автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования сбоеустойчивых сложных функциональных блоков микроэлектроники к воздействию тяжелых ядерных частиц

На правах рукописи

Смерек Владимир Андреевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СБОЕУСТОЙЧИВЫХ СЛОЖНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005543619

Воронеж-2013

005543619

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская

государственная лесотехническая академия»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Зольников Владимир Константинович

Официальные оппоненты: Львович Яков Евсеевич,

доктор технических наук, профессор, Автономная некоммерческая образовательная организация высшего профессионального образования «Воронежский институт высоких технологий», президент

Питолии Владимир Михайлович,

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Электропривода, автоматизации, управления в технических системах»

Ведущая организация: ОАО «Воронежский завод полупроводнико-

вых приборов — сборка» (г. Воронеж)

Защита состоится 13 декабря 2013 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.034.03 при ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ауд. 240.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Автореферат разослан 12 ноября 2013 г.

Ученый секретарь . а /

диссертационного совета: Л С7™ В.И.Анциферова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Известно, что изделия микроэлектроники имеют самое широкое применение во всех отраслях промышленности, в том числе в космических летательных аппаратах. Их применение в условиях космоса стало возможным только при защите от целого ряда дестабилизирующих факторов, одним из которых является радиационное воздействие. В последнее время среди компонент космического излучения наибольшую актуальность приобрело воздействие тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ).

Современный уровень развития микроэлектроники характеризуется резким уменьшением проектных норм, увеличением степени интеграции, внедрением новых передовых технологий, развитием новых методов проектирования с использованием макрофрагментов, которые получили название сложные функциональные блоки (СФ-блоки). В этих условиях радиационные эффекты от воздействия ТЗЧ стали носить доминирующий характер. Эти эффекты получили название одиночные события, вследствие случайного проявления, связанного со случайным прилетом частицы во времени. Они проявляются в отказах ячеек памяти, временного функционального отказа, тиристорного эффекта и необратимого отказа. В этих условиях разработчики ЭКБ космического применения уже не могли повысить производительность работы и функциональную полноту микросхем простым увеличением числа элементов за счет уменьшения проектных норм. Необходимы были специальные методы защиты.

Развитию таких методов уделялось значительное внимание, но в основном оно сводилось к структурной избыточности элементов и применению специальных методов защиты (коды Хемминга и т.п). Это работы сотрудников ФГУП «НИИЭТ» Ачкасова В.Н., Крюкова В.П., Потапова И.П., Конарева М.В., ОАО «НИИСИ РАН» Бетелина В.Б., Осипенко П.А., НПО «СПЕЛС» Никифорова А.Ю, Чумакова А.И. ФГУП «НИИП» Улимова В.Н., Таперо В.К., Емельянова В.В. и др. Дальнейшее развитие данной темы должно проходить в более детальном рассмотрении физических процессов и автоматизации оптимального сочетания различных методов защиты. Ранее реализация методов защиты практически повсеместно сводилось к искусству конструктора проектировщика и поэтому обладало всеми недостатками «человеческого фактора». Решение этих задач достигалось, как правило, развитием одного метода в ущерб другому. В современных условиях перехода на глубоко субмикронные технологии возросла роль оптимального сочетания различных методов защиты. Поэтому назрела необходимость обеспечить автоматизацию проектирования специальных микросхем, устойчивых к воздействию ТЗЧ. Для этого должны быть созданы специальные средства проектирования, которые позволили бы обеспечить защиту от возникновения одиночных событий с «максимальной независимостью от человеческого фактора». При этом важным условием реализации таких методов является комплексное сочетание методов защиты: структурной избыточности, применение кодов Хемминга, изменения частоты работы и т.п.

Таким образом, для создания радиационно-стойких микросхем космического назначения в области теории и разработки САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали своего решения.

Диссертация выполнена по программам работ Министерства образования и науки, Министерства промышленности и торговли, которые были реализованы в НИР и ОКР, выполняемых научно-образовательным центром ФБГОУ ВПО «ВГЛТА»: «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования радиационного воздействия и разработка первого варианта радиационно-стойких библиотек элементов», «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования физических процессов сложных транзисторных структур» и др., а также с грантами РФФИ 08-07-99006-р_офи

«Развитие средств проектирования изделий микроэлектроники в части моделирования радиационных эффектов и создание на их основе микроконтроллера 1874ВЕ36 с высоким уровнем радиационной стойкости», 12-08-31439 «Средства проектирования и управления проектами электронной компонентной базы» в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научному направлению ФБГОУ ВПО (ВГЛТА) «Разработка средств автоматизации управления и проектирования (в промышленности)» №01.2.00609244.

Объектом исследования является автоматизированное проектирование сбоеустой-чивых сложных функциональных блоков микроэлектроники.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы моделирования воздействия ТЗЧ и автоматизации проектирования устойчивых к воздействию тяжелых ядерных частиц СФ блоков микросхем космического назначения.

Цель исследования состоит в создании методов, моделей и алгоритмов моделирования одиночных событий и обеспечение сбоеустойчивости современных комплементарных СБИС (КМОП СБИС), выполненных по глубоко субмикронным технологиям.

Для ее достижения необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния средств автоматизации проектирования сбоеустойчивых СФ блоков, определить проблемы и направления их развития.

2. Сформулировать требования, определить целевые задачи и методику проектирования СФ блоков КМОП СБИС, стойких к воздействию ТЗЧ, выполненных по субмикронным технологиям.

3. Разработать математические модели локальных радиационных эффектов, возникающих в СФ блоках КМОП СБИС при воздействии ТЗЧ космического пространства.

4. Сформулировать научную задачу обеспечения стойкости СФ блоков при комплексном сочетании основных методов их защиты от одиночных событий и определить алгоритм ее решения в условиях ограничения ресурсов.

5. Получить вероятностные оценки увеличения стойкости СФ блоков при сочетании основных методов их защиты от воздействия ТЗЧ.

6. Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для проектирования сбоеустойчивых КМОП СБИС космического назначения, провести реализацию разработанных средств и их интеграцию в единую программную среду проектирования КМОП СБИС космического назначения.

7. С помощью разработанных средств осуществить проектирование сбоеустойчивых микросхем, что позволит оценить адекватность и эффективность предложенных средств.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы: теория вычислительных систем, автоматизации проектирования; аппарат вычислительной математики, а также теория построения программ; методы модульного, структурного и объектно-ориентированного программирования; имитационное, структурное и параметрическое моделирование; экспертные оценки, вычислительные эксперименты.

Научная новизна. В результате проведенного исследования получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- методика автоматизации проектирования сбоеустойчивых СФ, отличающаяся возможностью комплексного обеспечения стойкости к одиночным событиям на основе различных методов защиты для современных изделий микроэлектроники в соответствии с КГС «Климат-7» и руководящими документами развивающими его;

- математические модели локальных радиационных эффектов в чувствительном объеме элемента КМОП СБИС, отличающиеся учетом одиночных событий радиационного характера в соответствии с КГС «Климат-7» и руководящими документами, развивающими его для СБИС высокой степени интеграции, выполненных по глубоко субмикронным технологиям;

- алгоритмы обеспечения устойчивости СФ блоков КМОП СБИС к воздействию ТЗЧ, отличающиеся возможностью комплексного оптимального сочетания методов структурной, временной и программной избыточности в условиях ограниченного ресурса;

- расчетные вероятностные оценки параметров стойкости СФ блоков КМОП СБИС к воздействию ТЗЧ, отличающиеся возможностью получения количественных оценок при комплексном сочетании различных методов защиты.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

- методика автоматизации проектирования сбоеустойчивых СФ блоков;

- математические модели локальных радиационных эффектов в чувствительном объеме элемента КМОП СБИС;

- алгоритмы обеспечения устойчивости СФ блоков КМОП СБИС к воздействию

ТЗЧ;

- расчетные вероятностные оценки параметров стойкости СФ блоков КМОП СБИС к воздействию ТЗЧ.

