CN103780249A - 一种基于可编程单元配置的可编程互连线网络 - Google Patents
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Abstract
本发明适用集成电路领域，提供基于可编程单元配置的可编程互连线网络，包括多种不同类型的互连线、开关盒、连接盒及若干可编程逻辑块，可编程逻辑块之间通过互连线、开关盒及连接盒实现信号连接，若干可编程逻辑块设于内部不同的FPGA内，开关盒及连接盒均采用一次性可编程单元存储互连线网络的配置数据。基于标准CMOS工艺实现，无需特殊工艺支持。抗辐照抗干扰能力强，在受外界环境干扰时不会发生软错误、造成数据丢失；互连架构中栅氧击穿型反熔丝单元不存在直流通路，静态功耗小，工作功耗也较低。编程后保存数据为“1”和“0”的电位固定，所以配置数据可靠性高。经编程与未编程的MOS管无明显区别，易于加密,数据安全性好。
Description
技术领域
本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种基于可编程单元配置的可编程互连线网络。
背景技术
现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）是由可配置逻辑块组成的，通过不同配置数据对可配置逻辑块及互连资源进行配置以实现特定逻辑功能的数字集成电路，其主要由三个基本的组件构成：可编程逻辑块（CLB）、输入输出单元（IOB）和可编程互连网络（PI）。
FPGA中的可编程互连网络（PI）用于实现可编程逻辑功能块之间的连接，是整个FPGA芯片的重要组成部分。目前，FPGA中的可编程互连网络根据配置技术通常分为三种类型：基于SRAM（静态随机存储器）配置的可编程互连网络、基于Flash（快闪电擦除可编程只读存储器）配置的可编程互连网络，以及基于反熔丝（编程使原来不连在一起的点连接起来）配置的可编程互连网络。
1.基于SRAM配置的可编程互连网络：基于SRAM配置的可编程互连网络根据SRAM中的数据开启或关闭相应的互连路由，从而构建用户所需的信号通路，实现可编程功能块之间的连接。由于SRAM掉电后无法保存配置数据，所以用户必须先将配置数据写入FPGA芯片外的配置PROM中（可编程只读存储器），每次FPGA芯片上电时，再从配置PROM向SRAM单元写入配置数据。基于SRAM配置的可编程互连网络的缺点是：A.掉电 后数据丢失，需从PROM中重新读取。B.在受到高能粒子和宇宙辐射的影响时，容易导致单粒子翻转（高能粒子入射到SRAM中，产生电荷被存储电路的敏感节点收集，导致该电路节点的逻辑状态发生翻转，称为单粒子翻转）C.系统功耗较大。
2.基于Flash配置的可编程互连网络：基于Flash配置的可编程互连网络是将配置数据写入FPGA芯片内的Flash中，根据Flash中的数据开启或关闭相应的互连路由，从而构建用户所需的信号通路，实现可编程功能块之间的连接。基于Flash配置的可编程互连网络的缺点是：A.功耗比基于SRAM配置的可编程互连网络更大。B.在辐照条件下配置数据可靠性不够高，容易出现软错误。C.数据保持不够持久。
3.基于反熔丝配置的可编程互连网络：基于反熔丝配置的可编程互连网络是直接对可编程互连网络中两条不同互连线之间的反熔丝进行编程，从而使两条不同互连线连接在一起；或者将配置数据永久写入基于反熔丝技术的配置存储单元中，根据反熔丝配置存储单元保存的配置数据开启或关闭相应的互连路由，从而构建用户所需的信号通路，实现可编程功能块之间的连接。
