FPGA電路動(dòng)態(tài)老化技術(shù)研究

1 引言

FPGA 是現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field ProgrammingGate Array）的縮寫(xiě)，用戶(hù)可以編寫(xiě)程序對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現芯片的邏輯功能。近年來(lái)，FPGA芯片以其大規模、高集成度、高可靠性、投資少、保密性好、開(kāi)發(fā)方便、使用靈活、可在線(xiàn)編程等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應用。隨著(zhù)FPGA電路在軍工和航空航天領(lǐng)域的應用，其高可靠性尤為重要，為了提高電路的可靠性，最好的方法是對電路進(jìn)行篩選，其中老化試驗就是篩選過(guò)程中最為重要的環(huán)節之一。

考慮到FPGA 電路的工作模式比較復雜，外部需要存儲器或者FLASH 對其進(jìn)行配置，FPGA 才能動(dòng)態(tài)工作，因此國內一般的FPGA老化技術(shù)都采用了靜態(tài)老化試驗方法。這種靜態(tài)老化試驗方法存在著(zhù)一定的缺陷，電路在老化過(guò)程中并沒(méi)有受到真正的應力，因此并不能真正剔除掉早期失效的產(chǎn)品，其可靠性得不到保證。對FPGA 電路動(dòng)態(tài)老化的研究，提高老化試驗條件的嚴酷度，即可保證電路的高可靠性要求。

2 動(dòng)態(tài)老化試驗

集成電路的動(dòng)態(tài)老化理論上要求電路在其最高溫度工作條件下完全模擬實(shí)際工作狀態(tài)，電路內部的邏輯單元都有機會(huì )得到翻轉，對于一般數字集成電路都需要外部提供功能測試碼來(lái)驅動(dòng)電路工作。

對于FPGA 電路的動(dòng)態(tài)老化試驗來(lái)說(shuō)，功能測試碼是存儲在外部存儲器中的配置程序，將程序配置到FPGA 電路內部，使內部的門(mén)陣列全部工作起來(lái)，實(shí)現高覆蓋率的邏輯節點(diǎn)的翻轉，讓其按照規定的功能工作。因此本研究工作的關(guān)鍵在如何進(jìn)行FPGA電路的程序配置。

3 FPGA設計流程

完整的FPGA 設計流程包括邏輯電路設計輸入、功能仿真、綜合及時(shí)序分析、實(shí)現、加載配置、調試。FPGA配置就是將特定的應用程序設計按FPGA設計流程轉化為數據位流加載到FPGA 的內部存儲器中，實(shí)現特定邏輯功能的過(guò)程。由于FPGA電路的內部存儲器都是基于RAM 工藝的，所以當FPGA電路電源掉電后，內部存儲器中已加載的位流數據將隨之丟失。所以，通常將設計完成的FPGA位流數據存于外部存儲器中，每次上電自動(dòng)進(jìn)行FPGA電路配置加載。

4 FPGA配置原理

以Xilinx公司的Qpro VirtexHi-Rel系列XQV100電路為例，FPGA的配置模式有四種方案可選擇：MasterSerial Mode，Slave SerialMode，Master selectMAPMode，Slave selectMAP Mode。配置是通過(guò)芯片上的一組專(zhuān)/復用引腳信號完成的，主要配置功能信號如下：

（1）M0、M1、M2：下載配置模式選擇；
（2）CLK：配置時(shí)鐘信號；
（3）DONE：顯示配置狀態(tài)、控制器件啟動(dòng)；
（4）PROG_B：初始化引出端；
（5）INT_B：配置延遲控制，配置錯誤顯示；
（6）DOUT：菊花鏈中的配置數據輸出。
（7）DIN：串行數據輸入；

FPGA 電路在選定模式下的配置過(guò)程包括四個(gè)主要階段：

（1）清除FPGA 電路內部配置存儲器；
（2）初始化FPGA 電路配置邏輯功能；
（3）加載FPGA 電路配置數據流；
（4）FPGA 電路配置完成，啟動(dòng)電路就緒序列。

主串模式電路連接圖見(jiàn)圖1。

系統或芯片上電后，信號引腳PROG_B被拉低，FPGA的配置RAM存儲器清空；同樣，PROG_B上的邏輯低電平將會(huì )復位配置邏輯，并使FPGA 保持在清空配置存儲器狀態(tài)。只要PROG_B 引腳保持低電平，則FPGA 將繼續清空它的配置RAM存儲器，并使INIT_B信號保持為低電平以表明配置在被清空。

當PROG_B被釋放時(shí)，FPGA將繼續使INIT_B保持低電平，直到完成清空所有的配置存儲器。FPGA 在INIT_B信號的上升沿檢測其模式引腳M0、M1、M2。