Практическая значимость и результаты внедрения. Предложенные методы, средства и программные продукты для комплексного проектирования КМОП СБИС двойного назначения внедрены на ФГУП «НИИЭТ» с экономическим эффектом более 1 млн. рублей в год при реализации одного проекта, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» для направления подготовки «Информационные системы и технологии» и дополнительного образования «Разработчик профессионально-ориентированных компьютерных технологий. Специализация микроэлектроника». Анализ результатов внедрения показал их высокую эффективность. Разработанный комплекс методов, моделей, алгоритмов и программного обеспечения позволяют существенно увеличить возможности проектирования СБИС с учетом радиационной стойкости. Основной практический вывод диссертационной работы заключается в создании средств проектирования современной элементной базы, выполненной по субмикронным технологиям, учитывающих одиночные события за счет радиационного воздействия, реализованных на единой методологической платформе, что позволяет широко их распространить на предприятиях аналогичного профиля.

Соответствие паспорту специальности. Согласно паспорту специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования, задачи, рассмотренные в диссертации, соответствуют областям исследований:

1. методология автоматизированного проектирования в технике, включающая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР;

3. разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях по выполнению НИР и ОКР на головных предприятиях электронной промышленности.

Основные результаты работы докладывались на отраслевых конференциях и научных семинарах Министерства промышленности и торговли, российских конференциях:

Российской академии наук "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлек-тронных систем (МЭС)" (Москва 2010, 2012 год), центра испытаний элементной базы «Стойкость-2011» (Москва 2011), Интеллектуальные технологии будущего. Естественный и искусственный интеллект (Воронеж - 2011), Российско-белорусской конференции «Элементная база отечественной электроники» (Нижний Новгород - 2013).

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 35 работ, включая 9 работ в журналах, входящих в перечень определенных ВАК, авторские свидетельства. Общий объем всех публикаций 112 с (лично автором выполнено 69 с).

Личное участие заключается в определении цели и задач работы [1-3,10], в выполнении научно-технических исследований [10-14, 34, 35], разработке и анализе моделей [4-8, 15, 18, 19], разработке алгоритмов [9,10, 12-28], разработке методики проектирования [б, 7, 16, 17, 29], программной реализации [30-32] и аппаратной реализации [8, 33].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения. Материалы диссертации изложены на 130 страницах, включая 105 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 3 таблицы, список литературы из 106 наименований и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены цели и задачи работы, методы решения поставленных задач, отмечены основные результаты исследования, выносимые на защиту; определена их научная новизна и практическая значимость; приведены сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первом разделе проведен анализ современного состояния ЭКБ, факторов космического пространства, физических процессов в полупроводниковых структурах при воздействии ТЗЧ, средств автоматизированного проектирования ЭКБ и их возможностей по моделированию воздействия ТЗЧ. Поставлена задача исследования.

Показано, что электронная промышленность - одна из важнейших областей экономики. Благодаря ее развитию, многие страны мира стали ведущими в развитии передовых технологий, что позволило им занять лидирующее положение практически во всех областях, включая космическую отрасль.

Современная микроэлектроника развивается опережающими темпами: фундаментально исследуются и детализируются интегральные и локальные физические процессы в полупроводниковых структурах, которые перешли в нанометровый и даже сверхнано-метровый диапазон (если рассматривать активные области элементов), резко уменьшаются проектные нормы, крайне быстро увеличиваются функциональные возможности изделий, уменьшается потребляемая мощность, внедряются новые технологии создания ЭКБ, методы проектирования, способы планирования и реализации проектов. В этих условиях крайне высока ответственность исполнителей проектов - необходимо добиваться высокой безошибочности проектирования, при меньших временных и материальных затратах. Рассматривая ЭКБ космического назначения можно констатировать, что трудности процесса проектирования еще больше усугубляются необходимостью учета характерных для космоса радиационных эффектов. В этой связи хотелось отметить, что ранее применяемые методы создания стойкой ЭКБ, прежде всего к накопленной дозе излучения, уже не достаточны. Если раньше основным методом обеспечения радиационной стойкости были технологические, конструктивные и схемотехнические методы обеспечения стойкости к поглощенной дозе излучения, то теперь доминирующим фактором отказа становятся одиночные события.

Одиночные события относятся к радиационным эффектам «нового» вида. Их при-

чиной возникновения является взаимодействие тяжелой ядерной частицы с активной областью прибора. Это класс микродозиметрических радиационных эффектов.

В главе рассматриваются источники радиационного воздействия в космосе и их характеристики, взаимодействие с веществом. Учитывая резкое сокращение проектных норм, формулируется вывод о более детальных исследованиях физических процессов для современных проектных норм.

В главе рассматриваются и средства проектирования и их возможности по моделированию радиационных эффектов космического происхождения. Несмотря на исследования, которые проводились целом рядом ученых в данном направлении (организаций: НИИСИ РАН, НИИЭТ, МИФИ, СПЕЛС, 22 ЦНИИИ МО, НИИП и др.), проблема обеспечения стойкости не решена. Это связано с расширением и уточнением области исследования - космического пространства «дальнего космоса», уточнения радиационной обстановки, выходом на «новые проявления» радиационных эффектов (т.е. такие, которые при проектных нормах десятилетней и даже двух летней давности еще не проявлялись). Кроме того, результаты исследований заканчивались физическими моделями и были относительно слабо увязаны с САПР.

Рассматривая САПР, показано, что средства, которые находятся у отечественных разработчиков, обладают рядом недостатков: отсутствием аппарата физического моделирования эффектов для современных проектных норм (например, менее 350нм), возможностью применять новые способы обеспечения стойкости, и самое главное, комплексно и оптимально сочетать различные методы защиты. При этом основным недостатком является не развитость общих подходов в защите на основе автоматизации проектных работ и применения специальных процедур проектирования, которые позволили бы снизить ошибки «человеческого фактора» и обеспечить безошибочность и сокращение временных и иных ресурсных затрат. Возможности зарубежных САПР позволяют проводить моделирование таких эффектов (во всяком случае, с проектными нормами 180 нм), однако эти исследования являются самым оберегаемым секретом производителей САПР. Поэтому приобретение таких средств фактически невозможно, так как производители САПР хотят сохранить лидерство в ближайшей и долговременной перспективе.

Следовательно, для создания радиационно-стойкой элементной базы необходима разработка собственных средств проектирования, которые учитывали бы рассмотренные недостатки и позволили бы приблизится к разрешению данной проблемы. При этом одним из ключевых моментов является разработка методов проектирования, моделей прогнозирования радиационных эффектов, алгоритмического и программного обеспечения.