可编程互连网络中的反熔丝目前常用的为金属反熔丝（Metal to Metal），金属反熔丝位于不同可编程互连路由之间，通过编程控制其是否开通来实现特定的互连通路。金属反熔丝开关构建在两层金属之间，结构如图1所示。该Metal to Metal反熔丝材料由非晶硅层和电介质层构成。反熔丝夹在金属3（顶层金属）和用来连接金属2到金属3的过孔塞（via-plug） 之间。金属反熔丝编程后电阻比较小，可以实现两层可编程互连线之间的连接，但金属反熔丝需要特殊工艺流程支持才能制造，目前国内主流的晶圆代工厂尚无配套的工艺能够制造金属反熔丝。
而基于反熔丝技术的配置存储单元选用一次可编程（OTP）存储器。目前，一次可编程（OTP）存储单元电路结构主要分为两种：
（1）浮栅结构；例如没有透明窗（透明窗芯片封装顶部用来接收紫外线以实现数据擦除的玻璃窗口）的传统浮栅结构的PROM，其写入后就不能擦除，直到数据自动消失。其结构如图2所示。该MOS（金属氧化物半导体）管存在两个叠在一起的栅极，下面一个栅极即为浮栅，其原理是通过在MOS管的源极和漏极之间加一定的较高电压，使载流子进入到浮栅上，编程结束后这些载流子被束缚在浮栅上，从而改变该MOS管的阈值电压（MOS管开启所需的栅极电压），实现数据存储。这种结构的缺点是在受到如紫外光，高能粒子，微波等外界环境干扰时也有可能发生数据丢失，数据安全和可靠性不够高；随着时间的推移，浮栅上的电荷会慢慢自动减少消失，所以其数据保持时间也不够久。
（2）是栅氧层击穿结构；例如三管OTP存储单元结构。其结构如图3所示，最上面的为可击穿的MOS管,中间的为保护MOS管，最下面的为选择管。其原理是通过是否击穿（在其栅极(G)和源漏极（S，D）加载一定的电压使其栅极和源漏极穿通，击穿后该MOS管就相当于一个电阻的作用）最上面的MOS管的栅氧层来实现数据存储，击穿了则存储1，未击穿则存储0。这种单元结构存在的缺点是：编程完成后，中间的保护管打 开，最下面的选择管关闭，存储0时其存储位置（中间保护管下面）其实为悬空状态，虽然默认该位置初始化后不存在电荷，为数据0，但在遭到如紫外光，高能粒子，微波等外界环境干扰时，会发生软错误，造成数据串改，不适宜在要求高可靠性的场合用作FPGA可编程互连网络的配置数据存储。
发明内容
本发明提供一种基于可编程单元配置的可编程互连线网络，旨在解决在标准CMOS工艺下，FPGA芯片内部的可编程互连网络的配置数据在受到辐照环境干扰时配置数据容易丢失或串改，容易发生软错误，数据安全和可靠性低、数据保持时间不久的问题。
本发明是这样实现的，一种基于可编程单元配置的可编程互连线网络，该可编程互连线网络包括多种不同类型的互连线、开关盒、连接盒及若干可编程逻辑块，所述可编程逻辑块之间通过所述互连线、开关盒及连接盒实现信号连接，若干所述可编程逻辑块设于内部不同的FPGA内，所述开关盒及连接盒均采用一次性可编程单元存储互连线网络的配置数据。
本发明的进一步技术方案是：所述一次性可编程单元采用栅氧击穿型反熔丝单元存储互连网络的配置数据，所述栅氧击穿型反熔丝单元利用MOS管栅氧层击穿后其栅极与源漏极之间由高阻态变为低阻态的原理，使所述栅氧击穿型反熔丝单元存编程为“0”后配置数据存储端电位被下拉到GND，以关闭受控的互连路由；编程为“1”后配置数据存储电位被上拉 到反熔丝工作电压，以打开受控的互连路由，从而构成整个可编程互连网络通路。
