Двухфазные элементы субмикронных КМОП цифровых СБИС с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц

Ольчев, Сергей Иванович

Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Двухфазные элементы субмикронных КМОП цифровых СБИС с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц

кандидата технических наук: Ольчев, Сергей Иванович
город: Москва
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.13.05

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Двухфазные элементы субмикронных КМОП цифровых СБИС с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц»

Автореферат диссертации по теме "Двухфазные элементы субмикронных КМОП цифровых СБИС с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц"

На правах рукописи 4853409

Ольчев Сергей Иванович

ДВУХФАЗНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СУБМИКРОННЫХ КМОП ЦИФРОВЫХ СБИС С ПОВЫШЕННОЙ СБОЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ

05.13.05 - «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

^^^ 2 2 СЕН 2011

Москва-2011 г.

4853409

Диссертация выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Стенин Владимир Яковлевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Петросянц Константин Орестович

Ведущая организация:

Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН

Защита диссертации состоится 17 октября 2011 г. в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.130.02 в НИЯУ «МИФИ» по адресу 115409, г. Москва, Каширское шоссе, 31, тел. 323-91-67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ «МИФИ».

Автореферат разослан «15» сентября 2011 г.

Ученый секретарь

кандидат технических наук, Соболев Сергей Анатольевич

диссертационного совета д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность проблемы

В настоящее время существует тенденция повышения производительности микропроцессорных систем, применяемых для аппаратуры авиационной техники и космических аппаратов. Увеличение производительности достигается, в частности, переходом на технологии с меньшими проектными нормами. КМОП СБИС с проектно-технологическими нормами менее 0,25 мкм имеют повышенную чувствительность к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц.

Перспективным направлением развития электронной компонентной базы для аппаратуры авиационной техники и аппаратуры космических аппаратов является разработка методов проектирования элементов цифровых субмикронных КМОП СБИС с повышенной сбоеустойчивостью к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц. Радиационно-стойкие техпроцессы в настоящее время по проектным нормам отстают на 4 - 6 поколений от современных коммерчески-доступных технологических процессов. Для достижения наилучшей производительности в мире активно развивается направление радиационно-стойкого проектирования Radiation Hard by Design (RHBD), основанного на использовании коммерчески-доступных технологических процессов с применением схемотехнических, топологических и алгоритмических методов повышения сбоеустойчивости.

Одним из схемотехнических подходов к повышению сбоеустойчивости логических комбинационных элементов цифровых субмикронных СБИС к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц является использование двухфазных элементов, схемотехника которых направлена на введение дополнительных элементов и связей между ними с целью повышения сбое-устойчивости самих логических элементов, а также блокировки распространения помехи между элементами. Двухфазные элементы представляют интерес в качестве схемотехнической меры по повышения сбоеустойчивости

при проектировании асинхронных устройств КМОП СБИС ОЗУ, таких, как, дешифратор адреса, блок управляющей логики, усилители записи-считывания, к которым предъявляются повышенные требования по быстродействию. Имеется опыт разработки и применения КМОП ячеек памяти типа NASA и DICE, которые фактически являются вариантами D-триггера на основе двухфазных КМОП инверторов. Опыт разработки этих структур подтверждает их потенциально повышенную устойчивость к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц, поэтому в качестве предмета исследования были выбраны двухфазные КМОП элементы цифровых субмикронных СБИС. Объектом исследования являются развитие схемотехнических и топологических решений, позволяющих повысить сбоеустойчивость двухфазных логических элементов к воздействию отдельных ядерных частиц.

В настоящее время в Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники" на 2008 - 2015 годы предусмотрена разработка отечественных быстродействующих микропроцессоров в частности для авионики, космической техники, аппаратуры, используемой в интересах Федерального агентства по атомной энергии и для других специализированных применений, где необходима повышенная сбоеустойчивость к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц. Поэтому значимой и актуальной является задача развития методов проектирования двухфазных логических элементов цифровых субмикронных КМОП СБИС с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц.

Цель и задачи диссертации

Целью диссертации является развитие методов проектирования двухфазных логических элементов цифровых субмикронных КМОП СБИС с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц.

Достижение указанной цели обеспечено решением следующих задач:

- Сравнительный анализ различных типов КМОП логических элементов субмикронных КМОП СБИС, применяемых в условиях воздействия отдельных ядерных частиц, и обоснование наиболее перспективных схемотехнических методов повышения сбоеустойчивости.

- Обоснование схемотехнических решений субмикронных КМОП логических комбинационных и последовательностных двухфазных (двухпортовых) элементов с повышенной сбоеустойчивостью к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц.

- Обоснование схемотехнических решений субмикронных двухфазных (двухпортовых) КМОП логических элементов с повышенной сбоеустой-чивостью к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц и малым энергопотреблением.

- Определение зависимостей и связей между параметрами двухфазных элементов и допустимыми параметрами локальных импульсов тока с целью обоснованного выбора параметров транзисторов элементов на основании предъявляемых требований по сбоеустойчивости.

- Разработка рекомендаций по проектированию топологий и конструкций двухфазных субмикронных КМОП элементов с повышенной сбоеустой-чивостью при минимальных дополнительных затратах по площади.

- Разработка вариантов базовых субмикронных двухфазных КМОП логических элементов по нормам проектирования КМОП КНИ 0,25 мкм и объемный КМОП 0,18 мкм с использованием топологии с пространственным разнесением чувствительных областей двухфазных КМОП элементов и экспериментальное исследование электрических характеристик логических элементов на тестовых структурах.

Научная новизна диссертации

1. Развита схемотехника двухфазных логических элементов комбинационного и последовательного типов в части применения перекрёстных связей входов образующих их элементов - конверторов. Такие решения двухфазных элементов дают возможность существенно повысить величину критического заряда переключения по сравнению с традиционной КМОП логикой.

3. Методические рекомендации по проектированию топологии двухфазных КМОП элементов с пространственным разнесением чувствительных областей дифференциальных частей двухфазных КМОП элементов с минимальными дополнительными затратами по площади кристалла за счёт использования пространства между отдельными областями данных элементов частями смежных элементов структуры.

Практическая значимость диссертации

1. Установлены оценочные коэффициенты затрат на площадь шин метал-

лизации связи дифференциальных частей двухфазных КМОП логических элементов по проектным нормам 0,25 мкм, 0,18 мкм и 65 нм, обусловленные пространственным разнесением частей элементов для повышения их сбоеустойчивости к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц.

3. На основе полученных в диссертации базовых результатов в НИИСИ РАН начаты разработки элементной базы двухфазной КМОП логики по норме 65 нм для высоконадежной цифровых и микропроцессорных КМОП СБИС.

Положения, выносимые на защиту

1. Схемотехнические решения комбинационных и последовательностных двухфазных КМОП элементов в части применения перекрёстных связей входов образующих их элементов, позволяющие повысить сбоеустой-чивость логических элементов в 10... 15 раз по сравнению с традиционными КМОП логическими элементами по нормам проектирования 0,18 мкм.

2. Эффект снижения сбоеустойчивости элементов двухфазной КМОП логики из-за влияния емкостной связи между дифференциальными частями двухфазных элементов, возникающей при топологическом разнесении дифференциальных частей с чувствительными областями. Оценка допустимых длин шин связи в зависимости от сопутствующего снижения критических значений зарядов и критических значений амплитуд импульсов воздействующего тока для КМОП элементов с проектной нормой 0,18 мкм. Величины критического заряда переключения двухфазных КМОП элементов при этом в 10... 15 раз превышают значения для традиционных КМОП элементов с проектной нормой 0,18 мкм.

Апробация диссертации

Результаты работы доложены на всероссийских конференциях «Электроника, микро- и наноэлектроника» (2010 г.), «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010 (МЭС-2010)», «Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость-2010», «Курчатовская молодёжная научная школа» (2010 г. - 2011 г.), «Научная сессия МИФИ» (2009 г. - 2011 г.).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах (в период с 2008 г. по 2011 г.), в том числе три в журналах из перечня ВАК. Пять работ опубликованы без соавторов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из списка условных обозначений, введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырёх приложений; содержит 182 страницы, в том числе 95 рисунка, 30 таблиц и список литературы из 127 наименований.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, проведен выбор объектов исследований, определена цель диссертации. Обобщены краткие результаты анализа ранее выполненных научных работ по тематике диссертации. Приведена постановка задачи и сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Изложены научная новизна и практическая ценность диссертации.

Двухфазные КМОП логические инверторы с повышенной сбоеустой-чивостью к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц

Субмикронные КМОП СБИС используются в современной авиационной и космической электронике. КМОП СБИС с проектно-технологическими нормами менее 0,25 мкм имеют повышенную чувствительность к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц. В настоящее время проектирование субмикронных микропроцессорных СБИС, а также управляющей логики субмикронных статических КМОП ОЗУ обычно происходит на основе традиционных КМОП логических элементов. Целью диссертации являлось раз-

витие схемотехники сбоеустойчивых логических элементов. Были предложены сбоеустойчивые двухфазные (двухпортовые) КМОП инверторы и элементы И-НЕ на основе 2-х и 4-х транзисторных конверторов. Имеется опыт разработки и применения КМОП ячеек памяти типа NASA и DICE, которые фактически являются вариантами D-триггера на основе двухфазных КМОП инверторов. Опыт разработки этих структур подтверждает их потенциально повышенную устойчивость к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц, однако отсутствует сравнительный анализ элементной базы двухфазной КМОП логики и обоснование эффективных решений.

Было предложено рассматривать двухфазные элементы с разделением стоковых цепей чувствительных узлов как элементы, состоящие из двух конверторов, где каждый конвертор формирует одну из выходных фаз на основании двухфазного входного сигнала. Как основа структур КМОП двухфазных элементов комбинационной логики в работе были приняты 2-х и 4-х транзисторные элементы с двумя входами (конверторы). Па рис. 1а представлена схема 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП, на рис. 16 представлена схема 4-транзисторного конвертора 4Т КМОП, на рис. 1в представлено условное обозначение КМОП конверторов.

_ Цип I

Вход 1

Шп1

Вход ]

Вход 1 ^

Р1 Вход 2

Выход

N1 иитт2

Выход

Вход 1 Вход 2

[Выход

Рис. 1. Схема 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП (а), схема 4-транзисторого конвертора 4Т КМОП (б), условное обозначение конвертора (в)

В качестве схемотехнических реализации двухфазных КМОП элементов в работе было предложено рассматривать два типа связей между образующими КМОП конверторами: 1) прямая связь входов; 2) перекрёстная связь входов (см. рис. 2). На рис. 3 представлено условное обозначение двухфазного инвертора. В двухфазных элементах с перекрёстными связями входов осуществляется несимметричное управление конверторами по дифференциальным входам. В табл. 1 представлено описание особенностей схем двухфазных инверторов.