На основании проведенного анализа и обозначенных проблем сформулированы цели и определены задачи диссертационного исследования.

Во второй главе предложена методика проектирования ЭКБ космического назначения с учетом моделирования одиночных событий и оптимального сочетания различных методов защиты от них, методы определения стойкости СФ-блоков к одиночным событиям и моделирование одиночных событий радиационного воздействия в КМОП структурах

В предложенной методике проектирования отличия заключаются в возможности реализации комплекса мер по обеспечению устойчивости к воздействию ТЗЧ. Известно, что основой разработки является определение целей проектирования. Для этого необходимо задать функции, которые должна выполнять система, определить их основные эксплуатационно-технические свойства, при этом одним из свойств должна быть стойкость к сбоям, которые возникают при воздействии тяжелой заряженной частицы. Эти эксплуатационно-технические свойства лежат в основе системной спецификации, а обеспечение сбоеустойчивости является основным ограничением системы, которое

должно быть реализовано через структурную избыточность элементов (как правило, это мажоритарный принцип работы элементов), программную избыточность (помехоустойчивое кодирование, в т.ч. коды Хемминга), возможность понижения частоты.

На системном уровне решаются следующие задачи: создается и анализируется высокоуровневая поведенческая модель всей системы, исследуется минимизация покрытия логической функции, выбирается макроархитектура будущей СБИС (программируемые IP-ядра, шины, контроллеры, память и т.д.), проводится анализ тестопригодности, разрабатываются спецификации на проектирование СБИС целиком и отдельных блоков. При выборе микроархитектуры определяется возможность создать структурную избыточность.

В дальнейшем решаются задачи: разработка функционального описания блоков на языках VHDL или Verilog, т.е. осуществляется RTL-кодирование, затем проводится RTL-моделирование, логический синтез, заключающийся в автоматизированном создании электрической схемы из RTL-описания. После этого этапа возможно детальное определение применяемых механизмов защиты, так как у разработчика уже есть (пусть и приблизительные) данные о микросхеме: площадь отдельных блоков, максимальная рабочая частота, потребляемая мощность и т.д. При этом важной особенностью при логическом синтезе является использование специальных библиотек элементов логического уровня. В них определяются точные времена переключения типовых элементов, нагрузочные способности, помехоустойчивость и др. Эти результаты должны быть получены, в том числе, и с учетом радиационного воздействия от накопленной дозы излучения.

Данные результаты являются входной информацией для лица, принимающего решение. Если площадь кристалла позволяет, то применяются все возможные методы защиты. Однако наибольший интерес вызывает ситуация, когда площади кристалла не достаточно для реализации всех методов. В этом случае обеспечение оптимизации различных методов защиты осуществляется итерационном способом. При этом микросхемы разбивается на блоки, в которых применяются различные доминирующие методы защиты. Например, для ОЗУ это может быть применение специальных защищенных ячеек памяти или резервирование блоков. Как правило эти два метода вместе не сочетается и предпочтение отдается либо одному либо другому, в зависимости от специализации микросхемы и затрат на реализацию каждого метода. Для ПЗУ это, прежде всего, использование кода Хемминга. В зависимости от площади кристалла используются полные или усеченные коды Хемминга.

В регистрах применяются в основном специальные устойчивые к сбоям ячейки или помехоустойчивое кодирование (бит четности или код Хэмминга). Использование кода Хемминга обладает тем недостатком, что возникает необходимость прописывать данную защиту в HDL-коде и недостаточный охват такой защиты всех триггерных элементов. Это означает, что возможны сбои в отдельных, не сгруппированных в регистры, триггерах.

Для защиты комбинационных элементов используется в основном резервирование или методы временной избыточности, а именно уменьшение тактовой частоты устройства.

Проектировщик микросхем оценивает различные варианты реализации методов защиты исходя из ее особенностей, площади, тактовой частоты. Затем производится верификация блоков электрической схемы по SPICE подобным программам. Так как вычислительные возможности не позволяют протестировать всю схему, вновь проводится функционально-логическая верификация, но уже с реальными параметрами элементов, соответствующими дозе облучения, и температуре окружающей среды. Заключитель-

ным этапом является верификация топологии. Выходной информацией служит: топология (БОБН или БРИ), список цепей (ЕБ1Р, Уеп1о& УНБЬ, ББИ) и производственные тесты. Важнейшим результатом являются также библиотечные элементы - 1Р блоки.

В главе предложены модели определения стойкости СФ блоков к одиночным событиям и проводится моделирование этих событий. Одиночные события характеризуют параметры: сечение эффекта а, см2, — отношение общего количества проявлений эф-

N

фекта N в ИС к флюенсу частиц Ф: а = —; пороговая энергия Е0, МэВ, — минимальная

энергия частиц, при которой наблюдаются ОС; пороговый заряд @о — минимальная величина заряда, генерированного частицей в чувствительном объеме ИС, необходимая для возникновения ОС; пороговые линейные потери энергии (ЛПЭ) иона в веществе (¿о), МэВ-см2/мг, — минимальные линейные потери энергии иона, при которых наблюдается ОС; вероятность возникновения ОС Р — вероятность возникновения хотя бы одного события при заданном флюенсе ОЯЧ; частота возникновения ОС v, с-1, — число ОС в единицу времени. Все эти параметры можно свести к кривой зависимость сечения сбоев от линейных потерь энергии (ЛПЭ) о(1) в области значений ЛПЭ, превышающих пороговые ЛПЭ £о-

Моделирование воздействия ТЗЧ заключается в принудительном включении в электрическую схему дополнительных генераторов тока, которые с некоторой частотой включаются в работу. Величина тока данных генераторов и форма их импульса определяется ионизационной реакцией ячейки микросхемы. Величина тока определяется формулой:

>„„Л') = ~ЛпЧ°п \-rdr,

» Ят

дг

(1)

где п - концентрации носителей электронов, ъ - ось вдоль которой пролетает частица и собирается заряд электронов, £> - коэффициент диффузии, г - координаты области в цилиндрической системе координат, я - величина заряда электрона. Модельное представление чувствительного объема в виде цилиндра радиусом Я и высотой 2Ь: трек тяжелых заряженных частиц располагается по оси цилиндра (ось г); верхняя торцевая поверхность цилиндра (г = 0) — коллекторная область для сбора носителей заряда из трека тяжелых заряженных частиц.

Значение концентрации носителей заряда в чувствительном объеме вычисляется с помощью решения система уравнений относительно концентрации:

81 1

82Р , 82р дг2 дг2

Се{г,2р

"о2Ро)-ск(р2"-Ро2"о)-~

Р О .

81

82П 82п) _ , 2 2 ч „ , 2 2 \ ■

ТТ + — ГСД" Р-п° п-Ро "о) —

дг сг

и=0

ср 8г

= 0; —

дг

= ф

.П 8г

др ' 82 дп ' дг

2=г0

г=О

= 3л ~~ дг дп ~~ дг

УР1

= 0;

= 0;

р(г,г,1 = 0) = п(г,г,/ = 0) = <! £,я?;

[О, г>г,\

г < г,;

(2)

(3)

(4)

(5)

О,

щр,

о,

+А

А,. п-п0<р0;

2£)В.

(В)

А.+А.