本发明的进一步技术方案是：所述栅氧击穿型反熔丝单元包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4及MOS管M5，所述MOS管M1源极漏极分别连接所述MOS管M2栅极、MOS管M3源极、MOS管M4源极、MOS管M5源极，所述MOS管M1栅极、MOS管M3漏极连接到PL端，PL端编程时连接编程电压VPGM；所述MOS管M2源极和漏极、MOS管M4漏极连接到位线BL，所述栅氧击穿型反熔丝单元被选中编程时位线BL接GND，未被选中时接位线保护电压；所述MOS管M3栅极为上字线WL_TOP,所述MOS管M4栅极为下字线WL_LOW，所述上字线、下字线用于根据地址和编程数据来控制所述栅氧击穿型反熔丝单元进行正确编程、读取校验，且保证所述栅氧击穿型反熔丝单元能正常进入工作状态；所述MOS管M5漏极为数据存储控制端CTL连接FPGA受控电路，所述数据存储控制端在所述栅氧击穿型反熔丝单元编程后，CTL端电位随之发生变化，用于控制FPGA可编程互连线网络中两条不同的互连线之间是否连通；所述MOS管M5栅极为隔离控制端PGM_N，所述隔离控制端编程时接低电平，正常工作时接反熔丝工作电压。
本发明的进一步技术方案是：所述MOS管M3为P型金属氧化物场效应管。
本发明的进一步技术方案是：所述MOS管M1、MOS管M2、MOS管M4、MOS管M5均为N型金属氧化物场效应管。
本发明的进一步技术方案是：所述可编程互连线网络中包括多种不同类型和长度的互连线，所述互连线包括通道互连线和局部互连线，所述通道互连线之间的连接通过对开关盒进行编程实现，所述局部互连线与所述通道互连线之间的连接通过对连接盒进行编程实现。
本发明的进一步技术方案是：所述开关盒、连接盒均采用栅氧击穿型反熔丝单元配置数据进行信号通路的控制和连接。
本发明的进一步技术方案是：所述连接盒是反熔丝FPGA芯片中局部互连线之间、通道互连线与局部互连线之间连接的互连线开关矩阵，该开关矩阵由栅氧击穿型反熔丝单元阵列控制。
本发明的进一步技术方案是：所述开关盒是FPGA芯片中通道互连线之间连接的互连线开关矩阵，该开关矩阵由栅氧击穿型反熔丝单元阵列控制。
本发明的有益效果是：该一次性可编程单元采用栅氧击穿型反熔丝单元设计，可以基于标准CMOS工艺就可以实现，无需特殊工艺支持。抗辐照抗干扰能力强，在受到如紫外光，高能粒子，微波等外界环境干扰时不会发生软错误，不会造成数据丢失、数据可靠性很好；互连架构中栅氧击穿型反熔丝单元不存在直流通路，静态功耗小，工作功耗也较低。因为栅氧击穿型反熔丝单元在编程后保存数据“1”和“0”的电位固定，所以可编程互连线网络的配置数据可靠性高。经编程与未编程的MOS管无明显区别，易于加密,数据安全性好。
附图说明
图1是现有技术提供的MTM反熔丝结构；
图2是现有技术提供的传统浮栅结构的EPROM单元；
图3是现有技术提供的三管OTP存储单元结构；
图4是本发明实施例提供的基于可编程单元配置的可编程互连线网络架构示意图；
图5是本发明实施例提供的双向击穿型反熔丝配置存储单元电路结构；
图6是本发明实施例提供的反熔丝连接盒，开关盒与FPGA功能块之间的连接示意图；
图7是本发明实施例提供的反熔丝连接盒示意图；
图8是本发明实施例提供的反熔丝开关盒电路示意图；
图9是本发明实施例提供的反熔丝开关盒电路变形结构示意图一；
图10是本发明实施例提供的反熔丝开关盒电路变形结构示意图二；
图11是本发明实施例提供的反熔丝开关盒电路变形结构示意图三；
图12是本发明实施例提供的反熔丝开关盒电路变形结构示意图四。
具体实施方式