Рис. 2. Схема двухфазного инвертора на осно- Рлс. 3. Условное обозначение двухфазного

ве КМОП конверторов с перекрёстной связью КМОП инвертора

входов

Таблица 1. Наименования инверторов и особенности их схем

Наименования инверторов Особенности инверторов и их связь со схемами конверторов

2ТКМОП Однофазный 2-транзисторный КМОП инвертор

2прх2Т КМОП Двухфазный КМОП инвертор на 2-транзисторных КМОП конверторах с прямыми связями входов конверторов

2перх2Т КМОП Двухфазный КМОП инвертор на 2-транзисторных КМОП конверторах с перекрёстными связями входов конверторов

2х4Т КМОП Двухфазные КМОП инверторы на 4-транзисторных КМОП конверторах

4ТКМОПДП Двухфазный 4-транзисторный КМОП инвертор с экранирующими Р и ЫМОП транзисторами

Моделирование для корректного сравнения вариантов схем логических элементов проводилось в симуляторе Spectre САПРа Cadence для случая длины каналов транзисторов 0,18 мкм, ширины канала ЯМОП транзисторов 0,9 мкм и ширины канала МЛОП транзисторов 0,6 мкм. Эффект воздействия отдельных ядерных частиц оценивался по реакции элементов на импульс тока, который отражал сбор заряда с трека частицы чувствительной областью обратно смещённого р-п перехода сток-подложка закрытых транзисторов. В табл. 2 представлены основные результаты моделирования характеристик двухфазных КМОП инверторов.

Таблица 2. Параметры статических КМОП инверторов (величина критического заряда О® статический ток потребления /пет, время переключения 1ц при различии значениях напряжения питания Цп), спроектированных по проектно-технологической норме 0,18 мкм__

Инвертор Qcрпри Оо-при /¡ктпри /ист при ifrnpH

Цт=1,8 В, Um=1ДВ, Цш=1,8В, Vm=UB, Um= 1,2 В,

фКл фКл пА пА IK lie

2ТКМОП 87 31 6,6 4,1 26 50

2пр*2Т КМОП 275 82 13,2 8,1 25 47

2перх2ТКМОП 15000* 15000* 13,2 8,1 26 50

2*4Т КМОП 15000* 15000* 3,0 2,3 64 124

4ТКМОПДП 454 171 6,6 4,1 79 152

Примечания: значком * отмечены значения заряда, при которых ещё не произошло переключение инвертора

Анализ реакции КМОП элементов показал, что воздействие локального импульса тока в период переключения элемента только ускоряет его переключение из одного логического состояния в другое и величина критического заряда при таком воздействии увеличивается. Оценка критического заряда производилась по минимальной величине, которая характерна для воздействия локального импульса тока на элемент в исходном статическом логическом состоянии «1».

Моделирование двухфазных элементов, спроектированных по нормам КМОП 0,18 мкм, в симуляторе Spectre САПРа Cadence показало, что лучшими параметрами по сочетанию сбоеустойчивости (оцениваемой по величине критического заряда переключения), токам потребления и быстродействию обладают двухфазные инверторы 2перх2ТКМОП на 2-транзисторных конверторах с перекрёстными связями входов конверторов, двухфазные инверторы 2пер*4Т КМОП и 2прх4Т КМОП на 4-транзисторных конверторах с прямыми и перекрёстными связями входов конверторов, двухфазные инверторы 4Т КМОП ДП с экранирующими транзисторами без разделения каналов.

Двухфазные КМОП логические элементы И-НЕ с повышенной сбое-устойчивостью к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц

Анализ схемотехники двухфазных элементов показал, что основой двухфазных элементов комбинационной логики является 2- й 4-транзистрные конверторы 2Т КМОП и 4Т КМОП. На рис. 4 представлена схема конвертора И-НЕ на 2-транзисторонм конверторе 2Т КМОП. На рис. 66 представлен конвертор И-НЕ на 4- транзисторном конверторе 4Т КМОП. На рис. 6в представлено условное обозначение конвертора И-НЕ. Шп1 Ulml

Al В|

2T I

КМОП

т ^

I Выход

Unn2

±2 Ii

В2

1 1

4T ,

КМОП

INI

иип2

— А, &

— А2

— В|

— в2

Рис. 4. Схема КМОП конвертора И-НЕ на основе конвертора 2Т КМОП (а), схема КМОП конвертора И-НЕ на основе конвертора 4Т КМОП (б), условное обозначение конвертора И-НЕ (в)

В качестве схемотехнических реализации двухфазных КМОП элементов И-НЕ в работе было предложено рассматривать два типа связей между образующими их КМОП конверторами И-НЕ: 1) прямая связь входов; 2) перекрёстная связь входов (см. рис. 5). В двухфазных элементах И-НЕ с перекрёстными связями входов осуществляется несимметричное управление конверторами по дифференциальным входам. Использование двух типов связей входов позволило оценить эффективность того или иного схемотехнического решения. На рис. 6 представлено условное обозначение двухфазных элементов И-НЕ

Рис. 5. Схема двухфазного элемента И-НЕ на основе КМОП конверторов И-НЕ с перекрёстной связью входов

— А] & 1 (

«я- А2

В ]

2 <

в2

Рис. 6. Условное обозначение двухфазного элемента И-НЕ

Моделирование параметров в симуляторе Spectre САПРа Cadence и сравнение параметров двухфазных КМОП элементов И-НЕ с параметрами традиционных однофазных КМОП элементов И-НЕ показало, что двухфазные КМОП элементы И-НЕ в зависимости от типа схемы, величины напряжения питания и температуры, имеют от 3 до 15 раз большую величину критического заряда переключения, при этом не более, чем в 2 раза больший ток потребления, изменение времени переключения варьируется в 1...3 раза для разных видов элементов и в 2,0...3,2 раза большую площадь. Основные параметры моделирования представлены в табл. 3.

Таблица 3. Параметры статических КМОП логических элементов И-НЕ (величина критического заряда О® статический ток потребления I;-]', время переключения при различных значениях напряжения питания спроектированных по норме 0,18 мкм

Элемент И-НЕ на инверторе типа

Qо-при Ол=1,8 В, фКл

(2крпри

В, фКл

/пет при 0ип=1,8 В, пА

Лот при Цт=1Л В, пА

Гпнри Ыл=1,8 В, пс

to при Uii=1,2 В, пс

2ТКМОП

165

4,4

3,1

2прх2Т КМОП

1738

1400

8,9

6,2

2перх2Т КМОП

15000*

8,9

6,2

2*4Т КМОП

15000*

3,5

2,6

165

4ТКМОПДП

330

143

4,4

3,2

177

Примечания: значком * отмечены значения заряда, при которых ещё не произошло переключение элемента И-НЕ

Было установлено, что реакция двухфазных элементов на локально воздействующий импульс тока зависит от параметров КМОП транзисторов двухфазных элементов, определяющих связь выходного тока КМОП конвертора в момент сбоя со значением амплитуды импульса тока (см. рис.7). Для двухфазного КМОП инвертора по нормам проектирования 0,18 мкм с шириной канала РМОП транзисторов 0,22... 1,5 мкм и шириной канала уУМОП транзисторов 0,6 мкм, амплитуда импульса тока, приводящего к сбою или блокировке состояния двухфазного элемента, связана со значением выходного тока инвертора коэффициентом 1,1...2,2. На рис. 8 представлены нагрузочные выходные характеристики конвертора двухфазного инвертора. Можно определить предельно допустимые значения параметров импульсов локально воздействующего тока, зная нагрузочные выходные характеристики двухфазных элементов (см. рис. 8), которые задают связь амплитуды импульса тока и амплитуды импульса напряжения помехи, вызывающего сбой.

1,6

J 1,4

5 j з в 1>3

•л

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 ^вых.мин.к«!». В

Рис. 7. Зависимости отношения амплитуды фототока /Фм к величине выходного тока /ных к.1. конвертора 2Т КМОП по нормам 0,18 мкм от значений выходного напряжения конвертора С/вых.мин к,1»('мин) в исходном логическом состоянии «1» в момент времени достижения выходным напряжением экстремума при различных постоянных времени спада тСп импульса тока и нагрузке конвертора на двухфазный КМОП инвертор С перекрёстными связями, ширина канала РМОП транзистора Wp - 0,9 мкм, ширина канала ЛМОП транзистора Wn = 0,6 мкм

1,5 « 1

1о,5

Ь* ° -0,5

-1

-1,5 -2

10 100 1000 4000

4ых.к«1», МКА

Рис. 8. Зависимости выходного напряжения конверторов Uqых.к«1» в исходном состоянии логической «1» от выходного тока конвертора /вых.к«1» 2Т КМОП по нормам 0,18 мкм в статическом режиме, ширина канала Л'МО! I транзистора - 0,6 мкм, ширина канала РМОГ1 транзисторов - 0Д2 мкм; 0,9 мкм; 1,5 мкм

В- и триггеры на основе двухфазных КМОП логических элементов

Проведённый в работе анализ схемотехники ¿»-триггеров на двухфазных КМОП инверторах показал, что по типу связей составляющих их инверторов ¿»-триггеры можно разделить на два вида: ¿»-триггер с прямыми связями входов и ¿»-триггер с перекрёстными связями входов (см. рис. 9).

Амплитуды помехи, приводящие к переключению состояния (сбою) двухфазного 0,18 мкм КМОП ¿»-триггера с перекрестными связями входов на основе элементов 2пер*2Т КМОП, имеют значения 3,77...3,36 В. Такие помехи возникают от воздействия локального импульса тока тока с постоянной времени спада 0,3 не при величинах интегрального критического заряда 1580 фКл. Амплитуда помехи переключения ¿»-триггера с проектной нормой 0,18 мкм на традиционных КМОП инверторах составляет 0,66... 1,0 В. Такие помехи возникают от воздействия локального импульса тока тока с постоянной времени спада 0,3 не при величинах интегрального критического заряда 80 фКл.

1 Q

|Оп

¡Он

1 ф

2<?

Qi.

0,2

Рис. 9. Схема D-триггера с перекрёстной связью входов на основе двухфазных КМОП инверторов

Проведённый в работе анализ схемотехники триггеров на двухфазных КМОП элементах И-НЕ показал, что по типу связей составляющих их элементов Л£-триггеры можно разделить на два вида: /¿^-триггер с прямой связью входов и Л^-триггер с перекрёстной связью входов (см. рис. 10).

Моделирование двухфазных элементов, спроектированных по нормам КМОП 0,18 мкм, в симуляторе Spectre САПРа Cadence показало, что лучшими параметрами по сочетанию сбоеустойчивости (оцениваемой по величине критического заряда переключения), токам потребления и быстродействию обладают D- и AS-триггеры на основе двухфазных инверторов 2перх2Т КМОП на 2-транзисторных конверторах с перекрёстными связями входов конверторов, на основе двухфазных инверторов 2*4ТКМОП с 4-транзисторными конверторами с прямыми и перекрёстными связями входов конверторов.

