如何擴展 FPGA 的工作溫度

　　如果超過最高溫度會發(fā)生什么情況?

　　隨著工作溫度升高，器件的使用壽命會下降，部件會老化得更快。某些老化過程，如電遷移和電腐蝕只會在較高溫度下發(fā)生。電遷移發(fā)生在有濕氣和電場存在的條件下。此時導體的原子

　　圖 3 - 環(huán)境溫度與結溫之間的關系。其中 Tj 代表結溫，Ta 代表環(huán)境溫度，Rth、package 代表結點與封裝外表面間的熱阻，Rth、ambient 代表封裝外表面和環(huán)境空氣間的熱阻

　　(如果沒有散熱器或空氣流時為 0)且 P 為器件耗散的功率。

　　會以離子形態(tài)從他們的初始位置移動，在另外的地方復位，留下一個空隙。這個空隙會減小該位置導體的有效寬度，造成該位置電場增強，從而誘發(fā)更多的電遷移。這種鏈式反應會在原子移走的位置

　　數(shù)字器件有三個功耗來源：動態(tài)、靜態(tài)和焦耳效應。

　　圖 4 - 熱吸收等式，其中Q 表示能夠吸收的最大熱量。

　　m 代表吸熱物質(zhì)的質(zhì)量，c 代表吸熱物質(zhì)的常數(shù)，ΔT代表吸熱物質(zhì)在開始時的環(huán)境溫度和最終溫度之間的溫差。該公式僅適用于不可再生性吸熱材料和待吸收熱量為凈量的條件。這是條件不現(xiàn)實，但這個公式已經(jīng)體現(xiàn)出壓力(質(zhì)量)、材料類型(c)和外部溫度在冷卻效率中所起到的作用。

　　中的代碼并測量了器件殼體的總功耗和溫度。有時如果峰值溫度較低，提高器件平均溫度也可接受。我們還在加速老化測試中評估了使用壽命。

　　我們的下一個設計選擇是為器件使用設定限制。為減少器件耗散的熱量，我們盡可能地避免使用邏輯單元和存儲器。器件未使用得到部分會

　　導致裂隙(開路)或在原子重定位的地方導致短路(樹突)。為數(shù)不多的幾層水分子足以引發(fā)金屬的離子化過程，觸發(fā)電遷移。這一現(xiàn)象會隨著溫度升高明顯嚴重化。

　　像鐵生銹這樣的腐蝕現(xiàn)象涉及濕氣和有害氣體。半導體材料封閉在其保護性封裝中。這種封裝一般對濕氣有高吸收性，但制作所用的材料不會輕易地產(chǎn)生腐蝕性離子溶液。這種腐蝕大多數(shù)情況下會給引線框和封裝接線造成不利影響。最重要的有害材料是硅鈍化層中所含的磷，以及半導體制造工藝或封裝工藝所殘留的部分污染物。在運輸、焊接和裝配過程中接觸人體皮膚和其他化學品是導致污染的有害原子的其他可能來源。

　　當異質(zhì)材料連接在一起時，較便宜的材料相對于較貴的材料容易發(fā)生腐蝕(電化腐蝕)。這類型的腐蝕是隨時間推移性能降低的又一個原因。

　　在超過結溫溫度的情況下，無法保證器件的使用壽命，可能會大幅度縮短。如果溫度持續(xù)增長，該器件可能會立即失效。

　　器件的性能也取決于速度。器件在較高溫度下速度會下降，因此它們的最大時鐘速率會降低。

　　之所以把 Spartan-6 XA(汽車級)FPGA 的最高溫度限定為 125℃ 是出于最低使用壽命要求(可靠性考慮)和有保證的時鐘頻率能力(性能要求)。其他原因包 RAM 單元漏電和因這種漏電造成的位錯誤。

　　多種解決方案

　　為克服我們的油井攝像頭設計的各類難題，我們實施了多種解決方案。

　　其中最重要的決定之一是選擇大小合適的器件。越大型的器件的靜態(tài)功耗越大，但有利于器件的散熱，避免形成熱點。經(jīng)認證用于汽車用途的器件即使在高溫下也具有較長的使用壽命，因此對于使用壽命要求不高的工業(yè)應用而言，更是一款合適的解決方案。我們已經(jīng)評估了 XA(車用)系列的 LX25 和 LX45 器件

　　消耗靜態(tài)功耗，但不會消耗動態(tài)功耗。

　　我們還施加了時鐘門控。因為動態(tài)功耗取決于時鐘速率，我們可以使用時鐘門控抵消未被使用的模塊的動態(tài)功耗。如果時鐘樹未觸發(fā)，器件該部分的功耗就會降低。

　　我們還可以將我們使用的 I/O 數(shù)量保持在最低水平。這樣也可以降低 I/O 模塊的功耗。

　　因此，通過把部分 I/O 用作虛地，我們縮短了器件內(nèi)部電流的傳輸距離，從而降低了電源走線的焦耳效應。虛地也有助于把熱量傳遞到地面。

　　因為我們不想使用所有的 I/O 和所有的邏輯單元，我們選擇把這個設計分布到兩個 FPGA 上(圖 5)。這樣就可以讓熱量在兩個單獨的位置耗散。

　　我們還使用多個接地面。這一技巧有助于把熱量從溫度較高的地方向溫度較低的地方傳遞，并提供額外的熱容量。為開發(fā)板的可靠性起見，在設計熱平面時應考慮避免溫度周期過程中發(fā)生板層分離問題。

　　圖 5 - 為避免使用所有的 I/O 和邏輯單元(上方)，該設計使用兩個 Spartan-6 FPGA 而非一個。這意味著熱量可以在兩個單獨的地方耗散。

　　另一個重要步驟是優(yōu)化我們的代碼以降低時鐘速率。降低時鐘速率可以降低功耗，但也可以讓器件在更高的溫度下運行。作為例子，我們評估了慢速并行設計和快速流水線化設計之間的權衡取舍。

　　為提升設計性能，我們確保在最終裝配前干燥各個組件并覆蓋一層能抵御濕氣的保護層。

　　在高溫下器件會老化得更快?？梢允褂卯a(chǎn)品認證來衡量設計的器件實際使用壽命隨溫度變化情況。

　　以恢復或至少檢測存儲器單元中或通信中的位錯誤。如果狀態(tài)機以未使用的狀態(tài)結束，也可以恢復。

　　我們發(fā)現(xiàn)在開展我們的設計時使用賽靈思功耗估算器 (XPE) 是良好的開端。TVivado? Design Suite 為采用較新型的器件的設計提供功耗估算工具。不過測量真實器件上的功耗和比較不同版本的代碼經(jīng)證明是最理想、最準確的做法。

　　我們也在生產(chǎn)中采用老化流程來預老化器件,移除那些老化速度看似比非熱電冷卻綜合運用上述技巧，made simple.FPGA其他部件更快的部件(早期失效)，從而只保留下最好的部件。

　　對我們的設計流程同樣重要的是使用循環(huán)冗余檢查 (CRC) 和其他類型的錯誤檢測和糾正措施。我們在設計里的各個位置使用這些技巧，我們得到了一款能夠工作在 125℃ 環(huán)境溫度下且具備 SDRAM 管理、通信總線和圖像處理能力的攝像頭，雖然按規(guī)范其結溫不得超過 125℃。此外我們還努力做到了無需熱電冷卻也能在 125℃ 下正常運行。