где пир — полные концентрации носителей электронов и дырок, а по про — начальные равновесные концентрации носителей, £> - коэффициент диффузии (А иП2- соответственно электронов и дырок), \|/ - коэффициент учета краевых эффектов,т - время жизни, Се и С/, - Оже-коэффициенты для кремния составляют порядка 2-Ю"31 см6/с, I - линейные потери энергии ТЗЧ.

Следует отметить, что необходимо оценить и пороговое значение тока ионизации. Для этого вычисляют собранный заряд частицей по формуле:

\д п .

Его значение сравнивают со значением необходимым для переключения ячейки.

Результатом моделирования является зависимость сечения сбоев от линейных потерь энергии (ЛПЭ) ст(Х) в области значений ЛПЭ, превышающих пороговые ЛПЭ ¿о, что, аппроксимируется функцией Вейбулла:

(9)

ст№) =

1 -ехр О при Ь < Ь0,

№

,при Ь>Ь0

(Ю)

где сто, ¿о, £ — параметры аппроксимации; Ь — ЛПЭ частиц.

Параметр Ьц представляет собой пороговые ЛПЭ частиц, приводящих к возникновению ОС. Параметр сто является значением сечения ОС, к которому стремится зависимость о(Ь) при Ь —> оо, и носит название «сечения насыщения». Данные параметры (¿о и Сто) являются основными параметрами чувствительности ИС и ПП кОС, и обычно определение значений данных параметров является непосредственной задачей экспериментов, проводимых при испытаниях ЭРИ на стойкость к эффектам ОС при воздействии ТЗЧ. Параметры (Г и 5 определяются как 5 «1,5; Ж» 9,135789 + 1,400938£о-0,0116448/.02 или IV х 15-£о°'5-(10/сто)°'22 в соответствии с РД В 319.03.38-2000.

Частота сбоев для ТЗЧ: у = с1£

(И)

Вероятность отказа за период времени I определяется по формуле:

Р(0 = 1-е~у' (12)

В третьей главе рассматривается научная задача обеспечения стойкости СФ-блоков при комплексном сочетании основных методов их защиты от одиночных событий, предлагается алгоритм ее решения в условиях ограничения ресурсов и вероятност-ныеоценки увеличения стойкости СФ-блоков при сочетании основных методов защиты от воздействия ТЗЧ.

Основные методы защиты от сбоев: схемотехнические решения по защите элементов СБИС, методы структурной, временной, информационной и программной избыточности. Один из способов обеспечения сбоеустойчивости интегральных схем состоит в оптимизации показателей структурной, временной, информационной и программной избыточности, а также возможности применения специальных решений (при этом полагаем, что схемотехнические методы защиты элементов также можно рассматривать как определенную структурную избыточность, так как они, в конечном счете, увеличивают площадь кристалла).

Тогда, для обобщенных показателей качества предложено воспользоваться:

Z¡=mmmйxF(x,y), (И)

уеУ теХ

где X = (хь хг ... хп) - используется как показатель сбоеустойчивости интегральной схемы, У = (уь у2 ... ут) - характеристики микросхемы: габаритные характеристики схемы, время выполнения основных операций, значение тока потребления и количество повторных выполнений операций

Таким образом, минимаксный критерий устойчивости к одиночным сбоям для интегральной схемы можно записать в виде:

20бч=|Х (12)

(=1

где 2обЩ - критерий устойчивости к одиночным сбоям для интегральных схем; N - количество используемых методов избыточности; Zi - используемые методы избыточности.

Учитывая, что мы рассматриваем три вида избыточности перепишем уравнение

в виде:

г^^+^+гз, (13)

где Ъ\ - структурная избыточность; Ъ2 - временная избыточность; - программная избыточность.

Рассматривая конкретные блоки микросхемы можем окончательно записать:

1„Гщ = Ш1П шахРтУ^РЕГ(.X,) + тт тах ¥кл(*,у2) + тттахРпзу(х,у,), (14)

хеХ хел хел

где Р0зУ+РЕг(Х<У\)~ минимаксная функция, описывающая структурную избыточность в блоках ОЗУ; ^(х,^)- минимаксная функция, описывающая временную избыточность в блоках комбинационной логики; ГтУ(.х,у3)- минимаксная функция, описывающая программную избыточность в регистрах и ПЗУ.

Ограничениями даиных методом является площадь и частота:

Р-ГТг, (15)

где увеличение площади за счет реализации методов структурной избыточ-

ности для ОЗУ и регистров; увеличение площади за счет реализации методов

по сбоеустойчивости комбинационной логики; увеличение площади за счет

реализации методов по сбоеустойчивости для ячеек ПЗУ; 5Тг- максимально возможная площадь кристалла для реализации всех требуемых функций; Б - частота на которой работает микросхема; - минимально возможная частота, на которой работает микросхема.

Для решения данной задачи был предложен алгоритм решения в условиях ресурсных ограничений, функциональная схема которого приведена на рисунке 1.

Проектирование цифровых блоков

Деление на блоки

Элементы зашиты на схемотехническом уровне

Логическим I Определение с ин тез ! л арам етров

—— Удовлетвори ег— •■——0[(иниченияу;2

Яысйки ОЗУ

[Комбинационная]

Использование специальных ячеек

Использование ТМ* резерв кфования

Временная избыточность I*

Программная 1_

избыточность |

—Достаточна'-—-___ Да

..............::г'

[ Процесс закончен

Рисунок 1 - Функциональная схема алгоритма создания сбоеустойчивых СБИС.

Он заключается в том, что вначале микросхема разбивается на блоки, представляющие собой функционально законченные элементы, которые объединяются определенным доминирующим методом защиты. Затем последовательно оцениваются варианты защиты для каждой группы функциональных блоков. Предложено приоритетность рассмотрения групп элементов располагать в зависимости от занимаемой ими площади. Обычно для микропроцессоров с достаточно большим объемом ОЗУ и ПЗУ приоритетность выстраивать в виде: ОЗУ, ПЗУ, регистры, элементы комбинационной логики.

Оценка проводится по возможным негативным последствиям для каждой группы: площади кристалла, току потребления, частоте работы микросхемы. При этом достигается минимизация негативных последствий для каждой из групп функциональных блоков. Если достигаются приемлемые варианты защиты и для этого достаточно ресурсов, то такой вариант считается приемлемым. Если не удается в полной мере реализовать максимально возможную защиту, то последовательно определяют возможные варианты ослабления защиты по группам элементов.

Получив приемлемый вариант совокупной защиты всех элементов микросхемы, проводится моделирование сбоев от ТЗЧ. Для этого принудительно в элементах микросхемы генерируются сбои случайного характера и определяется работоспособность. В результате такого моделирования выявляются наиболее опасные участки, методы защиты которых впоследствии можно доработать, может быть в ущерб другим участкам. Результатом такого рассмотрения является наиболее приемлемый вариант изделия. Если он удовлетворяет требованиям заказчика, то процесс останавливается и микросхема выпускается в данном исполнении. Если требования не могут быть выполнены, то принимается решение о кардинальном изменении технологии проектирования и изготовления изделия.

В работе предложены вероятностные оценки увеличения стойкости СФ блоков при сочетании основных методов защиты от воздействия ТЗЧ.

При внедрении структурной избыточности вероятность возникновения одиночного события может быть получена по формуле:

('¿шц 1

Р(0 = 1-(1-(1-еи Т+1), (16)

где т- кратность резервирования.