图4示出了本发明提供的基于可编程单元配置的可编程互连线网络，该可编程互连线网络包括多种不同类型的互连线、开关盒、连接盒及若干 可编程逻辑块，所述可编程逻辑块之间通过所述互连线、开关盒及连接盒实现信号连接，若干所述可编程逻辑块设于内部不同的FPGA内，所述开关盒及连接盒均采用一次性可编程单元存储互连线网络的配置数据。基于标准CMOS工艺就可以实现，无需特殊工艺支持。抗辐照抗干扰能力强，在受到如紫外光，高能粒子，微波等外界环境干扰时不会发生软错误，不会造成数据丢失、数据可靠性很好；互连架构中栅氧击穿型反熔丝单元不存在直流通路，静态功耗小，工作功耗也较低。因为栅氧击穿型反熔丝单元在编程后保存数据“1”和“0”的电位固定，所以可编程互连线网络的配置数据可靠性高。经编程与未编程的MOS管无明显区别，易于加密,数据安全性好。
所述一次性可编程单元采用栅氧击穿型反熔丝单元存储互连网络的配置数据，所述栅氧击穿型反熔丝单元利用MOS管栅氧层击穿后其栅极与源漏极之间由高阻态变为低阻态的原理，使所述栅氧击穿型反熔丝单元存编程为“0”后配置数据存储端电位被下拉到GND，以关闭受控的互连路由；编程为“1”后配置数据存储电位被上拉到反熔丝工作电压，以打开受控的互连路由，从而构成整个可编程互连网络通路。
如图4所示，所述栅氧击穿型反熔丝单元包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4及MOS管M5，所述MOS管M1源极漏极分别连接所述MOS管M2栅极、MOS管M3源极、MOS管M4源极、MOS管M5源极，所述MOS管M1栅极、MOS管M3漏极连接到PL端，PL端编程时连接编程电压VPGM；所述MOS管M2源极和漏极、MOS 管M4漏极连接到位线BL，所述栅氧击穿型反熔丝单元被选中编程时位线BL接GND，未被选中时接位线保护电压；所述MOS管M3栅极为上字线WL_TOP,所述MOS管M4栅极为下字线WL_LOW，所述上字线、下字线用于根据地址和编程数据来控制所述栅氧击穿型反熔丝单元进行正确编程、读取校验，且保证所述栅氧击穿型反熔丝单元能正常进入工作状态；所述MOS管M5漏极为数据存储控制端CTL连接FPGA受控电路，所述数据存储控制端在所述栅氧击穿型反熔丝单元编程后，CTL端电位随之发生变化，用于控制FPGA可编程互连网络中两条不同的互连线之间是否连通；所述MOS管M5栅极为隔离控制端PGM_N，所述隔离控制端编程时接低电平，正常工作时接反熔丝工作电压。
所述MOS管M3为P型金属氧化物场效应管。所述MOS管M1、MOS管M2、MOS管M4、MOS管M5均为N型金属氧化物场效应管。其中MOS管M1、MOS管M2为栅氧可击穿的MOS管，其本身与其他MOS管没有区别，只是其栅氧厚度相对较薄，编程电压VPGM加载到其栅极和源漏极之间后，由于强电场产生电压应力的作用使其栅极和沟道之间的薄氧化层被击穿形成空洞，从而使栅极和源漏极形成低阻抗连接，从而接头其两端的电路。
MOS管M3为PMOS管，其中P型金属氧化物场效应管，带正电的空穴作为多数载流子，PMOS管在栅极加低电平0时导通，加高电平1时关断。
MOS管M4、MOS管M5均为NMOS管，其中N型金属氧化物场效 应管,带负电的电子作为多数载流子；NMOS管在栅极加高电平1时导通，加低电平0时关断。
MOS管M3、MOS管M4即是单元字线选择管又是保护管，防止编程过程中电流过大烧毁电路，所以其沟道长度和栅氧厚度应相对更大。
PL端编程时接编程电压VPGM，一般比正常电源电压高，比如8V，正常工作时则接反熔丝工作电压VWORK，一般为1.8V——3.3V。BL为位线，在所述栅氧击穿型反熔丝单元被选中编程时接GND，没有被选中时接位线保护电压；WL_TOP和WL_LOW为分别为上字线和下字线，用于根据地址和编程数据来控制栅氧击穿型反熔丝单元进行正确编程，并保证栅氧击穿型反熔丝单元能正常进入工作状态；PGM_N为隔离控制端，编程时接低电平，正常工作时接反熔丝工作电压；CTL端为数据存储控制端，在所述栅氧击穿型反熔丝单元编程后，CTL端的电位随之发生变化，用于控制FPGA可编程互连线网络中的开关盒或连接盒中可配置点，该可配置点相当于一个开关，一般为一个NMOS管，CTL端为高电平则打开信号通路，低电平则关闭信号通路，从而使FPGA可编程互连线网络形成特定的信号传输路由，从而使FPGA能够构建具体的电路功能。