Он

<?22

Рис. 10. Схема ДУ-триггера с перекрёстной связью входов на основе двухфазных КМОП инверторов

Автором было установлено, что эффект блокировки помехи двухфазными элементами существенно больше при перекрёстной связи входов двухфазных элементов в схемах как комбинационной, так и последовательност-ной логики. Этот эффект определяется асимметричными переключательными характеристиками парных конверторов в составе инверторов и элементов И-НЕ, а также асимметричным прохождением помехи через ёмкость затвор-сток закрытых транзисторов. Эффект от использования перекрёстной связи по величине критического заряда переключения по сравнению с использованием прямой связи входов двухфазных элементов может достигать 15 раз.

Особенности проектирования топологии двухфазных КМОП логических элементов по проектно-технологическим нормам 0,25 мкм и 0,18 мкм

Автором установлен эффект снижения критических значений зарядов и амплитуд импульсов тока для двухфазных элементов, обусловленных емкостной связью их дифференциальных входов. Эта емкостная связь обусловлена двухпроводным характером соединительных шин и ёмкостью парных элементов установки логического состояния триггеров. Установлена связь длин дифференциальных шин связей двухфазного элемента и коэффициента снижения его сбоеустойчивости до предельно допустимых величин. Установлено, что критические значения амплитуд воздействующих импульсов тока, характеризующих сбоеустойчивость двухфазных КМОП инверторов (см. рис. 11) и Л-триггеров (см. рис. 12) по проектной норме 0,18 мкм существенно снижаются, если ёмкости связи между дифференциальными узлами превышает 3.. .4 фФ.

зс

а| &

а2 1 о

В, 2 6

в2

|(3ц

л, &

а2

в,

2 с

В2

80000

10000

I 1000

100

123456789 Ок дио, фф

Рис. 11. Критические значения амплитуд импульса тока /ф.м.кр в зависимости от емкости между входами двухфазных штсрторов Свхдиф по нормам проектирования 0,18 мкм при их логических состояниях «0» и «1»

30000 10000

§ 1000 а

100

2 3 4 5

^ВХДИФ- Ф*^

Рис. 12. Критические значения амплитуды импульса тока /ф.м.кр Для О-триггеров в зависимости от емкости менаду входами его инверторов Сщсдиф по нормам проектирования 0,18 мкм при логических состояниях «0» и «1»

Величина удельной ёмкости между шинами металлизации дифференциальных линий двухфазных элементов для слоя металлизации 1...4 для норм проектирования 0,18 мкм составляет 0,058...0,022 фф/мкм. Максимальная допустимая протяжённость шин металлизации дифференциальных линий двухфазных элементов по нормам проектирования 0,18 мкм составляет 50...70 мкм. Допустимое снижение величины критического заряда переключения при этом составляет 1000...3000 фКл, а максимальная амплитуда локального импульса тока 500... 1500 мкм.

Проектирование топологии двухфазных элементов на основе конверторов типа 2Т КМОП (см. рис. 13) и 4Т КМОП (см. рис. 14) с пространственным разнесением их парных чувствительных к воздействию отдельных ядерных частиц областей позволяет практически исключить одновременный сбор заряда двумя чувствительными областями элемента с трека частицы, за счёт чего сбоеустойчивость двухфазных элементов по величине критического заряда переключения повышается как минимум в 15 раз.

Проектирование топологии двухфазных элементов на основе конверторов типа 2Т КМОП и 4Т КМОП с пространственным разнесением их парных чувствительных к воздействию отдельных ядерных частиц областей возможно на основе принципа масштабирования, для чего установлены коэффициенты пропорциональности для проектных норм КМОП 0,25 мкм, 0,18 мкм и 65 нм между величинами необходимой дополнительной площади металлизации межсоединений и расстояниями, на которые осуществляется разнесение зарядо чувствительных парных узлов двухфазных эле-

ментов. На рис. 15 представлены зависимости линейного увеличения площади двухфазных элементов в зависимости от расстояния, на которое осуществляется разнесение зарядо чувствительных областей.

2,2 мкм 2,6 мкм

я-Карман

Рис. 13, Эскиз топологии 2-транзисторного конвертора 2Т КМОП, разработанного по нормам проектирования 0,18 мкм

Рис. 14. Эскиз топологии 4-транзисторного конвертора 4Т КМОП, разработанного по нормам проектирования 0,18 мкм

Разработана топология двухфазных КМОП инверторов и элементов И-НЕ на основе конверторов 2Т КМОП и 4Т КМОП по нормам проектирования КНИ КМОП 0,25 мкм и объёмный КМОП 0,18 мкм с пространственным разнесением конверторов. Взаимное включение чувствительных областей смежных двухфазных элементов позволило минимизировать дополнительные затраты по площади при разнесении конверторов. На рис. 16 представлен эскиз топологии двух двухфазных КМОП инверторов на основе конверторов 2Т КМОП по нормам проектирования КНИ КМОП 0,25 мкм и взаимных включением чувствительных областей в пространство между конверторами. На рис. 17 представлен эскиз матричного расположения конверторов двух двухфазных КМОП инверторов на кристалле и связей между ними.

Установлены выражения, позволяющие рассчитывать площадь топологии двухфазных элементов с пространственным разнесением конверторов и взаимным включением в пространство между конверторами чувствительных областей смежных двухфазных элементов:

$ЭЛ = 2 ¿'конв + *-*МЕТя (1)

где 5гонв - площадь конвертора, 5мет - площадь металлизации межсоединений конверторов.

Площадь металлизации межсоединений конверторов рассчитывается по следующей формуле:

"^МЕТ ~ ¿МЕТ (Мсонв + 1 ), (2)

где ¿мех - коэффициент пропорциональности дополнительных затрат по площади на металлизацию межсоединений, тУКонв _ количество конверторов смежных элементов, расположенных между конверторами данного двухфазного элемента.

Расстояние между чувствительными областями двухфазных элементов, мкм

Рис. 15. Зависимость площади топологии двухфазных инверторов, нормированной на площадь однофазного инвертора, от усредненной величины расстояний между МОП транзисторами одноимённого типа проводимости в различных конверторах для различных норм проектирования

Коэффициент пропорциональности дополнительных затрат по площади на металлизацию межсоединений рассчитывается по следующей формуле:

¿МЕТ = 2 Л/диф /конв + йщ), (3)

где Лдаф - количество дифференциальных входов элемента (Л^диф = 1 Для двухфазных КМОП инверторов, = 2 для двухфазных КМОП элементов И-НЕ), /конв — длина конвертора, с1ш — расстояние между шинами металлизации, Иш - ширина шины металлизации. Площадь двухфазных инверторов с пространственным разнесением и включением в пространство между чувствительными областями одной дифференциальной части смежного двухфазного элемента на основе конверторов 2Т КМОП составляет для норм проектирования 0,25 мкм - 43,1 мкм2, для норм проектирования 0,18 мкм - 26,2 мкм2, для норм проектирования 65 нм - 4,8 мкм2. Площадь двухфазных инверторов на основе конверторов 4Т КМОП для норм проектирования 0,25...0,065 мкм имеет в 1,2.. .1,4 раза большую площадь, чем аналогичные двухфазные инверторы на основе конверторов типа 4Т КМОП. Увеличение расстояния на 10 мкм между чувствительными областями дифференциальных частей двухфазных КМОП элементов для проектных норм 0,25...0,065 мкм приводит к

увеличению затрат на площадь шин металлизации связи по отношению к площади двухфазного элемента в 0,6.. .2,8 раз.

Выход 11

Инвертор 1

Инвертор 2

Ь|.з Выход I

Кзй1©

Выход 22

Рис. 16. Пример размещения на кристалле двух независимых двухфазных инверторов по нормам проектирования КНИ КМОП 0,25 мкм с пространственным разнесением конверторов и взаимным включением в пространство между конверторами конверторов другого двухфазного инвертора

Рис. 17. Эскиз матричного расположения конверторов двух двухфазных КМОП инверторов на кристалле и связей между ними

Разработанные топологические решения базовых двухфазных элементов с 2-транзисторными и 4-транзисторными конверторами изготовлены в виде интегральных, тестовых элементов и структур кольцевых генераторов, состоящих из 599 инверторов и 2-х элементов И-НЕ, с субмикронными проектными нормами 0,25 мкм. По результатам экспериментальных исследований было установлено бессбойное функционирование тестовых структур в диапазоне напряжений питания 2,5...1,5 В. В табл. 4 - табл. 6 представлены результаты экспериментального исследования электрических характеристик тестовых структур.

Таблица 4. Основные параметры тестовых кольцевых генераторов, состоящих из 599 однофазных инверторов 2Т КМОП и 2-х элементов И-НЕ __

Напряжение 1/цп, В 2,5 2,25 2 1,75 1,5

Частота генерации, МГц 13,85 12,44 11,08 9,59 8,08

Период генерации, не 71,8 80,3В 90,2 104,6 129

Ток потребления, мкЛ 1258 942 676,7 463,5 301,3

Таблица 5. Основные параметры тестовых кольцевых генераторов, состоящих из 599 двухфазных инверторов 2перх2Т КМОП и 2-х элементов И-НЕ с пространственным разнесением конверторов__________

Напряжение (/ип, В 2,5 2,25 2 1,75 1,5

Частота генерации, МГц 11,33 10,12 9,008 7,7 6,19

Период генерации, не 88,54 98,86 111,6 130,7 161

Ток потребления, мкА 871,9 633,7 439,5 291,3 183,2

Таблица 6. Основные параметры тестовых кольцевых генераторов, состоящих из 599 двухфазных инверторов 2перх4Т КМОП и 2-х элементов И-НЕ с пространственным разнесением конверторов___________

Напряжение Vип, В 2,5 2,25 2 1,75 1,5

Частота генерации, МГц 3,68 3,3 2,88 2,411 1,902

Период генерации, не 273 302,8 346 413,8 524

Ток потребления, мкА . 473,7 365,2 219,7 143,8 102,4

Тестовые структуры на двухфазных элементах с конверторами 4Т КМОП потребляют в 1,8,..1,9 раз меньший ток, чем тестовые структуры на двухфазных элементах 2Т КМОП, динамический ток потребления которых при напряжениях питания 2,5...1,5 В составляет 870... 180 мкА, что подтвердило обоснованность рекомендации об использовании двухфазных элементов с 4-транзисторными конверторами в функциональных блоках с пониженным энергопотреблением.

Заключение

Основной результат диссертации заключается в развитии методов проектирования двухфазных логических элементов цифровых субмикронных КМОП СБИС с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц.