При внедрении кода Хемминга вероятность возникновения одиночного события может быть получена по формуле:

('-шх

до=П-

(17)

где п - число блоков кода Хемминга, которые расширяют информативность команды, Бм - площадь, отводимая для реализации одного дополнительного блоков кода Хемминга, которые расширяют информативность команды, Бк - площадь кристалла.

При реализации работы микросхемы на более низкой частоте вероятность возникновения одиночного события может быть получена по формуле:

Р(0 =—(1-^10

о,

(18)

где Б) - частота, которая соответствует требуемому значению, Бг - частота при которой получены значения <т(£),д?10П(£).

При оптимальном сочетании трех методов можно предположить, что вероятность отказа микросхемы лежит в пределах от верхней до нижней границы, которые соответствуют самому наихудшему и самому наилучшему случаям.

Верхняя граница:

Рвг(1) = тах-

Ґ т+1 N

7»(£)?>„,№<"'

1- е\« 1

V к V У

1-

п. і |<г<і)к..(і)«'і'

А(1_еи ))

п

и5.

(19)

Нижняя граница:

|а(1 ж„„<г.)Л;

п

("-<)£„ (1-е

\и (£)е,„„(1№

О.

(20)

)

В четвертом разделе рассматриваются вопросы, связанные с практической реализацией предложенных средств: особенности реализации программы,определяющей параметры стойкости, внедрение предложенных методов при проектировании микросхем, а также результаты их испытаний на установках в Объединенном институте ядерных исследований в г.Дубна (Московской области).

Проведена оценка вероятности отказа микросхемы. В таблице 1 представлены результаты исследований.

Предложенные средства моделирования и оценки СФ-блоков нашли свое применение в интегральном программном комплексе моделирования космического излучения, который состоит из следующих составляющих: базовой, учета дозы и разработан-

ного обеспечения для моделирования одиночных событий. Программное обеспечение моделирования одиночных событий состоит из следующих модулей: 0_о - расчет заряда при возникновении одиночных событий; 1_о - расчет величины и формы тока ионизации; С2р_о - расчет порогового заряда; 1Ч_о - расчет частоты одиночных событий; Рг_о - изменения площади кристалла при резервировании, Рх_о - изменения площади кристалла при реализации кода Хемминга; Р1_о - оценки вероятности сбоев при временной избыточности.

На основе предложенных методов были получены типовые СФ-блоки, которые используются как сбоеустойчивые при проектировании микросхем космического назначения. На основе данных блоков были получены микросхемы 1867ВМ7Т и 1867ВМ7Т. Результаты испытаний в сравнении с микросхемой 1874ВЕ7Т (без всех методов защиты) приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Расчетные и экспериментальные данные для ИМС радиационно-стойких процессоров_

Тип мик- Реализованные мето- Число сбоев при Верхняя Нижняя рас-

росхемы ды энергии ЛПЭф) расчетная четная гра-

= 69 МэВ см2/мг и граница ница числа

длительности об- числа отказов

лучения 700с отказов

1874ВЕ7Т без защиты 6500 - -

1867ВМ7 с защитой триггеров 3300 6030 3105

1867ВМ7Т с защитой триггеров, ОЗУ, комбинационной логики 0 1210 55

Таким образом, использование разработанных средств повышают эффективность проектирования за счет обеспечения стойкости к ТЗЧ. Важным результатом работы явилось создание иерархической библиотеки типовых и функциональных элементов с учетом радиационного воздействия, что явилось основой для проектирования СБИС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ современного состояния средств автоматизации проектирования, физических и математических моделей, описывающих одиночные события, что позволило определить проблемы и направления их развития.

2. Сформулированы требования, определены целевые задачи и разработана методика проектирования СФ-блоков КМОП СБИС, стойких к воздействию ТЗЧ, выполненных по субмикронным технологиям, которая обеспечила системный подход к проблеме, позволила моделировать одиночные события с учетом современных требований комплекса государственных стандартов «Климат-7» и субмикронных технологий, оптимизировать методы защиты элементов микросхем от одиночных сбоев.

3. Предложены математические модели локальных радиационных эффектов, возникающих в СФ-блоках КМОП СБИС при воздействии ТЗЧ космического пространства, которые позволили определить условия и степень проявления одиночных событий в зависимости от энергии частиц и топологических размеров элементов СБИС.

4. Сформулирована научная задача обеспечения стойкости СФ-блоков при комплексном сочетании основных методов защиты от одиночных событий и предложен алго-

ритм ее решения, что позволило найти приемлемое сочетание методов защиты в условиях ограничения ресурсов для создания сбоеустойчивых СБИС.

5. Предложены вероятностные оценки увеличения стойкости СФ-блоков при сочетании основных методов их защиты от воздействия ТЗЧ, которые позволили определить область оценки показателей стойкости СБИС одиночных событий.

6. Разработаны алгоритмическое и программное обеспечение для проектирования сбоеустойчивых КМОП СБИС космического назначения, выполненных по субмикронным технологиям, проведена программная реализация разработанных средств и их интеграцию в единую программную среду проектирования КМОП СБИС космического назначения.

7. С помощью разработанных средств создана библиотека типовых элементов специализированных КМОП СБИС, на основе которой проектируются микросхемы с повышенной радиационной стойкостью, которые нашли применение в космических летательных аппаратах и ракетной технике.

8. С помощью разработанных средств осуществлено проектирование сбоеустойчивых микросхем, получены опытные образцы, что позволило оценить адекватность и эффективность предложенных средств.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях Перечня, определенного ВАК Минобрнауки России

1. Смерек, В. А. Арифметико-логические устройства и их синтез [Текст] / В. А. Смерек, Е.Д. Алперин, В.П. Крюков, // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - Т.5. - № 4. - С. 29-31.

2. Смерек, В.А. Микроконтроллер 1830ВЕ32У - 8-разрядная архитектура MSC-51 в радиа-ционно-стойком исполнении [Текст] / В.А. Смерек, А.И. Яньков, A.B. Крюков // Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС)". Сборник трудов. -2010. -№ 1. -С.279-282.

3. Смерек, В.А. Микроконвертер К1874ВЕ96Т. Первый отечественный 16-разрядный микроконвертер [Текст] / В.А. Смерек, В.Н. Ачкасов, И.П. Потапов // Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС)". Сборник трудов. 2010. № 1. С. 390-393.

4. Зольников, В.К. Модель радиационных эффектов воздействия тяжелых заряженных частиц в КМОП-элементах микросхем [Текст] / В.К. Зольников, К.И. Таперо, В.А. Смерек, Т.П. Беляева//Программные продукты и системы. - №3(95). - 2011. - С. 17-22.

5. Ачкасов, В.Н. Обобщенный критерий надежности интегральных схем и методы защиты от одиночных сбоев в цифровых устройствах на стадии проектирования [Текст] / В.Н. Ачкасов, В.А. Смерек, Д.М. Уткин // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2012. - № 76. - С. 387-398.

6 Смерек, В.А. Архитектура, структура и методы защиты от сбоев радиационного характера для восьми разрядного микроконтроллера [Текст] / В.А. Смерек, В.К. Зольников, A.B. Ачкасов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2012. - № 2. - С. 136-141.

