Design and implementation of a programming circuit in radiation-hardened FPGA

We present a novel programming circuit used in our radiation-hardened field programmable gate array （FPGA） chip.This circuit provides the ability to write user-defined configuration data into an FPGA and then read it back.The proposed circuit adopts the direct-access programming point scheme instead of the typical long token shift register chain.It not only saves area but also provides more flexible configuration operations.By configuring the proposed partial configuration control register,our smallest configuration section can be conveniently configured as a single data and a flexible partial configuration can be easily implemented.The hierarchical simulation scheme, optimization of the critical path and the elaborate layout plan make this circuit work well.Also,the radiation hardened by design programming point is introduced.This circuit has been implemented in a static random access memory（SRAM）-based FPGA fabricated by a 0.5μm partial-depletion silicon-on-insulator CMOS process.The function test results of the fabricated chip indicate that this programming circuit successfully realizes the desired functions in the configuration and read-back.Moreover,the radiation test results indicate that the programming circuit has total dose tolerance of 1×10⁵ rad（Si）,dose rate survivability of 1.5×10¹¹ rad（Si）/s and neutron fluence immunity of 1×10¹⁴ n/cm².     

辐射加固SOI工艺FPGA的设计与验证

进行了一款辐射加固SRAM基VS1000 FPGA的设计与验证。该芯片包含196个逻辑模块、56个IO模块、若干布线通道模块及编程电路模块等。每个逻辑模块由2个基于多模式4输入查找表的逻辑单元组成,相对传统的4输入查找表,其逻辑密度可以提高12%;采用编程点直接寻址的编程电路,为FPGA提供了灵活的部分配置功能;通过对编程点的完全体接触提高了全芯片的抗辐射能力。VS1000 FPGA基于中电集团第58所0.5μm部分耗尽SOI工艺进行辐射加固设计并流片,样片的辐照试验表明,其抗总剂量水平达到1.0×105rad(Si),瞬态剂量率水平超过1.5×1011rad(Si)/s,抗中子注量水平超过1.0×1014n/cm2。     

A radiation-hardened SOl-based FPGA

A radiation-hardened SRAM-based field programmable gate array VS1000 is designed and fabricated with a 0.5μm partial-depletion silicon-on-insulator logic process at the CETC 58th Institute.The new logic cell （LC）,with a multi-mode based on 3-input look-up-table（LUT）,increases logic density about 12%compared to a traditional 4-input LUT.The logic block（LB）,consisting of 2 LCs,can be used in two functional modes:LUT mode and distributed read access memory mode.The hierarchical routing channel block and switch block can significantly improve the flexibility and routability of the routing resource.The VS1000 uses a CQFP208 package and contains 392 reconfigurable LCs,112 reconfigurable user I/Os and IEEE 1149.1 compatible with boundary-scan logic for testing and programming.The function test results indicate that the hardware and software cooperate successfully and the VS1000 works correctly.Moreover,the radiation test results indicate that the VS1000 chip has total dose tolerance of 100 krad（Si）,a dose rate survivability of 1.5×10¹¹rad（Si）/s and a neutron fluence immunity of 1×10¹⁴ n/cm².     

一种抗辐射加固FPGA 编程电路的设计与实现

本文介绍了抗辐射加固SOI-SRAM基FPGA编程电路的设计与实现。该电路完成FPGA配置数据的下载与回读。该编程电路采用编程点直接寻址的方式,相对典型的移位寄存器链寻址方式不仅能够节约面积开销而且可以提供更为灵活的配置选择。通过对本电路提出的部分配置控制寄存器的配置,该编程电路可以实现的最小配置单元仅包含1位数据,FPGA更为灵活的部分重配置功能得以方便实现。层次化的仿真策略,对关键路径的优化及精密的版图布局保证了该电路的性能。此外对编程点进行了抗辐射加固设计。该电路在基于0.5μm部分耗尽SOI工艺SRAM基的FPGA中实现。功能测试结果表明, 该编程电路成功实现FPGA配置数据的下载与回读,且抗辐照实验结果表明,抗总剂量水平超过1x105Krad(Si), 抗瞬态剂量率水平超过1.5x1011 rad(Si)/s,抗中子注入量水平达到1x1014 n/cm2。     

用于FPGA的多层次集成设计系统的设计与实现

针对当前现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)领域,电子设计自动化(electronic design automation,EDA)工具集成度不够高、不具备用户自主设计FPGA芯片的功能等问题,设计并实现一套完整的FPGA多层次集成设计系统(versatile design system,VDS).该系统包括高度集成的设计开发环境和FPGA芯片级到系统级的设计与验证工具,为设计、应用和验证自主研发的FPGA芯片提供了一个有效平台.VDS的显著特点在于提供了全自动芯片生成功能,使用户能根据自身需要灵活控制芯片的规模和功能,快速开发一系列的适应不同应用的FPGA.借助VDS成功设计出两款FPGA芯片,通过对FPGA进行电路设计以及对芯片和应用进行仿真与验证,证明了VDS的有效可行.     

辐射加固SOI的SRAM基FPGA中IO模块阵列的设计与实现

本文中我们提出了一个用于辐射加固的SRAM基FPGA VS100的输入输出模块阵列,该FPGA用0.5微米部分耗尽SOI工艺设计,在中电集团58所流片。与FPGA的特性一致,每一个IO单元都由布线资源和两个IOC组成,IOC包括信号通路电路,可编程输入/输出驱动器和ESD保护网络组成。IO模块能用于不同的工作模式时,边界扫描电路既可以插入在输入输出数据路径电路和驱动器之间,也可以作为透明电路。可编程IO驱动器使IO模块能够用于TTL和CMOS电平标准。布线资源使得IO模块和内部逻辑之间的连接更加灵活和方便。辐射加固设计,包括A型体接触晶体管,H型体接触晶体管和特殊的D触发器的设计提高了抗辐射性能。ESD保护网络为端口上的高脉冲提供了放电路径,防止大电流损坏内部逻辑。这些设计方法可以适用于不同大小和结构的FPGA设计。IO单元阵列的功能和性能经过了功能测试和辐射测试的考验,辐照实验结果表明,抗总剂量水平超过100Krad(Si), 抗瞬态剂量率水平超过1.510¹¹rad(Si)/s,抗中子注入量水平达到110¹⁴ n/cm²。     

基于SOI的抗辐射加固FPGA芯片

介绍抗辐射VS1000 FPGA芯片架构及其设计实现。改进的基于3输入查找表的多模式逻辑单元,与传统的基于4输入查找表相比,可以提高约12%的逻辑利用率。逻辑模块由两个逻辑单元组成,可以被配置成两种工作模式：LUT模式和分布式RAM模式。新颖的层次化布线通道模块和开关模块可以极大的提高布线资源的布通率。VS1000芯片包括392个可编程逻辑单元,112个用户IO以及与IEEE 1149.1兼容的边界扫描逻辑,采用0.5 um部分耗尽绝缘体上硅CMOS工艺全定制设计并流片。功能测试结果表明, 芯片软硬件能够成功配合且实现用户特定功能。抗辐照实验结果表明,抗总剂量水平超过100Krad(Si), 抗瞬态剂量率水平超过1.510¹¹rad(Si)/s,抗中子注入量水平达到110¹⁴ n/cm²。