Основные теоретические результаты диссертации:

1. Развита схемотехника двухфазных логических элементов комбинационного и последовательного типов в части применения перекрёстных связей входов образующих их элементов - конверторов. Такие решения двухфазных элементов дают возможность повысить величину критического заряда переключения двухфазных логических элементов более чем в 10 раз по сравнению с традиционной КМОП логикой с проектными нормами 0,18 мкм, для которой характерная величина критического заряда переклю-

чения не превышает 100...200 фКл.

2. Установлен эффект и дана оценка снижения сбоеустойчивости элементов двухфазной КМОП логики из-за влияния увеличения емкостной связи между дифференциальными частями двухфазных элементов, возникающей при топологическом разнесении дифференциальных частей с чувствительными областями. Величины суммарной ёмкости связи дифференциальных входов двухфазных элементов комбинационных и последовательност-ных типов с проектной нормой 0,18 мкм. не должны превышать значений 3...4 фФ. Величины критического заряда переключения двухфазных КМОП элементов при этом в 10... 15 раз превышают значения для традиционных КМОП элементов с проектной нормой 0,18 мкм.

Основные практические результаты диссертации: и их внедрение:

2. Результаты исследований использованы в НИИ системных исследований РАН в рамках ОКР «Мангуст-БУ» при проектировании двухфазных логических КМОП элементов по проектным нормам КМОП 0,18 мкм и КМОП КНИ 0,25 мкм. На предприятии КБ "Корунд-М" изготовлены тестовые образцы субмикронных интегральных структур кольцевых генераторов с проектной нормой 0,25 мкм по технологии КМОП КНИ. Тестовые структуры на двухфазных КМОП элементах с 4-транзисторными конверторами имеют в 1,8... 1,9 раз меньший ток потребления, чем тестовые структуры на двухфазных элементах с 2-транзисторными конверторами, что подтвердило рекомендации об использовании двухфазных элементов с 4-транзисторными конверторами в функциональных блоках СБИС с пониженным энергопотреблением.

3. На основе полученных в диссертации базовых результатов в НИИСИ РАН начаты разработки элементной базы двухфазной КМОП логики по норме 65 нм для высоконадежных цифровых и микропроцессорных КМОП СБИС.

Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Ольчев С.И., Стенин В .Я. Двухфазные КМОП логические элементы с

повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц // Микроэлектроника. - 2011. - Т. 40. - № 3. - С. 172 - 187.

2. Ольчев С.И., Стенин В.Я. Моделирование характеристик субмикронных двухфазных КМОП логических элементов при воздействии отдельных ядерных Частиц Ч Ядерная физика и инжиниринг. - 2011. - Т.2. - №5.

3. Ольчев С.И. Субмикронные КМОП цифровые элементы с повышенной устойчивостью к воздействию атмосферных нейтронов // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010. Сб. трудов под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010.-С. 261-264.

4. Ольчев С.И. Схемотехнические особенности элементов комбинационной логики с требованиями к повышенной сбоеустойчивости и помехозащищённости // Научная сессия МИФИ-2010. Сб. научн. трудов.- М.: МИФИ, 2010. - Т. 1.- С. 150 - 152.

5. Ольчев С.И. Тестовые кольцевые генераторы на однофазных и двухфазных логических элементах // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2010. - С. 51 - 56.

6. Ольчев С.И. Повышение сбоеустойчивости субмикронных КМОП конверторных элементов двухпортовой комбинационной логики // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2009. -С. 97 -102.

7. Ольчев С.И. Оптимизация по быстродействию выходных буферов блоков статических ОЗУ, работающих на емкостную нагрузку // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2008. -С. 52 - 56.

8. Ольчев С.И., Стенин В.Я. Сбоеустойчивые КМОП логические элементы с двухфазным управлением // Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость-2010». - Вып. 13. - С. 236-238.

9. Ольчев С.И., Черкасов И.Г. Повышение сбоеустойчивости комбинационной логики КМОП СБИС к воздействию отдельных ядерных частиц // Научная сессия МИФИ-2009. Сб. научн. трудов.- М.: МИФИ, 2009. -Т.2.- С. 123 - 126.

10. Ольчев С.И., Стенин В.Я. Анализ сбоеустойчивости КМОП логических элементов с двухфазной структурой // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2010. - С. 17-28.

11. Ольчев С.И., Стенин В.Я. Анализ сбоеустойчивости КМОП триггерных элементов с двухфазной структурой // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2010. - С. 29 - 38.

12. Ольчев С.И., Стенин В.Я. Особенности двухфазных 0,18 мкм КМОП логических элементов при локальном воздействии импульсов тока // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2011.-С. 16-23.

Подписано в печать:

14.09.2011

Заказ № 5904 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Ольчев, Сергей Иванович

Оглавление.

Список условных обозначений.

Введение.

Глава 1. Двухфазные КМОП логические инверторы с повышенной сбоеустойчивостыо к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц.

1.1. Обзор основных методов снижения влияния одиночных кратковременных импульсов на работоспособность СБИС.

1.2. Схемотехнические особенности двухфазных КМОП логических инверторов.

1.3. Модлеирование импульсных характеристик субмикронных КМОП инверторов, разработанных по нормам проектирования 0,18 мкм при воздействии локального импульса тока.

1.4. Моделирование квазистатических характеристик чувствительности субмикронных КМОП инверторов, разработанных по нормам проектирования 0,18 мкм, к воздействию локального импульса тока.

Выводы.

Глава 2. Двухфазные КМОП логические элементы И-НЕ с повышенной сбоеустойчивостыо к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц.

2.1. Схемотехнические особенности двухфазных КМОП логических элементов И-НЕ.

2.2. Квазистатические характеристики чувствительности конверторов 4Т КМОП и двухфазных инверторов 4Т КМОП ДП с экранирующими транзисторами без разделения каналов как основа двухфазных элементов

И-НЕ.

2.3. Определение максимально допустимых параметров импульса ионизационного тока на основе характеристик чувствительности КМОП логических элементов.

Выводы.

Глава 3. D- и RS- триггеры на основе двухфазных логических элементов с применением схемотехнических мер по повышению сбоеустойчивости к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц.;.

3.1. Схемотехнические особенности D- и RS- триггеров на двухфазных

КМОП элементах.

3.2. Особенности влияния емкостной передачи импульса напряжения помехи на выходы КМОП двухфазного инвертора на основе конвертора 2Т

КМОП при каскадном включении.

3.3. Инвариантность воздействия критического заряда на логические элементы для различных постоянных времени спада и различных постоянных времени нарастания импульса ионизационного тока.

Выводы.

Глава 4. Особенности проектирования топологии двухфазных КМОП логических элементов по проектно-технологическим нормам КНИ КМОП 0,25 мкм и объемный КМОП 0,18 мкм.

4.1. Расчёт шин металлизации линий связи двухфазных элементов с учётом эффекта ппрохождения помехи через ёмкость связи между шинами металлизации.

4.2. Проектировние двухфазных элементов на основе конверторов 2Т КМОП и 4Т КМОП с мерами по повышению сбоеустойчивости с учётом затрат по площади на меры по повышению сбоеустойчивости.

4.3. Проектирование двухфазных элементов с учётом уменьшения площади чувствительных областей экранирующих транзисторов при сохранении быстродействия элемента на примере инвертора 4Т КМОП ДП.

4.4. Разработка кольцевых генераторов на двухфазных КМОП логических элементах по нормам проектирования КНИ КМОП 0,25 мкм и результаты экспериментальных исследований электрических характеристик.

Выводы.

Введение 2011 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Ольчев, Сергей Иванович

В настоящее время существует тенденция повышения производительности микропроцессоров, применяемых для аппаратуры авиационной техники и космических аппаратов. Увеличение производительности достигается, в частности, переходом на технологии с меньшими проектными нормами. С уменьшением проектных норм увеличивается доля сбоев от отдельных ядерных частиц, приходящаяся на долю комбинационных блоков СБИС. По оценкам Department of Computer Sciences University of Texas at Austin, TX USA возникновение возникновения сбоев СБИС, разработанных по нормам проектирования объёмный кремний КМОП 0,18 мкм, от блоков комбинационной логики при воздействии атмосферных нейтронов с энергией выше 1 МэВ, происходит приблизительно в 104 раз реже, чем от триггерных элементов. Для КМОП СБИС, разрабатываемых по нормам проектирования 100 нм отношение интенсивности возникновения сбоев от блоков комбинационной логики в среднем в 102 раз меньше, чем от триггерных элементов. Для проектных норм 50 нм, вероятность возникновения сбоев от комбинационных блоков и триггерных элементов, при отсутствии применения дополнительных мер по повышению сбоеустойчивости, имеет приблизительно одинаковый порядок. Таким образом, при переходе на технологии проектирования СБИС менее 100 нм существенно возрастает доля сбоев, приходящаяся на элементы комбинационной логики. Поэтому в настоящее время перспективным направлением развития электронной компонентной базы для аппаратуры авиационной техники и аппаратуры космических аппаратов является разработка методов проектирования сбоеустойчивых элементов комбинационной логики.

Радиационно-стойкие техпроцессы в настоящее время по проектным нормам отстают на 4 - 6 поколений от современных коммерчески-доступных технологических процессов. Для достижения наилучшей производительности в мире активно развивается направление радиационно-стойкого проектирования Radiation Hard by Design (RHBD), основанного на использовании коммерчески-доступных технологических процессов с применением схемотехнических, топологических и алгоритмических методов повышения сбоеустойчивости.

Максимальная интенсивность атмосферных нейтронов с энергиями выше 1 МэВ имеет место на высотах порядка 10.15 км с типовым значением плотности потока порядка 1 нейтрон/(см2с). Причина образования нейтронных «ливней» обусловлена взаимодействием протонов космического происхождения с верхними слоями атмосферы.

Во время солнечных вспышек такая же интенсивность нейтронов несколько раз в год в течение от нескольких часов до нескольких дней бывает и на уровне моря. Радиационные 8 эффекты в субмикронных СБИС обусловлены взаимодействием отдельного нейтрона с веществом с выделением большого количества энергии (порядка единиц МэВ) внутри л микрообъема порядка от 1 до 100 мкм чувствительного элемента СБИС. Основными эффектами воздействия потоков атмосферных нейтронов на СБИС, являются одиночные сбои, защита от которых и является предметом проектирования СБИС и устройств на их основе с повышенной сбоеустойчивостью.