7. Смерек, В.А. Методы повышения производительности работы микроконтроллеров. Первый отечественный 16-разрядный микроконвертер [Текст] / В.А. Смерек, В.К. Зольников, A.B. Ачкасов// Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2012. -№ 3. - С. 122-127.

8. Ачкасов, В.Н. Методы обеспечения стойкости микросхем к одиночным событиям при проектировании радиационно-стойких микросхем [Текст] / В.Н. Ачкасов, В.А. Смерек, Д.М. Уткин, В.К. Зольников // Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС)". Сборник трудов. - 2012. - № 1. - С. 634-637.

9. Яньков, А.И. Методы проектирования сбоеустойчивых 8-разрядных микроконтроллеров к воздействию ТЗЧ [Текст] / А.И. Яньков, В.А. Смерек, В.П, Крюков, В.К. Зольников, Д.М. Уткин / Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 2012. - №4 -С.73-79.

Патенты и зарегистрированные программы

10. Патент на полезную модель RUS 102400 24.Блок 16-разрядной арифметики универсального микроконтроллера / Смерек В.А. - № 2010111287 заявл. 27.02.2011; опубл. 24.03.2011.

11.Свидетельство о государственной регистрации топологии. RUS №2010630100 8-разрядная ОЭВМ / Смерек В.А., Львов Ю.В., Медведев Н.Г.-№ 2010630065 заявл. 20.08.2010; опубл. 13.10.2010.

12.Свидетельство о государственной регистрации топологии. RUS №2013630087 Топология интегральной микросхемы 1887ВЕ6Т / Смерек В.А., Шеховцов Д.В., Васильев А.Н.- № 2013630044 заявл. 26.04.2013; опубл. 25.06.2013.

13.Свидетельство о государственной регистрации топологии. RUS №2013630084 Топология интегральной микросхемы 1874ВЕ7Т / Смерек В.А., Медведев Н.Г., Львов Ю.В.- № 2013630043 заявл. 26.04.2013; опубл. 18.06.2013.

Статьи и материалы конференций

14. Зольников В.К. Методы моделирования одиночных событий в САПРСБИС [Текст] / В.К. Зольников, В.А. Смерек // Межвузовский сборник научных трудов «Моделирование систем и информационные технологии».- Воронеж: Издательство «Научная книга» - 2009. Вып.6. -С. 246-248.

15. Смерек, В.А.Разработка средств повышения радиационной стойкости и создание радиа-ционно-стойких СБИС. [Текст] / В.А. Смерек // Моделирование систем и процессов. 2010. №3-4. С. 31-33.

16. Смерек, В.А. Разработка средств повышения радиационной стойкости и создание ра-диационно-стойких СБИС [Текст] / В.А. Смерек // Моделирование систем и процессов. -2010. -№3-4.-С. 31-33.

17. В.К. Зольников Проектирование специальных СБИС и управление проектами их создания [Текст] / В.К. Зольников, В.А. Смерек, Т.П. Беляева // Интеллектуальные технологии будущего. Естественный и искусственный интеллект.: материалы Всероссийской научной школы. - Воронеж : ИПЦ «Научная книга», 2011. - С.218 - 220.

18. Беляева, Т.П. Планирование реализации специальных проектов [Текст] / Т.П. Беляева, В.А. Смерек, M.B. Конарев К.В. Зольников // Труды российской конференции «Стойкость-2011». Радиационная стойкость электронных систем: научно-технический сборник. - М.: МИФИ-2011. -С.239-242.

19. Смерек, В.А. Реализация методов защиты от сбоев радиационного характера для восьми разрядного микроконтроллера [Текст] / В.А. Смерек, В.К. Зольников, A.B. Ачкасов // Труды российской конференции «Стойкость-2011». Радиационная стойкость электронных систем: научно-технический сборник. - М.: МИФИ. 2011. - С. 86-87.

20. Яньков А.И. Методика функционального контроля СБИС серии 1874 на стойкость к воздействию ТЗЧ КП [Текст] / А.И. Яньков, В.А. Смерек, Труды российской конференции «Стойкость-2011». Радиационная стойкость электронных систем: научно-технический сборник. - М.: МИФИ. 2011. - С. 88-89.

21. Смерек, В.А. Принципы защиты микросхем от одиночных сбоев в процессе проектирования [Текст] / В.А. Смерек, В.Н. Ачкасов // Моделирование систем и процессов. - 2011. - № 3. - С. 6063.

22. Смерек, В.А. 16-разрядный RISC-микроконтроллер 1887ВЕЗТ на базе ядра C166SV1.2 [Текст] / В.А. Смерек, Д.М. Шеховцов, Н.Г. Медведев, B.C. Горохов, И.П. Потапов / Электронные компоненты - 2011. - №7. - с.34-38.

23. Зольников, В.К.Разработка математических моделей расчета радиационной стойкости параметров типовых элементов и определение адекватности схемотехнических и конструктивно-технологических решений [Текст] /В.К. Зольников, В.П. Крюков, В.Н. Ачкасов, В.А. Смерек// Моделирование систем и процессов. 2011. -№ 1,2. - С -24-26.

24. Зольников, В.К. Разработка математических моделей расчета радиационной стойкости параметров типовых элементов и определение адекватности схемотехнических и конструк-

тивно-технологических решений [Текст] / B.K. Зольников, В.П. Крюков, В.Н. Ачкасов, В. А. Смерек // Моделирование систем и процессов. 2011. № 1-2. С. 24-26.

25. Крюков, В.П. Результаты экспериментальных исследований микросхем 1882ВЕ53У, 1882ВЕ53УМ и 1830ВЕ32У на стойкость к воздействию тяжелых заряженных частиц. [Текст] / В.П. Крюков, А.И. Яньков, В.Г. Калинин, В.А. Смерек // Моделирование систем и процессов. - 2011. - № 4. - С. 41-44.

26. Смерек, В.А. Влияние одиночных сбоев на работу цифровых устройств [Текст] / В.А. Смерек // Моделирование систем и процессов. - 2011. - № 4. - С. 68-71

27. Смерек, В.А. Оценка сбоеустойчивости интегральных схем от воздействия тяжелых заряженных частиц в цифровых микросхемах на стадии проектирования [Текст] / В.А. Смерек В.А., Д.М. Уткин, В.П. Крюков // Моделирование систем и процессов. - 2011. - № 4. - С. 71-75.

28. Яньков, А.И. Моделирование радиационного накопления заряда в диэлектрике моп-структуры при средних и высоких значениях мощности дозы [Текст] / А.И. Яньков, В.А. Смерек // Моделирование систем и процессов. - 2012. - № 1. - С. 88-92.

29. Яньков, А.И. Методы обеспечения сбоеустойчивости к одиночным событиям в процессе проектирования для микропроцессоров К1830ВЕ32УМ и 1830ВЕ32У [Текст] / А.И. Яньков, В.А. Смерек, В.П. Крюков, В.К. Зольников //Моделирование систем и процессов. - 2012. -№ 1. - С. 92-95.

30 .Ачкасов, В.Н. Методы проектирования микросхем, стойких к одиночным событиям [Текст] / В.Н. Ачкасов, В.А. Смерек, Д.М. Уткин, К.В. Зольников // Моделирование систем и процессов. 2012. - № 3. - С. 17-20.

31. Смерек, В.А. Реализация методов средств повышения радиационной стойкости и создание радиационно-стойких СБИС [Текст] / В.А. Смерек, В.М. Антимиров // Моделирование систем и процессов. - 2012. - № 4. - С. 32-34.