INIT_B 信號變?yōu)楦唠娖胶?，配置就可以開(kāi)始了，不需要額外的暫?；虻却芷?。但是，配置過(guò)程不必在INIT_B變化之后就立即開(kāi)始。配置邏輯只有當位流的同步字被載入時(shí)才開(kāi)始處理數據。當上電清除配置RAM存儲器后，INIT_B信號引腳變高電平，可以開(kāi)始載入配置數據：標準的位流首先是引入空閑字FFFFFFFFh，其次是同步字AA995566h，然后是一些配置控制信息，緊跟其后的才是真正的位流數據幀和相關(guān)的CRC；位流的最后是CRC 校驗和啟動(dòng)芯片進(jìn)入工作態(tài)。FPGA 電路配置流程圖如圖2 所示。

5 FPGA動(dòng)態(tài)老化板的設計

根據以上討論的配置原理，我們設計了XQV100型FPGA 電路動(dòng)態(tài)老化板，如圖3 所示。配置模式采用主串方式（Master SerialMode），這種配置模式有利于簡(jiǎn)化PCB的設計，并且主串模式的配置時(shí)鐘源于FPGA內部，不需要外部另外再提供。為了使FPGA電路工作在主串模式，電路的M1、M2、M3引腳都應接地。同時(shí)，該模式下的外部配置存儲器需要選用串行數據傳輸的存儲器，在這里我們選用Xilinx公司的xcf02s存儲器，內部存儲容量最大可達2 Mbit。

FPGA電路動(dòng)態(tài)老化板采用400mm×400mm的雙層PCB板，在設計老化板時(shí)采用去耦及高、低頻RC濾波，對直流電源和信號源采取限流措施。每塊老化板上設計4個(gè)老化工位，為了便于在線(xiàn)調試電路，每個(gè)工位由一個(gè)XCF02S、一個(gè)JTAG 接口、一個(gè)XQV100 組成。FPGA芯片動(dòng)態(tài)配置的邏輯程序放置于xcf02s Flash存儲器中。FPGA動(dòng)態(tài)老化的配置程序采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)，采用ISE（V9.1）工具進(jìn)行綜合，利用ModelSim（V6.0）進(jìn)行功能模擬，其具體功能是把全部輸入、輸出管腳分五組，每組都實(shí)現32 分頻功能，每組由外部提供一個(gè)1MHz 的方波信號作為輸入。計算機通過(guò)Xilinx 專(zhuān)用的JATG下載線(xiàn)將編譯過(guò)的配置程序下載到xcf02s 電路中。當FPGA電路上電時(shí)，xcf02s 中的配置程序自動(dòng)按照串行的方式下載到FPGA的內部RAM存儲器中，FPGA 按照程序的功能運行。每個(gè)電路選擇一個(gè)輸出端口，輸出頻率在1Hz 左右，在外部連接一個(gè)LED燈作為輸出監控，在老化的過(guò)程中可通過(guò)該燈觀(guān)察電路是否正常工作。

6 結果與分析

我們以XQV100 型FPGA電路為例，進(jìn)行動(dòng)態(tài)老化和靜態(tài)老化對比試驗，試驗條件選擇溫度為125℃，時(shí)間160h。隨機抽樣60只常溫測試合格電路，各取30只分別按照動(dòng)態(tài)老化試驗方法和靜態(tài)老化試驗方法進(jìn)行老化。在動(dòng)態(tài)老化通電時(shí)，確保每只電路都有輸出；靜態(tài)老化試驗時(shí)，確保電源電壓輸入正確。每1h記錄一次，確認是否有老化異常情況。

電路在經(jīng)過(guò)26h 后，其中有1 只（6#）電路LED不閃爍，初步懷疑已經(jīng)失效，但并沒(méi)有立即取出，和其他電路一樣經(jīng)過(guò)160h老化，經(jīng)過(guò)126h 后21# 電路的LED 不閃爍，同樣繼續陪試。在老化試驗結束后96h內完成了所有電路的常溫電測試，發(fā)現6# 和21#電路功能失效，其余電路都合格，具體情況詳見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)態(tài)老化和靜態(tài)老化比對試驗結果

動(dòng)態(tài)老化試驗方法和靜態(tài)老化試驗方法相比，動(dòng)態(tài)老化試驗在通過(guò)外圍配置電路的程序驅動(dòng)，使電路的內部功能模塊一直處于高速的工作狀態(tài)，相反靜態(tài)老化時(shí)雖然有電壓加載，但沒(méi)有配置程序驅動(dòng)電路工作，內部模塊并一直處于空閑狀態(tài)，因此FPGA電路在動(dòng)態(tài)老化時(shí)，所受到的應力條件更加嚴酷，更容易暴露電路本身潛在的缺陷，從而提高了電路本身的可靠性。

7 結束語(yǔ)

目前，國內進(jìn)行FPGA電路的老化大部分還是采用靜態(tài)老化試驗方法。特點(diǎn)是電路老化時(shí)不工作，內部門(mén)陣列不翻轉，老化過(guò)程中無(wú)法判斷電路是否有異常。FPGA電路動(dòng)態(tài)老化試驗方法的實(shí)現解決了這些問(wèn)題，增加了輸出監測點(diǎn)，保證了電路老化過(guò)程無(wú)異常，從而提高了電路的可靠性。

本文通過(guò)對FPGA