現(xiàn)時(shí)，就可以通過軟件更新的方式來更新硬件系統(tǒng)。此外，這種更新還能用于在軌系統(tǒng)，在部署后進(jìn)一步提高它們的效率和性能。這是直到近期才具備的功能。
擦除
可編程邏輯和定制 IC 之間的差異在于 ACAP/FPGA 需要配置。通過配置，可以定義可編程器件的功能。配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在基于 SRAM 的單元中，也被稱作配置 RAM 或簡稱 CRAM。因此，CARM 可能受輻射事件的影響，可能會(huì)改變可編程器件的既定“特性”。
擦除是一種用來保護(hù)配置存儲(chǔ)器單元的方法。器件有專門一部分通過使用校驗(yàn)和分析，不斷對(duì) CRAM 做逐幀檢查。如果檢測到輻射事件，就啟動(dòng)重配置。器件“擦除”（即重新加載）被電離輻射損壞的配置幀。在糾正輻射事件后，再繼續(xù)處理。
需要注意的是，只有受影響的幀才需要擦除，整個(gè)系統(tǒng)則繼續(xù)不中斷地運(yùn)行。此外，ACAP/FPGA 也能采用“盲擦除”。在采用盲擦除時(shí)，器件不會(huì)檢查是否有輻射事件發(fā)生，而是通過定期進(jìn)行重配置，確保其處在已知的良性狀態(tài)下。這種方法非常可靠，因?yàn)樗鼜?qiáng)制刷新 CRAM，甚至是在非必要時(shí)。
在之前的幾代產(chǎn)品中，賽靈思 CRAM 防范單事件翻轉(zhuǎn)的擦除機(jī)制是通過外接 IC實(shí)現(xiàn)的，而如今，該功能已經(jīng)作為一項(xiàng)功能，集成在 FPGA 的可編程邏輯中，或 ACAP 的專用處理器中。
就其本質(zhì)而言，電子產(chǎn)品不具備與生俱來的耐輻射能力。但是卻可以通過先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，讓系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并改變輻射事件，提高系統(tǒng)的總體耐輻射能力，從而大幅提升可靠性和恢復(fù)能力。通過采用自適應(yīng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員可以運(yùn)用三重模塊冗余技術(shù)和擦除技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)成本，降低占板面積和功耗。
*本文原文翻譯自EETimes美國