32. Смерек, В.А. Реализация и оценка методов средств повышения радиационной стойкости СБИС космического назначения [Текст] / В.А. Смерек, В.М. Антимиров // Моделирование систем и процессов. - 2010. - № 3-4. - С. 31-33.

33. Потапов, И.П. Состояние и перспективы развития 8- и 16-разрядных микроконтроллеров [Текст] / И.П.Потапов, В.П.Крюков, Д.В. Шеховцов, В.А. Смерек// Радиопромышленность. - 2013.-№ 1. - С. 89-95.

34. Зольников, В.К. Обеспечение стойкости микроконтроллеров к воздействию тяжелых заряженных частиц [Текст] / В.К. Зольников, А.И. Яньков, В.А. Смерек, A.B. Ачкасов / Труды первой Российско-белорусской конференции «Элементная база отечественной электроники» - Н.Новгород, Изд. ННТУ. - 2013 - Т1 - С 60-64.

35.Смерек, В.А. Радиационно-стойкий микроконтроллер со встроенным АЦП, контроллером интерфейса ГОСТ Р 52070-2003 и SpaceWire [Текст] / В.А. Смерек, / Труды первой Российско-белорусской конференции «Элементная база отечественной электроники» -Н.Новгород, Изд. ННТУ. - 2013 - Т1 - С 79-83.

Просим Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, направлять по адресу: 394087, г. Воронеж, ул.Тимирязева, 8, ВГЛТА, ученому секретарю. Тел / Факс (4732)-53-67-08.

Смерек Владимир Андреевич Автоматизация проектирования сбоеустойчивых сложных функциональных блоков микроэлектроники к воздействию тяжелых ядерных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 8.11.2013. Формат 60^84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 488

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Издательства учебной литературы и учебно - методических пособий Воронежской государственной лесотехнической академии

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ»

04201455073 На правах рукописи

СМЕРЕК Владимир Андреевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СБОЕУСТОЙЧИВЫХ СЛОЖНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор,

В.К. Зольников

Воронеж 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................................................................3

1. Современные средства автоматизированного проектирования электронной компонентной базы космического назначения.......................................................................9

1.1. Анализ состояния и развития современной электронной компонентной базы космического назначения........................................................................................................9

1.2. Основные факторы космического пространства и физические явления в электронной компонентной базе...........................................................................................14

1.3. Средства автоматизированного проектирования ЭКБ и их возможности обеспечению сбоеустойчивости к воздействию ТЯЧ.

Постановка задача исследования..........................................................................................23

Выводы....................................................................................................................................36

2. Разработка методики проектирования и математического обеспечения для моделирования воздействия на схемотехническом уровне проектирования....................37

2.1. Методика проектирования современной электронной компонентой базы специального назначения с учетом одиночных событий радиационного характера......37

2.2. Моделирование воздействия ТЯЧ в активных областях элементов микросхем при проектировании......................................................................................................................44

2.3. Моделирование процессов, характерных для одиночных событий в КМОП

структурах...............................................................................................................................49

Выводы....................................................................................................................................72

3. Моделирование одиночных событий, методы защиты КМОП типовых элементов и алгоритмическая основа проектирования радиационно-стойких элементов..................................................................................................................................74

3.1. Оптимизация методов защиты сложных цифровых блоков от одиночных событий. ..................................................................................................................................................74

3.2. Определение вероятности безотказной работы при комплексной оптимизации элементов сложных функциональных блоков в САПР......................................................84

3.3. Алгоритмическая основа моделирования и обеспечения защиты типовых КМОП

элементов в процессе проектирования.................................................................................92

Выводы....................................................................................................................................95

4. Результаты внедрения и оценка адекватности и эффективности

разработанных программных средств....................................................................................96

4.1. Особенности разработанного программного обеспечения и его внедрение в САПР сквозного проектирования.....................................................................................................96

4.2. Практическая реализация методов защиты..................................................................99

4.3. Внедрение предложенных средств и оценка адекватности моделей.......................113

Выводы..................................................................................................................................116

Литература..............................................................................................................................118

Введение

Актуальность проблемы. Известно, что изделия микроэлектроники имеют самое широкое применение во всех отраслях промышленности, в том числе в космических летательных аппаратах. Их применение в условиях космоса стало возможным только при защите от целого ряда дестабилизирующих факторов, одним из которых является радиационное воздействие. В последнее время среди компонент космического излучения наибольшую актуальность приобрело воздействие тяжелых ядерных частиц (ТЯЧ).

Современный уровень развития микроэлектроники характеризуется резким уменьшением проектных норм, увеличением степени интеграции, внедрением новых передовых технологий, развитием новых методов проектирования с использованием макрофрагментов, которые получили название сложные функциональные блоки (СФ-блоки). В этих условиях радиационные эффекты от воздействия ТЯЧ стали носить доминирующий характер. Эти эффекты получили название одиночные события, вследствие случайного проявления, связанного со случайным прилетом частицы во времени. Они проявляются в отказах ячеек памяти, временного функционального отказа, тиристорного эффекта и необратимого отказа. В этих условиях разработчики ЭКБ космического применения уже не могли повысить производительность работы и функциональную полноту микросхем простым увеличением числа элементов за счет уменьшения проектных норм. Необходимы были специальные методы защиты.

Развитию таких методов уделялось значительное внимание, но в основном оно сводилось к структурной избыточности элементов и применению специальных методов защиты (коды Хемминга и т.п). Это работы сотрудников ФГУП «НИИЭТ» Ачкасова В.Н., Крюкова В.П., Потапова И.П., Конарева М.В., ОАО «НИИСИ РАН» Бетелина В.Б., Осипенко П.А., НПО «СПЕЛС» Никифорова А.Ю, Чумакова А.И. ФГУП «НИИП» Улимова В.Н., Таперо В.К., Емельянова В.В. и др. Дальнейшее развитие данной темы должно проходить в более детальном рассмотрении физических процессов и автоматизации оптимального сочетания различных

методов защиты. Ранее реализация методов защиты практически повсеместно сводилось к искусству конструктора проектировщика и поэтому обладало всеми недостатками «человеческого фактора». Решение этих задач достигалось, как правило, развитием одного метода в ущерб другому. В современных условиях перехода на глубоко субмикронные технологии возросла роль оптимального сочетания различных методов защиты, поэтому назрела необходимость обеспечить автоматизацию проектирования специальных микросхем, устойчивых к воздействию ТЯЧ. Для этого должны быть созданы специальные средства проектирования, которые позволили бы обеспечить защиту от возникновения одиночных событий с «максимальной независимостью от человеческого фактора». При этом важным условием реализации таких методов является комплексное сочетание методов защиты: структурной избыточности, применение кодов Хемминга, изменения частоты работы и т.п.

Таким образом, для создания радиационно-стойких микросхем космического назначения в области теории и разработки САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали своего решения.