表1所示为编程（Program）状态、工作（operate）状态和读取校验（Verify）状态下双向击穿型反熔丝配置存储单元（即栅氧击穿型反熔丝单元）各端口的电位。
表1不同状态下双向击穿型反熔丝配置存储单元各端口的电位
开关盒、连接盒与反熔丝FPGA可编程逻辑功能块之间的连接关系，如图6所示。
所述可编程互连线网络中包括多种不同类型和长度的互连线，所述互连线包括通道互连线和局部互连线，所述通道互连线之间的连接通过对开关盒进行编程实现，所述局部互连线与所述通道互连线之间的连接通过对连接盒进行编程实现。
所述开关盒、连接盒均采用栅氧击穿型反熔丝单元配置数据进行信号通路的控制和连接。
所述连接盒是反熔丝FPGA芯片中局部互连线之间、通道互连线与局部互连线之间连接的互连线开关矩阵，该开关矩阵由栅氧击穿型反熔丝单元阵列控制。如图7所示，可编程逻辑功能块的所有输入信号和输出信号均需要经过连接盒，以实现将输出信号连接到通道或局部互连，或者将输入信号从通道或局部互连接入可编程逻辑功能块中。通过编程烧写连接盒中的反熔丝配置存储阵列，形成特定的信号连接路由，实现FPGA功能块的输入输出信号通路的构建。
所述开关盒是FPGA芯片中通道互连线之间连接的互连线开关矩阵， 该开关矩阵由栅氧击穿型反熔丝单元阵列控制。开关盒的电路结构如图8所示，控制开关由栅氧击穿型反熔丝单元构成，栅氧击穿型反熔丝单元的电路结构由图4所示，栅氧击穿型反熔丝单元中的编程写入的数据决定了交叉互连线是否连通。用户对栅氧击穿型反熔丝单元写入不同的数据控制开关的断开与闭合。若开关闭合，则水平方向和垂直方向上交叉的通道互连线将实现连通，开关断开则不连通。
连接盒与开关盒中所采用存储单元为栅氧击穿型反熔丝单元，该单元基于标准CMOS工艺实现，电路结构比较简单，可靠性较好。
图9与图8的区别是：将双向击穿型反熔丝配置存储单元连接反向驱动器后再将输出控制端CTL连接到FPGA互连开关上。增加反向驱动器可以起到整形滤波和增强电路驱动能力的作用。其编程过程与图1电路类似，只需将其编程系统稍作改变，使得存储数据“1”时由击穿MOS管M1管变为击穿MOS管M2管，存储数据“0”时由击穿MOS管M2管变为击穿M1管。工作过程与图5电路没有区别。
图10与图8的区别是：将双向击穿型反熔丝配置单元中的隔离管MOS管M5删除，改为连接反向驱动器后再将输出控制端CTL连接到FPGA互连开关上。反向驱动器使用栅氧较厚的MOS管，增加反向驱动器可以起到整形滤波和增强电路驱动能力的作用。其编程过程与图1电路类似，只需将其编程系统稍作改变，使得存储数据“1”时由击穿MOS管M1管变为击穿MOS管M2管，存储数据“0”时由击穿M2管变为击穿M1管。工作过程与图1电路没有区别。
图11与图8的区别是：将双向击穿型反熔丝配置单元中的隔离管MOS管M5删除，再将输出控制端CTL连接到FPGA互连开关上。受控的FPGA可编程互连网络的开关改用栅氧较厚的MOS管，如此可节省一定面积。其编程和工作过程与图1电路没有区别。
