Flash型FPGA基于Sense-Switch结构的flash开关单元组成的可编程布线开关矩阵，通过选择不同的信号通路来实现用户的逻辑功能。由于flash属于非易失性存储，电路掉电后信息不丢失，因此flash型FPGA启动速度快，上电后电路能够快速的进入工作状态。从实现flash开关单元的器件类型来说，根据不同的flash型FPGA应用背景，有N沟道flash和P沟道flash可选。N沟道flash具有驱动能力大的优点，而P沟道flash在抗辐射性能上要优于N沟道，特别是在抗总剂量性能上表现优越。所以基于P沟道技术的flash型FPGA更适合应用于航天航空的信号处理和信号控制领域。然而，flash型FPGA芯片在制造过程中工艺会将少量电子带入到flash的浮栅中，内部残留的负电荷会使P沟道的flash处于本征弱导通状态，每个flash的源漏之间存在μA级的导通电流。在布线开关矩阵中，极性相反的两个信号作为信号选择器MUX的输入，所以会在两个flash开关单元之间形成导通电流。而flash型FPGA有几兆甚至数十兆数量的flash开关单元，如此大量flash开关单元之间导通电流的叠加，导致flash型FPGA芯片从晶圆厂返回后的第一次上电存在非常大的电流。以系统等效门数为350万门flash型FPGA计算，共含有2912(BL)*7844(WL) 位的flash开关单元，芯片第一次上电的电流将达到10 A以上。

近日，中国电科58所及其子公司中微亿芯单悦尔研究员课题组对flash型FPGA中本征态电流产生的原因和机理进行了分析，对其控制方法进行了深入的理论研究。利用光电效应和康普顿效应进行紫外光照射、X光照射试验；基于Arrhenius指数加速模型进行高温烘焙试验；从电路上设计控制内核地GND通路的逻辑进行试验。试验数据表明在电路设计上通过逻辑控制内核地GND的通路是最合适、最可靠地解决flash型FPGA本征态电流问题的方法。具体方案是通过在flash型FPGA的芯片上增加对内核地GND的控制逻辑，断开芯片第一次上电过程中从内核电源VDD到地GND的电流通路。并且该控制逻辑具有记忆功能（利用多个处于本征态弱导通的flash并联实现），在完成对flash擦除后的再次上电，内核电源VDD到地GND能够形成正常通路，因此不会影响芯片的正常工作。具体操作是芯片顺利上电后，首先执行擦除操作，先将flash型FPGA中作为信号开关的flash擦除，清除其浮栅中的电子，使所有的flash开关处于关闭状态。再执行专项擦除指令对内核地GND通路控制逻辑中的flash进行擦除，关闭其对内核地GND通路的继续控制。

Flash型FPGA本征态电流控制技术，是研制flash型FPGA芯片的关键核心技术之一，是flash型FPGA芯片制造回来后能否进行功能和性能测试评价的前提。该研究对促进国内flash型FPGA的发展起积极而重要的借鉴作用。

该文章以题为“Research on eigenstate current control technology of Flash-based FPGA”发表在Journal of Semiconductors上。

图1.（a）Sense-Switch结构的flash开关单元。（b）开关矩阵中的本征态导通电流通路。

图2. （a）设计的内核地GND的通路。（b）内核地GND通路的控制逻辑。

文章信息：

Research on eigenstate current control technology of Flash-based FPGA

Yueer Shan, Zhengzhou Cao, Guozhu Liu

J. Semicond. 2022, 43(12): 122401 doi: 10.1088/1674-4926/43/12/122401

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/43/12/122401

来源：半导体学报