Диссертация выполнена по программам работ Министерства образования и науки, Министерства промышленности и торговли, которые были реализованы в НИР и ОКР, выполняемых научно-образовательным центром ФБГОУ ВПО «ВГЛТА»: «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования радиационного воздействия и разработка первого варианта радиационно-стойких библиотек элементов», «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования физических процессов сложных транзисторных структур» и др., а также с грантами РФФИ 08-07-99006-р_офи «Развитие средств проектирования изделий микроэлектроники в части моделирования радиационных эффектов и создание на их основе микроконтроллера 1874ВЕ36 с высоким уровнем радиационной стойкости», 12-08-31439 «Средства проектирования и управления проектами электронной компонентной базы» в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научному направлению ФБГОУ ВПО (ВГЛТА)

«Разработка средств автоматизации управления и проектирования (в промышленности)» №01.2.00609244.

Объектом исследования является автоматизированное проектирование сбоеустойчивых сложных функциональных блоков микроэлектроники.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы моделирования воздействия и автоматизации проектирования устойчивых к воздействию тяжелых ядерных частиц СФ блоков микросхем космического назначения.

Цель исследования состоит в создании методов, моделей и алгоритмов моделирования одиночных событий и обеспечение сбоеустойчивости современных комплементарных СБИС (КМОП СБИС), выполненных по глубоко субмикронным технологиям.

Для ее достижения необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния средств автоматизации проектирования сбоеустойчивых СФ блоков, определить проблемы и направления их развития.

2. Сформулировать требования, определить целевые задачи и методику проектирования СФ блоков КМОП СБИС, стойких к воздействию ТЯЧ, выполненных по субмикронным технологиям.

3. Разработать математические модели локальных радиационных эффектов, возникающих в СФ блоках КМОП СБИС при воздействии ТЯЧ космического пространства.

4. Сформулировать научную задачу обеспечения стойкости СФ блоков при комплексном сочетании основных методов их защиты от одиночных событий и определить алгоритм ее решения в условиях ограничения ресурсов.

5. Получить вероятностные оценки увеличения стойкости СФ блоков при сочетании основных методов их защиты от воздействия ТЯЧ.

6. Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для проектирования сбоеустойчивых КМОП СБИС космического назначения, провести реализацию разработанных средств и их интеграцию в единую программную среду проектирования КМОП СБИС космического назначения.

7. С помощью разработанных средств осуществить проектирование сбоеустойчивых микросхем, что позволит оценить адекватность и эффективность предложенных средств.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы: теория вычислительных систем, автоматизации проектирования, аппарат вычислительной математики, а также теория построения программ, методы модульного, структурного и объектно-ориентированного программирования, имитационное, структурное и параметрическое моделирование, экспертные оценки, вычислительные эксперименты.

Научная новизна. В результате проведенного исследования получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- методика автоматизации проектирования сбоеустойчивых СФ блоков, отличающаяся возможностью комплексного обеспечения стойкости к одиночным событиям на основе различных методов защиты для современных изделий микроэлектроники в соответствии с КГС «Климат-7» и руководящими документами, развивающими его;

математические модели локальных радиационных эффектов в чувствительном объеме элемента КМОП СБИС, отличающиеся учетом одиночных событий радиационного характера в соответствии с КГС «Климат-7» и руководящими документами, развивающими его для СБИС высокой степени интеграции, выполненных по глубоко субмикронным технологиям;

- алгоритмы обеспечения устойчивости СФ блоков КМОП СБИС к воздействию тяжелых ядерных частиц, отличающиеся возможностью комплексного оптимального сочетания методов структурной, временной и программной избыточности в условиях ограниченного ресурса;

- расчетные вероятностные оценки параметров стойкости СФ блоков КМОП СБИС к воздействию ТЯЧ, отличающиеся возможностью получения количественных оценок при комплексном сочетании различных методов защиты.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

- методика автоматизации проектирования сбоеустойчивых СФ блоков;

математические модели локальных радиационных эффектов в чувствительном объеме элемента КМОП СБИС;

- алгоритмы обеспечения устойчивости СФ блоков КМОП СБИС к воздействию ТЯЧ;

- расчетные вероятностные оценки параметров стойкости СФ блоков КМОП СБИС к воздействию ТЯЧ.

Практическая значимость и результаты внедрения. Предложенные методы, средства и программные продукты для комплексного проектирования КМОП СБИС двойного назначения внедрены на ФГУП «НИИЭТ» с экономическим эффектом более 1 млн. рублей в год при реализации одного проекта, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» для направления подготовки «Информационные системы и технологии» и дополнительного образования «Разработчик профессионально-ориентированных компьютерных технологий. Специализация микроэлектроника». Анализ результатов внедрения показал их высокую эффективность. Разработанный комплекс методов, моделей, алгоритмов и программного обеспечения позволяют существенно увеличить возможности проектирования СБИС с учетом радиационной стойкости. Основной практический вывод диссертационной работы заключается в создании средств проектирования современной элементной базы, выполненной по субмикронным технологиям, учитывающих одиночные события, вызванные радиационным воздействием, реализованных на единой методологической платформе, что позволяет широко их распространить на предприятиях аналогичного профиля.

Соответствие паспорту специальности. Согласно паспорту специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования, задачи, рассмотренные в диссертации, соответствуют областям исследований:

1. методология автоматизированного проектирования в технике, включающая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР;

3. разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях по выполнению НИР и ОКР на головных предприятиях электронной промышленности.

Основные результаты работы докладывались на отраслевых конференциях и научных семинарах Министерства промышленности и торговли, российских конференциях: Российской академии наук "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС)" (Москва 2010, 2012 год), центра испытаний элементной базы «Стойкость-2011» (Москва 2011), Интеллектуальные технологии будущего, Естественный и искусственный интеллект (Воронеж - 2011), Российско-белорусской конференции «Элементная база отечественной электроники» (Нижний Новгород - 2013).

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 35 работ, включая 9 работ в журналах, входящих в перечень определенных ВАК, авторские свидетельства. Общий объем всех публикаций 112 с (лично автором выполнено 69 с).

Личное участие заключается в определении цели и задач работы, в выполнении научно-технических исследований, разработке и анализе моделей, разработке алгоритмов, разработке методики проектирования, программной реализации и аппаратной реализации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения. Материалы диссертации изложены на 130 страницах, включая 105 страниц машинописного текста, 30 рисунок, 3 таблицы, список литературы из 106 наименований и 2 приложения.

1. Современные средства автоматизированного проектирования электронной компонентной базы космического назначения.

1.1. Анализ состояния и развития современной электронной компонентной

базы космического назначения

Электронная промышленность - одна из важнейших областей экономики. Благодаря ее развитию многие страны мира стали ведущими в создании передовых технологий, что позволило им занять лидирующее положение практически во всех областях, включая космическую отрасль.

Объектом микроэлектроники являются диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы, микросхемы и другие изделия, использующиеся для построения электронной аппаратуры, за которыми утвердился термин «электронная компонентная база» (ЭКБ), или «электронные компоненты» (как это принято называть в ведущих промышленно-развитых странах). ЭКБ относится к критически важным технологиям и оказывает непосредственное влияние на технический облик страны и темпы развития всей промышленности.

Современная микроэлектроника развивается опережающими темпами: фундаментально исследуются и детализируются интегральные и локальные физические процессы в полупроводниковых структурах, которые перешли в нанометровый и даже сверхнанометровый диапазон (если рассматривать активные области элементов), резко уменьшаются проектные нормы, крайне высоко растут функциональные возможности изделий, уменьшается потребляемая мощность, внедряются новые технологии производства, методы проектирования, способы планирования и реализации проекто