電子裝備系統(tǒng)是星鏈、火星探測器、玉兔、嫦娥等航天器的重要支撐，而宇航級芯片則是航天航空電子裝備的心臟。
江湖中流傳這樣一個傳說，Xilinx的一款宇航級FPGA芯片，其單價約500萬元，為史上最貴芯片。
這個傳說并不是說完全沒有依據，宇航級芯片必須具備抗輻照特性，其身價往往是我們生活中常見的消費級芯片的數十倍，甚至成百上千倍。那么，與消費級芯片相比，這些昂貴的宇航級芯片在設計階段有什么特別之處呢？
宇航級芯片所處的空間環(huán)境
在航天器運行的空間環(huán)境中，存在著大量的高能粒子和宇宙射線。這些粒子和射線會穿透航天器屏蔽層，與元器件的材料相互作用產生輻射效應，引起器件性能退化或功能異常，影響航天器的在軌安全。引起器件輻射效應的主要空間輻射源包括地球輻射帶、銀河宇宙射線、太陽宇宙線和人工輻射。
其中，對芯片工作影響最為嚴重的輻射效應當屬“單粒子效應”。
據數據統(tǒng)計，從 1971 年到 1986 年間，國外發(fā)射的 39 顆同步衛(wèi)星共發(fā)生了 1589 次故障，有 1129 次故障與空間輻射有關，且其中的 621 次故障是由于單粒子效應導致的。這些統(tǒng)計數據說明了航天應用中電子器件的主要故障來自于空間輻射，而單粒子效應導致的故障在其中占較大比重。
這些故障中，部分是永久性不可逆的，如發(fā)生單粒子鎖定導致芯片內部局部短路從而產生大電流燒毀器件。針對此類錯誤可以應用一些特定工藝或器件庫來避免。而太空中大部分錯誤是由于半導體器件的邏輯狀態(tài)跳變而導致的可恢復的錯誤，如單粒子翻轉導致存儲器存儲內容錯誤。
單粒子翻轉（Single-Event Upsets，SEU）指的是元器件受輻照影響引起電位狀態(tài)的跳變，“0”變成“1”，或者“1”變成“0”，但一般不會造成器件的物理性損傷。正因為“單粒子翻轉”頻繁出現，因此在芯片設計階段需要重點關注。這也是這篇文章的重點。
在芯片設計階段如何防護“單粒子翻轉”
（1） 選擇合適的工藝制程
在航天領域，并不是工藝制程越小越好。通常來講，工藝制程越小，抗輻照能力越差。因此，為了確保可靠性，一般會選擇較大線寬的制程，比如0.18um、90nm、65nm等，而不會一味追求摩爾定律的前沿制程。
（2）加固標準單元工藝庫
標準單元工藝庫是數字芯片的基石。如果把數字芯片看做一個建筑，標準單元工藝庫就是構成建筑的磚塊。標準單元工藝庫包括反相器、與門、寄存器、選擇器、全加器等多種基本單元，每一個標準單元對應著多個不同尺寸（W/L）、不同驅動能力的單元電路，基于這些基本單元即可構成復雜的數字芯片。
鑒于數字芯片的超大規(guī)模，已經很難通過全定制電路結構的方式來設計，而直接對商用工藝庫進行加固則是設計成本最低的選擇。在制造廠商提供的標準單元庫基礎上結合抗輻照加固措施，使設計出來的輸入輸出單元庫具有抗輻照能力。加固之后的工藝庫需要晶圓廠流片驗證。
（3）設計冗余化
在抗輻照加固方法中，三模冗余（TMR）是最具有代表的容錯機制。同一時間三個功能相同的模塊分別執(zhí)行一樣的操作，鑒于單粒子翻轉瞬時僅能打翻1路，“三選二”的投票器將會選出其余兩路的正確結果，增強電路系統(tǒng)的可靠性。三模冗余最顯著優(yōu)點是糾錯能力強，且設計簡單，大大提高電路可靠性；但缺點也是顯而易見，會將電路增大3倍以上。TMR的方法較為靈活，可根據性能需求在寄存器級、電路級、模塊級等任意層次設計TMR，部分EDA工具也可自動插入。
錯誤檢測與糾正電路（Error Detection And Correction,EDAC）也是一種簡單高效的防護單粒子翻轉的電路設計方法。EDAC 主要依據檢錯、糾錯的原理，通過轉換電路將寫入的數據生成校驗碼并保存，當讀出時靠對校驗碼進行判定，若只有一位出錯系統(tǒng)則自動糾正并將正確的數據輸出，同時還會進行數據的回寫從而覆蓋原來出錯的數據。EDAC盡管糾錯能力強大，但是需要糾錯、譯碼電路，因此結構較為復雜，不適宜用于高性能的數據通道中。EDAC也可用于糾正多bit出錯的情況，但是糾錯電路會更加復雜。
權衡TMR和EDAC的優(yōu)缺點，通常會在邏輯電路設計中使用TMR，在存儲器讀寫電路中使用EDAC。
（4）模塊獨立化
單粒子翻轉頻繁出現，必須考慮到翻轉發(fā)生之后不影響芯片的整體功能。因此，在架構設計中需要盡可能確保模塊之間保持較強的獨立性，盡可能具備獨立的復位功能，使得在單粒子打翻信號值之后，一方面出錯電路能夠盡快通過復位信號恢復正常；另一方面，確保其他正常工作的模塊不受影響。此外，還需增加異常檢測電路，發(fā)現異常即可對電路進行復位。
小結
雖然上述方法可以很好地防護單粒子翻轉效應，但是也給邏輯綜合、布局布線帶來很多困擾，在芯片物理實現過程中需要小心謹慎應對。除上述方法外，還可引入Muller C單元、雙互鎖存儲單元結構（DICE）對晶體管級電路進行防護，也可在版圖階段使用環(huán)形柵替換條形柵。
總之，在航天領域中，芯片的性能并不是第一考慮要素，可靠性才是重中之重。只有芯片具備抗輻照能力，才能確保航天器正常運行。