航空电子设计之“单粒子翻转”问题

　　航空电子设计与民用电子产品或其他工业电子产品设计有着很多的不同。一般来讲，航空电子设计对新技术的使用较为保守，对“安全性”有着极致甚至近乎变态的追逐，导致很多在其他行业广泛应用的技术，无法在航空业大规模应用。

　　最典型的例子就是多核CPU技术。CPU技术在其他行业早已是家常便饭般的技术，由于其理论上存在不确定性的不良“出身”，多年来一直无法“明媒正娶”地登陆到民用大型客机上。

　　不过，航空电子设计除了有技术更迭慢点的特点外，还有一些自身的独特考虑。今天，我们就和大家聊聊“单粒子翻转”问题。

　　航空电子需要考虑单粒子翻转问题的原因是：任何带有电子设备的飞行器在远离地面的空间运行，均需要考虑空间高能粒子对它的影响。

　　高能粒子的来源主要有三种：地球辐射带粒子，太阳射线和宇宙射线。其中，

　　地球辐射带是指在近地空间被地球磁场俘获的高强度带电粒子区域，主要由电子、质子以及重粒子所组成。辐射带的范围在距离地面500km到50，000km的高度内，民航客机的飞行高度就在这个区域内。

　　太阳射线主要是指太阳发生耀斑时喷射出的高能粒子，主要为带电的质子，太阳射线的强度和太阳活动周期相关。

　　宇宙射线来源于太阳系以外的高能带电粒子，主要由质子和α粒子组成。

　　空间中的辐射会对数字电路尤其是集成电路造成影响，主要影响体现在两个方面：总粒子剂量（TID） 和单粒子效应（SEE）。

　　总粒子剂量效应是一种累计效应，是对带电粒子总电离能量的吸收效应，其结果是造成器件、电路及系统的损坏或者性能下降。

　　单粒子效应是一种瞬态效应，指某个特定的高能粒子穿过电路敏感区域所引起的电路故障，这个故障可能是可恢复的或是永久性的。

　　随着电子元器件及集成电路设计水平的增长，以及生产工艺水准的提升，尤其是集成电路防止高能粒子对电路造成永久性损伤的能力有了很大提升，以至于对于航空电子行业在使用专用集成电路甚至可编程逻辑器件时，对于总粒子剂量效应和造成永久性损伤的单粒子效应基本无需做额外的设计和防护考虑（经过实验，其发生故障的概率已经远低于器件本身正常失效的概率）。

　　因此，在目前航空电子业界对于单粒子翻转主要考虑的是单粒子效应中的可恢复性故障情况，其中最主要的是单粒子翻转效应（SEU）。

　　SEU是指当单个高能粒子通过逻辑电路时使得单个逻辑门或者数据位发生逻辑翻转，如逻辑“0”变成逻辑“1”， 或者逻辑“0”变成逻辑“1”。这个错误不是永久的，通过重新刷新或者电路重启可以纠正错误。也许对于其他行业SEU造成的影响可以不予考虑，但对于航空电子行业，由于其对于数据完整性的要求，设计中具有发生逻辑错误是不可接受的。

　　哪些电子器件在设计上需要考虑SEU影响呢？主要包括SRAM，DRAM，D触发器，锁存器以及寄存器，当然，也包括使用到以上功能的集成电路。

　　其中，SRAM，锁存器和寄存器是最敏感的器件。另外，一些电路结构如Flash， EEPROM和MRAM等，由于具有天然的SEU免疫特性，

　　因此，在航空电子设计中，Flash架构的集成电路尤其是可编程逻辑电路特别受欢迎。不过，选择使用Flash结构的集成电路，需要额外注意两点：

　　1、 由于Flash结构比RAM结构访问速度慢，FPGA容量小，所以仅适合使用在小规模的设计中。

　　2、即使是Flash结构集成电路，其内部结构中大多会包含D触发器，锁存器以及寄存器单元，所以在使用这类器件时仍需要对SEU做相关的考虑和分析。