Сбой от комбинационной логики КМОП СБИС проявляется в виде кратковременного изменения выходного напряжения из-за локальных ионизационных эффектов. Причинами повышения доли сбоев от комбинационных блоков со снижением проектных норм является уменьшение величин зарядов переключения и повышение быстродействия КМОП СБИС. Если для логических КМОП элементов, разработанных по нормам проектирования 0,18 мкм характерная величина критического заряда, приводящая к сбою состояния логического элемента составляет 100.700 фКл, то величина критического заряда, приводящая к сбою логического элемента, разработанного по нормам проектирования 50 нм, составляет порядка 80.20 фКл. Влияние повышения быстродействия КМОП СБИС на сбоеустойчивость комбинационных блоков проявляется в уменьшении внутренней задержки логических элементов и увеличении частоты синхронизации тактируемых схем. Уменьшение времени переключения отдельных элементов приводит к переключению цепочки логических элементов даже от одиночных импульсов- незначительной продолжительности (порядка 100 пс). Из-за уменьшения продолжительности периода синхронизирующих импульсов в тактируемых схемах, увеличивается чувствительность к возникновению сбоя из-за ложных кратковременных импульсов напряжения, возникающих на линии данных. Это связано с тем, что в течение такта синхронизации увеличивается относительная часть времени перед фронтом сигнала стробирования, в период которого ложный импульс может быть воспринят за достоверный сигнал.

Методы повышения сбоеустойчивости КМОП СБИС от генерации ложных импульсов напряжения комбинационными блоками ориентированы, главным образом, на фильтрацию одиночных импульсов, за счёт дополнительных схем с использованием линий задержки. Данный подход позволяет существенно повысить сбоеустойчивость КМОП СБИС при относительно небольших аппаратурных затратах в схемах, где быстродействие не является определяющим критерием. Использование резервирования функциональных блоков и схем мажоритарной выборки позволяет повысить сбоеустойчивость без существенного ухудшения по быстродействию. Такой подход нашёл широкое применение при проектировании сбоеустойчивых устройствах на ПЛИС, 9 где существует удобная возможность реконфигурирования устройства с различными вариантами резервирования и мажоритарной выборки, исходя из требований по надёжности функционирования. Однако такой подход приводит к многократным увеличениям (не менее чем в 3.4 раза) по площади разрабатываемого устройства. Поэтому определяющими критериями при развитии схемотехнических методов проектирования сбоеустойчивых КМОП СБИС являются быстродействие и снижение аппаратурной избыточности.

Одним из схемотехнических подходов к повышению сбоеустойчивости функциональных блоков СБИС к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц является использование двухфазных элементов, схемотехника которых направлена на введение дополнительных элементов и связей между ними с целью повышения сбоеустойчивости самих логических элементов, а также блокировки распространения помехи между элементами. Особенность двухфазных элементов заключается в наличии двух симметричных структур, которые за счёт внутренних связей двухфазного элемента сохраняют исходное логическое в случае воздействия эффектов от отдельных ядерных частиц на одну из симметричных структур. Благодаря этим свойствам двухфазных элементов, они обладают потенциально более высокой сбоеустойчивостью по сравнению с однофазными элементами. Площадь двухфазных элементов как минимум в 2 раза превышает площадь однофазных элементов при минимальном • ухудшении по быстродействию.

Проектирование микропроцессорных СБИС, цифровых СБИС типа система на кристалле, а также управляющей логики субмикронных статических КМОП ОЗУ обычно происходит на основе традиционных КМОП логических элементов. Дополнительные схемотехнические и конструктивно-топологические меры по повышению сбоеустойчивости к воздействию радиационных факторов применяются при проектировании банков памяти статических КМОП ОЗУ. Эти меры направлены на защиту СБИС ОЗУ от тиристорных эффектов, дозовых эффектов и одиночных сбоев и включают в себя специальную схемотехнику ячеек памяти, использование контактов к подложке и п-карманам, охранные кольца, дополнительные ячейки памяти для контроля потери данных. Несмотря на то, что меры по повышению сбоеустойчивости статических ячеек памяти позволяют существенно повысить надёжность функционирования статических ОЗУ в режиме хранения, данные меры не позволяют защитить ячейки памяти от потери информации из-за ложного срабатывания усилителей записи или дешифраторов адреса вследствие локальных ионизационных эффектов в режиме обращения к ОЗУ (режим чтения или режим записи). Двухфазные элементы представляют интерес в качестве

10 схемотехнической меры по повышения сбоеустойчивости при проектировании асинхронных устройств КМОП СБИС ОЗУ, таких, как, дешифратор адреса, блок управляющей логики, усилители записи-считывания, к которым предъявляются повышенные требования по быстродействию.

Использование двухфазных элементов представляет интерес при проектировании сбоеустойчивых триггеров на их основе. Потенциально высокая сбоеустойчивость триггеров на двухфазных элементах заключается в возможности двухфазного управления элементами комбинационной логики, позволяющего свести к минимуму потерю информации из-за сбоя в элементах управляющей комбинационной логики. Данная схемотехническая особенность двухфазных элементов может быть использована при проектировании сбоеустойчивых КМОП СБИС статических ОЗУ на основе сбоеустойчивых ячеек памяти DICE. Основой сбоеустойчивой ячейка памяти DICE является D-триггер на двухфазных КМОП инверторах. Двухфазная структура сбоеустойчивой ячейки памяти типа DICE позволяет организовать управление ячейками в банке памяти ОЗУ по двухфазным линиям, что в совокупности с использованием архитектуры ОЗУ на двухфазных КМОП элементах потенциально повышает надёжность работы ОЗУ от сбоев, возникающих в управляющей логике под воздействием эффектов от отдельных ядерных частиц. Поэтому в качестве предмета исследования были выбраны двухфазные КМОП элементы цифровых субмикронных СБИС. Объектом исследования являются развитие схемотехнических и топологических решений, позволяющих повысить сбоеустойчивость двухфазных логических элементов к воздействию отдельных ядерных частиц.

Определяющими параметрами при срабатывании других логических элементов являются амплитудное значение и продолжительность импульса помехи по напряжению. Поэтому задача по разработке сбоеустойчивых логических элементов также заключается в установлении зависимостей и связей между амплитудными величинами импульсов напряжения на выходе конвертора (экстремумов напряжений на выходе) как функции амплитудных значений импульсов ионизационного тока (или заряда) при разных значениях постоянной времени спада импульса тока. Данные зависимости необходимы для обоснованных рекомендаций по применению того или иного схемотехнического подхода в зависимости от параметров импульса ионизационного тока, которые определяются характеристиками ионизирующего излучения.

11 микропроцессоров в частности для авионики, космической техники, аппаратуры, используемой в интересах Федерального агентства по атомной энергии и для других специализированных применений, где необходима повышенная сбоеустойчивость к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц. Поэтому значимой и актуальной является задача развития методов проектирования двухфазных логических элементов цифровых субмикронных КМОП СБИС с повышенной сбоеустойчивостыо к воздействию отдельных ядерных частиц.

Состояние исследований по проблеме

Подробные описания эффектов воздействия отдельных ядерных частиц на функционирование субмикронных КМОП схем представлены в работах Никифорова А.Ю. [1 - 3], Чумакова А.И. [1, 4 - 7], Тельца В.А. [1, 8], Ладыгина H.A. [9]. Радиационные эффекты описаны в работах Скоробогатова П.К. [10, И], Першенкова B.C. [12]., а также зарубежных авторов Velazco R. [13] И Reis R. [14], Dressendorfer P.Y. [15], Petersen E.D. [16]. Описание физических процессов взаимодействия радиационных факторов среды с полупроводниковыми структурами представлены в работах Вавилова B.C. [17], Ухина H.A. [18], Емельянова В.В. [19, 20]. Вопросы методологии радиационной стойкости цифровых СБИС и принципы проектирования радиационно-стойких КМОП интегральных схем представлены в трудах Герасимова Ю. М. [21, 22], Вернера В.Д. [23], Кармазинского А.Н. [24 -26].

Развитие конструктивно-топологических методов проектирования, СБИС ОЗУ с повышенной стойкостью к воздействию отдельных ядерных частиц представлено в трудах Стенина В.Я., Черкасова И.Г. [27]. Развитие архитектуры отечественных высокопроизводительных микропроцессорных систем межвидового применения отражено в трудах Бобкова С.Г. [28 - 31].

Направление радиационно-стойкого проектирования цифровых СБИС является на сегодняшний день наиболее перспективным, поскольку при дополнительных затратах по площади в 1,5.4 раза за счёт использования схемотехнических, конструктивно-топологических и алгоритмических методов повышения сбоеустойчивости к радиационным эффектам, остаются доступными коммерческие технологии изготовления СБИС. Это позволяет создавать разработчикам библиотеки сбоеустойчивых элементов для проектирования функциональных блоков СБИС с требуемым уровнем защиты от эффектов воздействия отдельных ядерных частиц. За рубежом используются несколько таких библиотек - это DARE [32], IMEC [33] и MRC [34] библиотеки по проектным нормам 0,18 мкм и 0,25 мкм. Данные библиотеки состоят из 100.300 элементов и используются для разработки заказных интегральных схем. Отечественной библиотеки с повышенной сбоеустойчивотью к воздействию отдельных ядерных частиц не существует.

Оценка влияния радиационных факторов осуществляется на основе численных методов моделирования поверхностных и локальных радиационных эффектов в КМОП и КНИ КМОП структурах, которые развиты в работах Петросянца К.О. и Харитонова И.А. [35 - 37]. Методики оценки чувствительности СБИС к эффектам воздействия ионов и протонов представлены в работах Мирошина В.В. [38] и Чумакова А.И. [39 - 42].

Недостатком данных методик является необходимость проведения больших объемов вычислений, связанных с расчетом функции, определяющей связь сечения насыщения с пороговой энергией возникновения эффекта и геометрическими характеристиками чувствительной области. Корректные прогнозные значения сечения одиночных сбоев и пороговые энергии протонов можно получить при наличии экспериментальных данных сечения насыщения ионов и наоборот. Качественный анализ устойчивости к эффектам одиночных сбоев производится по величине критического заряда, вызывающего переключение элемента при воздействии нейтронов, протонов и ионов.

Схемотехнические реализации сбоеустойчивых элементов комбинационной логики приведены в рефератах к заявкам на изобретение фирмы Boeing [43], авторами патентов Eaton H.A. [44], Kno wies K.R. [45], Canaris J. [46]. Авторы патентов предлагают принципиальные схемы сбоеустойчивых логических элементов, позволяющих ослаблять влияние локальных ионизационных эффектов на их функционирование. В данных рефератах отсутствует систематизированное сравнение различных схемотехнических подходов по критериям быстродействия и сбоеустойчивости.

