理解FPGA 中的壓穩(wěn)態(tài)
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在器件中很多地方復(fù)制了這一電路，以減小本地差異的影響，對每一例化模塊進行連續(xù)測試，以消除耦合噪聲。Altera 對每一測試結(jié)構(gòu)測量一分鐘，記錄錯誤數(shù)。以不同的時鐘頻率進行測試，在對數(shù)坐標上畫出MTBF 與tMET 的關(guān)系。常數(shù)C2 對應(yīng)于試驗結(jié)果趨勢線的斜率，以常數(shù)C1 線性標出曲線。
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提高亞穩(wěn)態(tài)MTBF
由于MTBF 方程中的指數(shù)因子， tMET/C2 項對MTBF 計算的影響最大。因此，可以通過優(yōu)化器件常數(shù)C2，改進體系結(jié)構(gòu)來提高亞穩(wěn)態(tài)性能，或者優(yōu)化設(shè)計，增大同步寄存器的tMET。
改進FPGA 體系結(jié)構(gòu)MTBF 方程中的亞穩(wěn)態(tài)時間常數(shù)C2 取決于器件制造工藝技術(shù)相關(guān)的各種因素，包括晶體管速率和供電電壓等。采用較快的工藝技術(shù)和速度更快的晶體管，亞穩(wěn)態(tài)信號能夠很快達到穩(wěn)定。FPGA 從180-nm 工藝尺寸發(fā)展到90 nm，晶體管在提高速度的同時也增大了亞穩(wěn)態(tài)MTBF。因此，亞穩(wěn)態(tài)并不是FPGA 設(shè)計人員主要考慮的問題。
然而，隨著工藝尺寸的減小，供電電壓隨之降低，電路閾值電壓并沒有成比例下降。當寄存器進入亞穩(wěn)態(tài)時，其電壓大約是供電電壓的一半。供電電壓降低后，亞穩(wěn)態(tài)電壓電平接近電路中的閾值電壓。當這些電壓比較接近時，電路增益降低了，寄存器需要較長的時間才能脫離亞穩(wěn)態(tài)。FPGA 進入65-nm 以及更小的工藝尺寸之后，供電電壓降到0.9V 以下，相對于晶體管速度的提高，應(yīng)重點考慮閾值電壓的影響。因此，除非供應(yīng)商設(shè)計FPGA 電路來提高亞穩(wěn)態(tài)可靠性，否則，亞穩(wěn)態(tài)MTBF 會越來越差。
altera 利用FPGA 體系結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)態(tài)分析功能來優(yōu)化電路，提高亞穩(wěn)態(tài)MTBF。Altera 40-nm Stratix® IV FPGA體系結(jié)構(gòu)以及新器件在設(shè)計上進行改進，降低了MTBF 常數(shù)C2 ，從而提高了亞穩(wěn)態(tài)的可靠性。
設(shè)計優(yōu)化
MTBF 方程中的指數(shù)因子意味著增大設(shè)計相關(guān)tMET 值能夠指數(shù)增大同步器MTBF。例如，如果某一器件的常數(shù)C2，設(shè)置工作條件為50 ps，那么， tMET 只需要增大200 ps，就能夠?qū)崿F(xiàn)指數(shù)200/50，提高MTBF e4 倍，即50 多倍，而增大400 ps，提高MTBF e8 倍，即3000 倍。
另一方面，最差MTBF 鏈對設(shè)計MTBF 的影響最大。例如，考慮具有10 個同步鏈的兩個不同設(shè)計。一個設(shè)計的10 個鏈有相同的10,000 年MTBF，另一設(shè)計的9 個鏈有一百萬年的MTBF，但是一個鏈的MTBF為100 年。設(shè)計失敗概率是每一鏈的失敗概率之和，失敗概率為1/MTBF。第一個設(shè)計的亞穩(wěn)態(tài)失敗概率為10 個鏈× 1/10,000 年 = 0.001，因此，設(shè)計MTBF是1000 年。第二個設(shè)計的失敗概率為9 個鏈 × 1/1,000,000 +1/100 = 0.01009，設(shè)計MTBF 為99 年，略小于最差鏈的MTBF。