图12与图8的区别是：将受控的FPGA可编程互连网络的开关由NMOS管改用传输门，由1个PMOS管和1个NMOS管组成,。双向击穿型反熔丝配置存储单元的输出控制端CTL直接控制传输门的NMOS管，CTL端经反相器后控制传输门的PMOS管。这样做增强FPGA内部信号的高电平电位，提高FPGA内部信号的抗干扰能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于可编程单元配置的可编程互连线网络，其特征在于：该可编程互连线网络包括多种不同类型的互连线、开关盒、连接盒及若干可编程逻辑块，所述可编程逻辑块之间通过所述互连线、开关盒及连接盒实现信号连接，若干所述可编程逻辑块设于内部不同的FPGA内，所述开关盒及连接盒均采用一次性可编程单元存储互连线网络的配置数据。
2.根据权利要求1所述的可编程互连线网络，其特征在于：所述一次性可编程单元采用栅氧击穿型反熔丝单元存储互连网络的配置数据，所述栅氧击穿型反熔丝单元利用MOS管栅氧层击穿后其栅极与源漏极之间由高阻态变为低阻态的原理，使所述栅氧击穿型反熔丝单元存编程为“0”后配置数据存储端电位被下拉到GND，以关闭受控的互连路由；编程为“1”后配置数据存储电位被上拉到反熔丝工作电压，以打开受控的互连路由，从而构成整个可编程互连网络通路。
3.根据权利要求2所述的可编程互连线网络，其特征在于：所述栅氧击穿型反熔丝单元包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4及MOS管M5，所述MOS管M1源极漏极分别连接所述MOS管M2栅极、MOS管M3源极、MOS管M4源极、MOS管M5源极，所述MOS管M1栅极、MOS管M3漏极连接到PL端，PL端编程时连接编程电压VPGM；所述MOS管M2源极和漏极、MOS管M4漏极连接到位线BL，所述栅氧击穿型反熔丝单元被选中编程时位线BL接GND，未被选中时接位线保护电压；所述MOS管M3栅极为上字线WL_TOP,所述MOS管M4栅极为下字线WL_LOW，所述上字线、下字线用于根据地址和编程数据来控制所述栅氧击穿型反熔丝单元进行正确编程、读取校验，且保证所述栅氧击穿型反熔丝单元能正常进入工作状态；所述MOS管M5漏极为数据存储控制端CTL连接FPGA受控电路，所述数据存储控制端在所述栅氧击穿型反熔丝单元编程后，CTL端电位随之发生变化，用于控制FPGA可编程互连线网络中两条不同的互连线之间是否连通；所述MOS管M5栅极为隔离控制端PGM_N，所述隔离控制端编程时接低电平，正常工作时接反熔丝工作电压。
4.根据权利要求3所述的可编程互连线网络，其特征在于：所述MOS管M3为P型金属氧化物场效应管。
5.根据权利要求3所述的可编程互连线网络，其特征在于：所述MOS管M1、MOS管M2、MOS管M4、MOS管M5均为N型金属氧化物场效应管。
6.根据权利要求1-5任一项所述的可编程互连线网络，其特征在于：所述可编程互连线网络中包括多种不同类型和长度的互连线，所述互连线包括通道互连线和局部互连线，所述通道互连线之间的连接通过对开关盒进行编程实现，所述局部互连线与所述通道互连线之间的连接通过对连接盒进行编程实现。
7.根据权利要求6所述的可编程互连线网络，其特征在于：所述开关盒、连接盒均采用栅氧击穿型反熔丝单元配置数据进行信号通路的控制和连接。
8.根据权利要求7所述的可编程互连线网络，其特征在于：所述连接盒是反熔丝FPGA芯片中局部互连线之间、通道互连线与局部互连线之间连接的互连线开关矩阵，该开关矩阵由栅氧击穿型反熔丝单元阵列控制。
9.根据权利要求8所述的可编程互连线网络，其特征在于：所述开关盒是FPGA芯片中通道互连线之间连接的互连线开关矩阵，该开关矩阵由栅氧击穿型反熔丝单元阵列控制。
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