Схемотехническая реализация сбоеустойчивых ячеек памяти статических КМОП СБИС рассмотрена в работах Canaris J. [47] и Whitaker S. [48]. В данных работах представлены схемы сбоеустойчивых ячеек памяти NASA и DICE, которые, по сути, являются реализациями D-триггеров на двухфазных инверторах с КМОП конверторами. Результаты экспериментальных исследований на ускорителе протонов с энергией 1 ГэВ параметров чувствительности КМОП статических ОЗУ на сбоеустойчивых ячейках DICE по нормам проектирования 0,18 мкм опубликованы в работе Стенина В.Я., Черкасова И.Г., и др. [49]. По результатам эксперимента установлено, что сечение сбоев тестовых ОЗУ на ячейках DICE имеет как минимум на порядок меньшее значение сечения насыщения сбоев тестовых ОЗУ на традиционных 6-транзисторных ячейках. Опыт разработки этих структур подтверждает потенциально повышенную сбоеустойчивость двухфазных элементов к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц, однако

13 отсутствует сравнительный анализ элементной базы двухфазной КМОП логики и обоснование эффективных решений.

Цель и задачи диссертации

Достижение указанной цели обеспечено решением следующих задач:

- Обоснование схемотехнических решений субмикронных двухфазных (двухпортовых) КМОП логических элементов с повышенной сбоеустойчивостью к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц и малым энергопотреблением.

- Разработка рекомендаций по проектированию топологий и конструкций двухфазных субмикронных КМОП элементов с повышенной сбоеустойчивостью при минимальных дополнительных затратах по площади.

Научная новизна диссертации

1. Развита схемотехника двухфазных логических элементов комбинационного и последовательного типов в части применения перекрёстных связей входов образующих их элементов — конверторов. Такие решения двухфазных элементов дают возможность повысить величину критического заряда переключения двухфазных логических элементов более чем в 10 раз по сравнению с традиционной КМОП логикой с проектными нормами 0,18 мкм, -для которой характерная величина критического заряда переключения не превышает 100.200 фКл.

2. Установлен эффект и дана оценка снижения сбоеустойчивости элементов двухфазной КМОП логики из-за влияния увеличения емкостной связи между дифференциальными частями двухфазных элементов, возникающей при топологическом разнесении дифференциальных частей с чувствительными областями. Произведена оценка длин шин металлизации дифференциальных линий связи со снижением критических значений зарядов и критических значений амплитуд импульсов воздействующего тока для КМОП элементов с проектной нормой 0,18 мкм. Величины суммарной ёмкости связи дифференциальных входов двухфазных элементов комбинационных и последовательностных типов не должны превышать значений 3.4 фФ. Величины критического заряда переключения двухфазных КМОП элементов при этом в 10. 15 раз превышают значения для "традиционных КМОП элементов с проектной нормой 0,18 мкм.

Практическая значимость диссертации

1. Методические рекомендации по проектированию топологии двухфазных элементов с пространственным разнесением чувствительных областей и взаимным включением в пространство между чувствительными областями топологии смежных элементов, которые внедрены в НИИ системных исследований РАН в рамках ОКР «Мангуст-БУ» при разработке топологии КМОП двухфазных инверторов и элементов И-НЕ по нормам проектирования объёмный КМОП 0,18 мкм и КМОП КНИ 0,25 мкм.

2. Установлены коэффициенты затрат на площадь шин металлизации связи дифференциальных частей двухфазных КМОП логических элементов по проектным нормам 0,25 мкм, 0,18 мкм и 65 нм, обусловленные пространственным разнесением частей элементов для повышения их сбоеустойчивости к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц. Увеличение расстояния на 10 мкм между чувствительными областями дифференциальных частей двухфазных КМОП элементов для проектных норм 0,25.0,065 мкм приводит к увеличению затрат на площадь шин металлизации связи по отношению к площади двухфазного элемента в 0,6.2,8 раз.

3. Ряд базовых двухфазных КМОП логических элементов на основе разработанных топологических решений изготовлены в виде интегральных субмикронных тестовых структур кольцевых генераторов с проектными нормами 0,25 мкм по технологии КМОП КНИ. Экспериментальные исследования тестовых структур кольцевых генераторов двухфазных элементов подтвердили их работоспособность в диапазоне напряжений питания 2,5. 1,5 В. Тестовые структуры на двухфазных КМОП элементах с 4-транзисторными конверторами имеют в 1,8. 1,9 раз меньший ток потребления, чем тестовые структуры на двухфазных элементах с 2-транзисторными конверторами, что подтвердило рекомендации об использовании двухфазных элементов с 4-транзисторными конверторами в функциональных блоках СБИС с пониженным энергопотреблением.

Положения, выносимые на защиту

1. Схемотехнические решения комбинационных и последовательностных двухфазных КМОП элементов в части применения перекрёстных связей входов образующих их элементов, позволяющие повысить сбоеустойчивость логических элементов в 10. 15 раз по сравнению с традиционными КМОП логическими элементами по нормам проектирования 0,18 мкм.

2. Эффект снижения сбоеустойчивости элементов двухфазной КМОП логики из-за влияния емкостной связи между дифференциальными частями двухфазных элементов, возникающей при топологическом разнесении дифференциальных частей с чувствительными областями. Оценка допустимых длин шин связи в зависимости от сопутствующего снижения критических значений зарядов и критических значений амплитуд импульсов воздействующего тока для КМОП элементов с проектной нормой 0,18 мкм. Величины критического заряда переключения двухфазных КМОП элементов при этом в 10. 15 раз превышают значения для традиционных КМОП элементов с проектной нормой 0,18 мкм.

Апробация диссертации

Результаты работы доложены на всероссийских конференциях «Электроника, микро- и наноэлектроника» (2010 г.), «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010 (МЭС - 2010)», «Радиационная стойкость электронных систем — Стойкость - 2010», «Курчатовская молодёжная научная школа» (2010 г. — 2011 г.), «Научная сессия МИФИ» (2009 г. - 2011 г.).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах (в период с 2008 г. по 2011 г.), в том числе три в журналах из перечня ВАК. Пять работ опубликовано без соавторов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из списка условных обозначений, введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырёх приложений; содержит 183 страницы, в том числе 74 рисунка, 35 таблиц и список литературы из 127 наименований.

Заключение диссертация на тему "Двухфазные элементы субмикронных КМОП цифровых СБИС с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц"

Выводы

1. Установлен эффект снижения критических значений зарядов и амплитуд импульсов тока для двухфазных элементов, обусловленных емкостной связью их дифференциальных входов. Эта емкостная связь обусловлена двухпроводным'характером соединительных шин и ёмкостью парных элементов установки логического состояния триггеров. Установлена связь длин дифференциальных шин связей двухфазного элемента и коэффициента снижения его сбоеустойчивости до предельно допустимых величин. Установлено, что критические значения амплитуд воздействующих импульсов- тока, характеризующих сбоеустойчивость двухфазных КМОП инверторов и Б-триггеров по проектной норме 0,18 мкм существенно снижаются, если ёмкости связи между дифференциальными узлами превышает 3.4 фФ. Величина удельной ёмкости между шинами металлизации дифференциальных линий двухфазных элементов для. слоя металлизации 1.4 для норм проектирования 0,18 мкм составляет 0,058:.0,022 фФ/мкм. Максимальная допустимая протяжённость шин металлизации дифференциальных линий двухфазных элементов по нормам проектирования 0,18 мкм составляет 50.70 мкм. Допустимое снижение величины критического заряда переключения при этом составляет 1000. .3000 фКл, а максимальная амплитуда локального импульса тока 500. .1500 мкА.

2. Проектирование топологии двухфазных элементов на основе конверторов типа 2Т КМОП и 4Т КМОП с пространственным разнесением их парных чувствительных к воздействию отдельных ядерных частиц областей возможно на основе принципа масштабирования, для чего установлены коэффициенты пропорциональности для проектных норм КМОП 0,25 мкм, 0,18 мкм и 65 нм между величинами необходимой дополнительной площади металлизации межсоединений и расстояниями, на которые осуществляется разнесение зарядочувствительных парных узлов двухфазных элементов. Площадь двухфазных инверторов с пространственным разнесением и включением в пространство между чувствительными областями одной дифференциальной части смежного двухфазного элемента на основе конверторов 2Т КМОП составляет для норм

2 2 проектирования 0,25 мкм - 43,1 мкм , для норм проектирования 0,18 мкм - 26,2 мкм , для норм проектирования 65 нм - 4,8 мкм2. Площадь двухфазных инверторов на основе конверторов 4Т КМОП для норм проектирования 0,25.0,065 мкм имеет в 1,2.1,4 раза большую площадь, чем аналогичные двухфазные инверторы на основе конверторов типа

4Т КМОП. Увеличение расстояния на 10 мкм между чувствительными областями дифференциальных частей двухфазных КМОП элементов для проектных норм

0,25.0,065 мкм приводит к увеличению затрат на площадь шин металлизации связи по отношению к площади двухфазного элемента в 0,6. .2,8 раз.

3. Проектирование топологии двухфазных элементов 4ТКМОП' ДП с экранирующими транзисторами без разделения каналов дает возможность уменьшить площадь элементов на 10% с учётом снижения ширины каналов экранирующих транзисторов при сохранении значений времён переключения элементов, ставшего возможным из-за того, что экранирующие транзисторы в отличие от транзисторов логики в этих элементах коммутируют ток только одной из выходных шин.

4. С использованием предложенных рекомендаций по проектированию двухфазных элементов с разнесением чувствительных областей, разработаны и изготовлены базовые логические двухфазные элементы (инвертор и элемент И-НЕ) с 2-транзисторными и 4-транзисторными КМОП конверторами по технологиям КМОП КНИ 0,25 мкм и объёмный КМОП 0,18 мкм. Результаты исследований использованы в НИИ системных исследований РАН в рамках ОКР «Мангуст-БУ» при проектировании двухфазных логических элементов по проектной норме КМОП КНИ 0,25 мкм. На предприятии КБ "Корунд-М" изготовлены тестовые образцы субмикронных интегральных структур кольцевых генераторов по технологии КМОП КНИ 0,25 мкм. Топологические решения двухфазных элементов с 2-транзисторными и 4-транзисторными конверторами изготовлены в виде тестовых элементов и структур кольцевых генераторов, состоящих из 599 инверторов и 2-х элементов И-НЕ. По результатам экспериментальных исследований было установлено бессбойное функционирование тестовых структур в диапазоне напряжений питания 2,5. 1,5 В. Структуры на двухфазных элементах с конверторами 4Т КМОП потребляют в 1,8. 1,9 раз меньший ток, чем тестовые структуры.на двухфазных элементах 2Т КМОП, динамический ток потребления которых при напряжениях питания 2,5. 1,5 В составляет 870. 180 мкА, что подтвердило рекомендации об использовании двухфазных элементов с 4-транзисторными конверторами в блоках с пониженным энергопотреблением.

Заключение

Основные теоретические результаты диссертации:

1. Развита схемотехника двухфазных логических элементов комбинационного и последовательного типов в части применения перекрёстных связей входов образующих их элементов — конверторов. Такие решения двухфазных элементов дают возможность повысить величину критического заряда переключения двухфазных логических элементов более чем в 10 раз по сравнению с традиционной КМОП логикой с проектными нормами 0,18 мкм, для которой характерная величина критического заряда переключения' не превышает 100.200 фКл.

