1.3.2 基于反熔丝工艺技术原理

熔丝在遇到大电流、大电压时会断开。反熔丝工艺技术原理正好相反。反熔丝最开始的时候是连接两个金属连线的微型非晶体硅柱，在未编程状态下，非晶体硅就是一个绝缘体，也就意味着断开，当遇到大电流和大电压时就会变成电阻很小的导体，几乎就是通路。

反熔丝器件的一个值得注意的优点是，它的内部互连结构是天生“防辐射的”，也就是说它相对不受电磁辐射的影响。这对军事和宇航应用具有特别的吸引力，因为在这些环境下SRAM器件中的配置单元被射线击中时可能发生“翻转”（外层空间中有大量的射线）。相比之下，在反熔丝器件编程以后，它不会以这种方式改变。还应当指出，这些器件中的任何触发器都对射线敏感，所以用于高辐射环境下的芯片必须使用3倍冗余设计来保护它们的触发器。这是指每个寄存器有3个副本来举行多数投票（在理想情况下，这3个寄存器将保持完全相同的值；但是，如果有一个“翻转”导致出现两个寄存器输出0而第3个输出1，那么输出0的占多数，具有决定权，或者反过来，两个输出1而第3个输出0，则输出1的具有决定权）。

如图1-4所示，如果需求中要实现的功能逻辑是y=a|b，那么可以通过高电流和高电压将2号和4号熔丝熔断，相当于2号和4号是断开的，从而实现对应需求中的功能逻辑；通过反熔丝技术可以实现或门可编程，如果要实现同样的功能逻辑y=a|b，那么可以通过高电流和高电压将未编程的1号和3号反熔丝进行拉长处理，相当于1号和3号开关连通。

图1-4 通过反熔丝技术实现或门可编程

不管是熔丝还是反熔丝，都相当于开关，只不过熔丝的编程操作是将需要的逻辑的反断开，而反熔丝的编程操作是将需要的逻辑给接上。这样就为反熔丝型FPGA提供了可编程基础。

根据前面介绍的SRAM技术可知，基于SRAM技术的FPGA最大的缺点就是掉电失配，上电重配。因此，这种FPGA的外围必须要用配置存储芯片，占用板级空间。而且，基于SRAM技术的FPGA本身最小单元的面积相对来说比较大，这也就决定了由它得到的同等逻辑的FPGA面积大。然而，基于反熔丝技术的FPGA是非易失性的，配置数据在系统掉电后依然存在，上电后系统会立即使用，不需要额外的配置存储芯片来配置，这样就节约了额外的板级面积。尽管基于反熔丝技术的FPGA需要额外的编程电路，但是当规模达到百万、千万门级时，它的密集性就会很明显了，而现在一些基于SRAM技术的FPGA已达到了这个规模，所以这一点在今后可能会越来越明显。

反熔丝型FPGA的另一个很大的优点也是它能够和基于其他技术的FPGA竞争生存下去的特性就是，它生来就是免疫辐射。这对军事、航空航天等有特别要求的场合来讲还是非常有用的。在这些环境下，基于SRAM技术的FPGA中的LUT存储单元在受到外部辐射时，粒子流射线会导致存储在SRAM中的逻辑1和0翻转，最终导致整个逻辑功能错乱。虽然基于SRAM技术的FPGA早期针对这些环境也有解决策略，即对设计采用多倍冗余设计，采用多偏制，一个表保存多份，当其中一份或几份发生翻转，但是大部分没有发生翻转时，程序通过判断后还能正常运行，但是这不是根本解决问题的方法，只是减小错误发生的概率，而且这也是以消耗几倍的资源来满足的。