換言之，設(shè)計較差的同步鏈決定了設(shè)計的亞穩(wěn)態(tài)總MTBF。由于這一效應(yīng)，對所有異步信號和時鐘域傳輸進行亞穩(wěn)態(tài)分析非常重要。設(shè)計人員或者工具供應(yīng)商提高最差MTBF 同步鏈的tMET ，會對設(shè)計MTBF 有很大的影響。
為提高亞穩(wěn)態(tài)MTBF，設(shè)計人員可以在同步寄存器鏈上增加額外的寄存器級，以提高tMET 。增加的每一寄存器至寄存器連接時序余量被加到tMET 值中。設(shè)計人員一般使用兩個寄存器來同步信號，而Altera 建議使用三個寄存器作為標準，以實現(xiàn)更好的亞穩(wěn)態(tài)保護。然而，增加一個寄存器會在同步邏輯中加入額外的延時級，因此，設(shè)計人員必須綜合考慮這是否可行。
如果設(shè)計使用Altera FIFO 宏功能，跨時鐘域使用單獨的讀寫時鐘，那么，設(shè)計人員可以增強亞穩(wěn)態(tài)保護(和延時)，實現(xiàn)更好的MTBF。Altera Quartus II MegaWizard 插件管理器提供增強亞穩(wěn)態(tài)保護選項，包括三個甚至更多的同步級 。
Quartus II 軟件還提供業(yè)界最好的亞穩(wěn)態(tài)分析和優(yōu)化功能，以增大同步寄存器鏈的tMET。確定同步器后，軟件將同步寄存器靠近放置，以增加同步鏈的輸出時序余量，然后報告亞穩(wěn)態(tài)MTBF。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/191796.htm
etMET C 2
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版權(quán) 2009 Altera 公司。保留所有版權(quán)。Altera、可編程解決方案公司、程式化Altera 標識、專用器件名稱和所有其他專有商標或者服務(wù)標記，除非特別聲明，均為Altera 公司在美國和其他國家的商標和服務(wù)標記。所有其他產(chǎn)品或者服務(wù)名稱的所有權(quán)屬于其各自持有人。Altera 產(chǎn)品受美國和其他國家多種專利、未決應(yīng)用、模板著作權(quán)和版權(quán)的保護。Altera 保證當前規(guī)范下的半導(dǎo)體產(chǎn)品性能與Altera 標準質(zhì)保一致，但是保留對產(chǎn)品和服務(wù)在沒有事先通知時的升級變更權(quán)利。除非與Altera 公司的書面條款完全一致，否則Altera 不承擔(dān)由此處所述信息、產(chǎn)品或者服務(wù)導(dǎo)致的責(zé)任。Altera 建議客戶在決定購買產(chǎn)品或者服務(wù)，以及確信任何公開信息之前，閱讀Altera 最新版的器件規(guī)范說明。
101 Innovation Drive
結(jié)論
信號在不相關(guān)或者異步時鐘域電路之間傳輸時，會出現(xiàn)壓穩(wěn)態(tài)問題。亞穩(wěn)態(tài)失敗平均時間間隔與器件工藝技術(shù)、設(shè)計規(guī)范和同步邏輯的時序余量有關(guān)。FPGA 設(shè)計人員可以通過增大tMET ，采用增加同步寄存器時序余量等設(shè)計方法來提高系統(tǒng)可靠性，增大亞穩(wěn)態(tài)MTBF。Altera 確定了其 FPGA 的MTBF 參數(shù)，改進器件技術(shù)，從而增大了亞穩(wěn)態(tài)MTBF。使用Altera FPGA 的設(shè)計人員可以利用Quartus II 軟件功能來報告設(shè)計的亞穩(wěn)態(tài)MTBF，優(yōu)化設(shè)計布局以增大MTBF。
致謝
■ Jennifer Stephenson，應(yīng)用工程師，軟件應(yīng)用工程技術(shù)組成員， Altera 公司。
■ Doris Chen，軟件和系統(tǒng)工程高級軟件工程師， Altera 公司。
■ Ryan Fung，軟件和系統(tǒng)工程技術(shù)組資深成員， Altera 公司。
■ Jeffrey Chromczak，軟件和系統(tǒng)工程資深軟件工程師， Altera 公司。
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