2. Установлен эффект и дана оценка снижения сбоеустойчивости элементов двухфазной КМОП логики из-за влияния увеличения емкостной связи между дифференциальными частями двухфазных элементов, возникающей при топологическом разнесении дифференциальных частей с чувствительными областями. Произведена оценка длин шин металлизации дифференциальных линий связи со снижением критических значений зарядов и критических значений амплитуд импульсов воздействующего тока для КМОП элементов с проектной нормой 0,18 мкм. Величины суммарной ёмкости связи дифференциальных входов двухфазных элементов, комбинационных и последовательностных типов не должны превышать значений 3.4 фФ. Величины критического заряда переключения двухфазных КМОП элементов при этом в 10. 15 раз превышают значения для традиционных КМОП элементов с проектной нормой 0,18 мкм.

3. Методические рекомендации* по проектированию топологии двухфазных КМОП элементов с пространственным разнесением чувствительных областей дифференциальных частей двухфазных КМОП элементов с минимальными дополнительными затратами по площади кристалла за счёт использования пространства между отдельными областями данных элементов частями смежных элементов структуры.

Основной практический результат диссертации заключается в разработке рекомендаций по проектированию базовых двухфазных субмикронных КМОП цифровых элементов по проектным нормам 0,25 мкм и 0,18 мкм с пространственным разнесением чувствительных областей дифференциальных частей. Данные рекомендации основаны на результатах исследований эффекта снижения сбоеустойчивости из-за влияния емкостной связи между

159 дифференциальными частями двухфазных элементов, а также минимизации дополнительных затрат на площадь металлизации дифференциальных линий за счёт взаимного включения в пространство между дифференциальными частями двухфазных элементов частей смежных элементов.

Частные практические результаты диссертации и их внедрение:

1. Установлены оценочные коэффициенты затрат на площадь шин металлизации связи дифференциальных частей двухфазных КМОП логических элементов по проектным нормам 0,25 мкм, 0,18 мкм и 65 нм, обусловленные пространственным разнесением частей элементов. Увеличение расстояния на 10 мкм между чувствительными областями дифференциальных частей двухфазных КМОП элементов для проектных норм 0,25.0,065 мкм приводит к увеличению затрат на площадь шин металлизации связи по отношению к площади двухфазного элемента в 0,6. .2,8"раз.

2. Результаты исследований' использованы в-НИИ системных исследований РАН в рамках ОКР «Мангуст-БУ» при проектировании- двухфазных логических КМОП элементов по проектным нормам КМОП 0,18 мкм и КМОП КНИ 0,25 мкм. На предприятии КБ "Корунд-М" изготовлены тестовые образцы субмикронных интегральных структур кольцевых генераторов с проектной нормой 0,25 мкм по технологии КМОП КНИ. Экспериментальные исследования электрических характеристик тестовых структур двухфазных КМОП логических элементов и кольцевых генераторов подтвердили их работоспособность и соответствие результатам моделирования в диапазоне напряжений питания 2,5. 1,5 В. Тестовые структуры на двухфазных КМОП элементах с 4-транзисторными конверторами имеют в 1,8. 1,9 раз меньший ток потребления, чем тестовые структуры на двухфазных элементах с 2-транзисторными конверторами, что подтвердило рекомендации об использовании двухфазных элементов с 4-транзисторными конверторами в функциональных блоках СБИС с пониженным энергопотреблением.

3. На основе полученных в'диссертации базовых результатов в НИИСИ РАН начаты разработки элементной базы двухфазной КМОП логики по норме 65 нм для высоконадежных цифровых и микропроцессорных КМОП СБИС.

Библиография Ольчев, Сергей Иванович, диссертация по теме Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

1. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты в КМОП интегральных схемах. М.: Радио и связь, 1994. - 180 с.

2. Согоян A.B., Никифоров А.Ю., Чумаков А.И. Подход к прогнозированию радиационной деградации параметров КМОП ИС с учетом сроков и условий эксплуатации // Микроэлектроника. 1999.- Т.28, №4. С. 263 - 275.

3. Никифоров-А.Ю., Согоян A.B. Моделирование дозовых эффектов в паразитных МОП-структурах КМОП БИС при воздействии высокоинтенсивного импульсного ионизирующего излучения // Микроэлектроника. 2004. -Т. 33.- №"2. - С.108 — 121.

4. Оценки параметров чувствительности ИС к тиристорному эффекту при воздействии отдельных ядерных частиц / Чумаков А.И. и др. // Микроэлектроника. 2008,- Т. 37. - № 1. - С. 45-51.

5. Калашников O.A., Чумаков А.И. Особенности проявления одиночных сбоев в БИС микропроцессоров при воздействии тяжелых заряженных частиц // Микроэлектроника. Т. 24. - № 3. - 1995. - С. 216 - 219.'

6. Яненко A.B., Калашников1 O.A., Чумаков А.И. Исследование эффекта одиночных сбоев в БИС ОЗУ при облучении протонами 1 ГэВ // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов.- М.: МИФИ, 2000. С.203 - 208.

7. Чумаков А.И., Яненко A.B., Артамонов A.C. и др. Экспериментальные исследованиях сбоев в ИС при воздействии протонов // , Радиационная стойкость > электронных систем. М.: МИФИ, 2000. - Вып. 3.- С. 101,102.

8. Телец В., Цыбин С., Быстрицкий А., Подъяпольский С. ПЛИС для космических применений: архитектура и схемотехнические особенности // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2005. - № 6. - С. 44 - 48.

9. Ладыгин Е.А. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники. -М.: Советское Радио, 1980. 224 с.

10. Агаханян Т.М., Аствацатурьян Е.Р., Скоробогатов П.К. Радиационные эффекты в интегральных микросхемах. М.: Энергоатомиздат, 1989.- 256 с.

11. И. Аствацатурьян Е.Р., Скоробогатов П.К., Раткин A.B., Чумаков А.И. Переходные ионизационные эффекты в цифровых интегральных микросхемах // Зарубежная электронная техника. 1983. - №9. - С.36 - 72.

12. Першенков B.C., Попов В.Д., Шальнов Г.М. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем. М.: Энергоатомиздат, 1988.- 256 с.

13. Velazco R., Fouillât P. Reis. R. Radiation Effects on Embedded Systems // Springer US. -2007.-P. 75-79

14. Kastensmidt F., Carro L., Reis. R. Fault-Tolerance Techniques for SRAM-based FPGAs // Springer US. 2007. - P. 9 -13

15. Ma T.P., Dressendorfer P.V. Ionizing Radiation Effects in MOS Devices and-Circuits. -N.Y.:Wiley-Interscience, 1983.-P. 608:

16. Petersen E.D. Single Event analysis and prediction. IEEE Nuclear and space rad. effects conference. Snowmass, 1997.

17. Сверхбольшие интегральные микросхемы оперативных запоминающих устройств/ Баринов В.В., Березин A.C., Вернер В.Д., Герасимов Ю.М. и др. М.: Радио и связь, 1991.-272с.

18. Герасимов Ю.М., Кармазинский А.Н., Юрков С.Н. Особенности расчета пятитранзисторной ячейки памяти на дополняющих МДП-транзисторах // Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. Сб. статей. Вып.1 М.: Советское радио, 1976. - С. 98 - 108.

19. Черкасов И.Г. Субмикронные статические КМОП оперативные запоминающие устройства с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц: автореферат диссертации канд. техн. наук. — M : МИФИ, 2010. 26 с.

20. Бобков С.Г. Влияние тепловых режимов на работоспособность микросхем // Информационно-измерительные и управляющие системы. Радиотехника.- 2008.-№12,- С.115- 117.

21. Бобков С.Г. Евлампиев Б.Е., Сидоров А.Ю. Блок самотестирования внутренней памяти // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем. Сб. научн. трудов. М.: ИППМ РАН, 2005. - С. 222 - 228.

22. Бобков С.Г. Проблемы создания быстродействующих системных контроллеров промышленного применения // Мехатроника, Автоматизация, Управление. М.: Новые технологии. - 2009. - №1. - С.63 - 68.

23. Redant S., Marek R., Baguena L. The design against radiation effects (DARE) library // RADECS2004 Workshop. 2004.

24. Campbell, M. Anelli, G. Bums, M. et al. A pixel readout chip for 10-30 MRad in standard 0.25 pm CMOS // IEEE Trans. Nucl. Sei. 1999. - Vol.NS-46. - PP.156 - 160.

25. Петросянц К.О., Харитонов И.А., Самбурский JI.M. Модель КНС МОП -транзистора, учитывающая воздействие, радиации // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научных трудов. М.: МИФИ, 2004. - С.267-272.

26. Мирошкин В.В., Тверской М.Г. Прогнозирование вероятности инверсий в устройствах памяти, облучаемых пучками ускоренных частиц // СПб.: ПИЯФ, 1993. Препринт №1915. - 30 с.

27. Чумаков А.И. Оценка заряда, собранного с трека отдельной ядерной частицы за счет дрейфовых процессов // Микроэлектроника. -1991. Т.20. - №4. - С.402 - 406.

28. Чумаков А.И., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б., Яненко A.B. Возможности использования локального лазерного излучения для моделирования эффектов от воздействия отдельных ядерных частиц»в ИС // Микроэлектроника. 2004. - Т.ЗЗ. -№2.-С. 128-133.

29. Чумаков А.И. Однопараметрическая модель для оценки чувствительности ИС к эффектам одиночных сбоев при воздействии высокоэнергетичных протонов // Микроэлектроника. 2004. - Т. 33. - № 2. - С. 121 - 127.

30. Расчетно-экспериментальная оценка чувствительности интегральных схем к одиночным сбоям / Калашников O.A., Чумаков А.И., Яненко A.B. и др. // Вопросы атомной науки и техники. 1995. - Вып. 1-2. - С. 45 - 51.

31. Baze P.M. // United States Patent №6278287 В1. August 21. 2001.

32. Eaton H.A. Single event upset immune logic family // United States Patent №6756809 B2, Jun. 29, 2004.

33. Knowles K.R. Logic architecture for single event upset immunity// United States Patent №6614257 B2, Sep. 2, 2003.

34. Canaris J., Whitaker S. Circuit techniques for the radiation environment of space // IEEE 1995 Custom Int. Circuits Conference. 1995. P.5.4.1 5.4.4.164

35. Liu M.N., Whitaker S. Low power SEU immune CMOS memory circuits // IEEE Trans, on Nuclear Science. 1992. Vol. NS-39. PP.1679.

36. Canaris J., Whitaker S. Circuit techniques for the radiation environment of space // IEEE 1995 Custom Int. Circuits Conference. 1995. P.5.4.1 5.4.4.

37. Wang F., Xie Y. Soft Error Rate Analysis for Combinational Logic Using an Accurate Electrical Masking Model // IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing. -Feb. 2011.-Vol. 8. № 1.—P. 137.

38. Heijmen Т., Nieuwland A. Soft-Error Rate Testing of Deep-Submicron Integrated Circuits // Eleventh IEEE European Test Symposium, 2006. ETS '06. 21-24 May 2006. - P: 247. "

39. Dhillon Y.S., Diril A.U., Chatterjee A. Soft-error tolerance analysis and optimization of nanometer circuits // Proceedings. Design, Automation and Test in Europe 2005. 7 - 11 March 2005, - P. 288.

40. Zhang M., Shanbhag N.R. A Soft Error Rate Analysis (SERA) Methodology // IEEE/ACM International Conference on Computer Aided Design, 2004. ICCAD-2004. 7 - 11 Nov. 2004.-P. 111.

41. Zhang M., Shanbhag N.R. Soft-Error-Rate-Analysis (SERA) Methodology // IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. — 2004. -Vol. 25.-№ 10.-P. 2140-2155.

42. Modeling the Effect of Technology Trends on the Soft Error Rate of Combinational Logic / Shivakumar P, Kistler M., Keckler S.W., Burger D. et al. // Proceedings. International Conference on Dependable Systems and Networks, 2002. 2002. - P. 389 - 398.

43. Kastensmidt F., Carro L., Reis R. Fault-Tolerance Techniques for SRAM-based FPGAs // Springer US. 2007. - Vol. 93. - P. 9 - 21.

44. Samudrala PK., Ramos J., Katkoori S. Selective triple Modular redundancy (STMR) based single-event upset (SEU) tolerant synthesis for FPGAs // IEEE Nuclear and Plasma Sciences Society. Oct. 2004. - Vol. 51. № 5. - P. 2957 - 2969

45. Bolchini C., Miele A., Santambrogio M.D. TMR" and Partial Dynamic Reconfiguration to mitigate SEU faults in FPGAs // IEEE 22nd International SymPosium on Defect and Fault-Tolerance in VLSI Systems, 2007. P. 87.

46. ImProving FPGA Design Robustness with Partial TMR / Pratt B., Caffrey M., Graham P, Morgan K., et al. // IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings44th Annual, March 2006. P. 226.

47. A Fault Injection Analysis of Virtex FPGA TMR Design Methodology / Lima F., Carmichael C., Fabula J., Padovani R., Reis R. // 6th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems, Sept. 2001. — P. 275.

48. Obermaisser R., Kraut H., Salloum C. Transient-Resilient System-on-a-Chip Architecture with SuPort for On-ChiP and Off-ChiP TMR // Seventh European Dependable ComPuting Conference EDCC 2008., 7-9 May 2008. P. 123 134.

49. Nicolaidis M. Time redundancy based soft-error tolerance to rescue nanometer technologies, Proc. VTS, 1999; P.186 94.

50. Elakkumanan P, Prasad K., Sridhar R. Time redundancy based scan flip-flop reuse to reduce SER of combinational logic // 7th International Symposium on Quality Electronic Design, 2006. ISQED '06. 27-29 March 2006. P. 634.

51. Kaijie W. and Ramesh K. Fault Secure DataPath Synthesis Using Hybrid Time and Hardware Redundancy // IEEE Transaction On Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. October 2004. - Vol. 23. - №. 10, P. 1476 - 1484.

52. Naseer R., Draper J. DF-DICE: A Scalable Solution for Soft Error Tolerant Circuit Design// IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2006. ISCAS 2006, Sept. 2006. P. 4.

53. A new family of semidynamic and dynamic flip-flops with embedded logic for highPerformance Processors / Klass F. and et al // IEEE J. Solid-state Circuits. 1999. - Vol. 34.-№5.-P. 712-716.

54. Mitigating single event upsets from combinational logic / Hass K.J., Gambles J.W., Walker B., Zampaglione M. // 7th NASA Symposium on VLSI Design 1998. P. 4.4.1 -4.4.10.166

55. Skewed CMOS: noise-tolerant high-Performance low-Power static circuit family / Solomatnikov A. and et al // IEEE Trans. VLSI Systems. 2002. - Vol.10. - № 4. - P. 469476.

56. Zhou Q. and Mohanram K. Gate Sizing to Radiation Harden Combinational Logic // IEEE Transactions on Computer-Aided Design ofIntegrated. Circuits and Systems. Jan. 2006. -Vol. 25.-№ l.-P. 155.

57. Bhattacharya K., Ranganathan N. Reliability-centric gate sizing with simultaneous optimization of soft error rate, delay and power// ACM/IEEE International Symposium on Low power Electronics and Design (ISLPED), 2008. 11-13 Aug. 2008. - P. 88. '

58. Output remapping technique for critical paths, soft-error rate reduction / Ding Q:, Wang Y., Wang H., Luo R. et al. // IET Computers & Digital Techniques. July 2010. - Vol; 4. - № 4.-P. 325-333.

59. Краснюк A.A., Лавринов Г.А., Ольчев С.И. Топологическая оптимизация по помехоустойчивости триггерных субмикронных ячеек памяти // Электроника; микро- и наноэлектроника. Сб. научн: трудов: М;: МИФИ- 2007. - С.64 - 69;

60. Ольчев С.И; Оптимизация по быстродействию выходных буферов блоков статических ОЗУ, работающих на емкостную.нагрузку // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов: М.: МИФИ, 2008: - С.52 - 56.

61. Ольчев С.И. Повьппение сбоеустойчивости субмикронных КМОП конверторных элементов двухпортовой комбинационной логики // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. М.: МИФИ, 2009: - С.97 - 102.

62. Ольчев С.И., Черкасов И.Г. Повышение сбоеустойчивости комбинационной;логики: КМОП СБИС к воздействию отдельных ядерных частиц//Научная сессия МИФИ-2009; Сб. научн. трудов.- М.: МИФИ, 2009: Т.2.- С.123 - 126.

63. Ольчев С.И. Сбоеустойчивость и помехозащищённость элементов двухпортовой логики различных архитектур // «VII Курчатовская молодёжная научная школа». Сб. аннотаций работ. М.: РНЦ «Курчатовский институт», 2009: - С.141.

64. Ольчев С.И. Схемотехнические методы повышения стойкости субмикронных КМОП СБИС к воздействию атмосферных нейтронов // Научная сессия МИФИ-2010. «Молодёжь и наука». Тезисы докладов. М.: МИФИ, 2010. - С. 81 - 82.

65. Иванов В:И, Лысцов В.Н. Основы микродозиметрии: — М;: Атомиздат, 1979. — 192 с.

66. SEU-sensitive volumes in; bulk and SOI SRAMs from first-principles calculations and experiments / Dodd P.E., Shaneyfelt A.R., Horn K.M., Walsh D.S. // IEEE Transactions on Nuclear Science: Vol; 48. - № 6: — Dec. 2001. — P: 1893-— 1903;

67. Total Ionizing Dose and Single Event Effects Hardness Assurance, Qualification Issues for Microelectronics / Shaneyfelt M.R., Schwank J.R.,. Dodd P.E., Felix J.A. // IEEE Transactions on Nuclear Science. Vol. 55. - № 4. - Aug. 2008 . - P. 1926 - 1946

68. Current? and Future Challenges in Radiation Effects on CMOS Electronics / Dodd P.E., Shaneyfelt:M1RC, Schwank J;R., Felix IIA. // IEEE Transactions on Nuclear Science: Vol. 55. - № 4. - Aug. 2010. - P. 1747 - 1763

69. Total* dose effects on ATLAS-SCT front-end electronics / Ullan M., Dorfan D., Dubbs Т., Grillo A.A. // 6th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and5 Systems, 2001.- 10-14 Sept. 2001. P: 351 356

70. Pikel C. Single event effects rate prediction // IEEE Trans. On Nucl. Sei. 1996. V. 43. № 2. P.483 -495.

71. Messenger G.C., Ash M.S. Single Event Phenomena. -N.Y.: ChaPman& Hall, 1997. P. 368

72. Saxena P.K., Bhat N. SEU reliabihty improvement due to source-side charge collection in the deep-submicron SRAM cell // IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. -Vol. 3, -№ 1. Mar. 2003. P. 14 -17

73. Musseau O. Charge collection and SEU mechanisms // International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. Part C. Radiation Physics and Chemistry. Vol. 43. -№1-2. Ian.-Feb. 1994. - P. 151-163.

74. Edmonds L.D. Proton SEU cross sections derived from heavy-ion test data // IEEE Transaction on Nuclear Science. Vol. 47. - № 5. - Oct. 2000. P. 1713 - 1719

75. Jahinuzzaman S.M., Sharifkhani M., Sachdev M. An Analytical Model for Soft Error Critical Charge of Nanometric SRAMs // IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. Vol. 17. - № 9. - Sept. 2009. P. 1187 -1195

76. Accurate Linear Model for SET Critical Charge Estimation / Rossi D., Cazeaux J.M., Omana M., Metra C. // IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. Vol. 17. - № 8. - Sept. 2009. P. 1161 - 1166.

77. Critical Charge Characterization for Soft Error Rate Modeling in 90nm SRAM / Naseer R., Boulghassoul Y., Draper J., DasGupta S., et al. // IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2007. ISCAS 2007. 27-30 May 2007. - P. 1879 - 1882.

78. CRÈME: A Revision of the Cosmic Ray Effects on Micro-Electronics Code / Tylka A. J., Adams J.H., Boberg P.R., Brownstein B., et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. -Vol. 44. № 6. - Dec. 1997. - P. 2150 - 2161

79. Monte-Carlo simulation of gamma-cameras using GEANT / Berthor J., Breton V., Brette P., Crespin S. // Nuclear Science Symposium Conference Record, 2000 IEEE. — Vol. 3. № 20. - 15-20 Oct. 2000. - P: 110 - 113.

80. Page C., Guirguis M. On the Safety and Security of Path Splicing: A Case Study for Path Splicing on the GEANT Network // IEEE Global Telecommunications Conference, 2009. GLOBECOM 2009. 30 Nov. 2009 - 4. Dec. 2009. P. 1 - 6.

81. Skutnik S.E., Lajoie J.G. A GEANT-based model for single event upsets in SRAM FPGAs for use in on-detector electronics // IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, 2005. 23-29 Oct. 2005. - P. 1117 - 1121.

82. GEANT simulation of the gamma nuclear gauge / Ouardi A., Benchekroun D., Hoummada A., Alami R. // IEEE Transactions on Nuclear Science. Vol. 50. - № 4. -Aug. 2003.-P. 1257-1270.

83. Klier A., Hanson G.G. Geant Simulation of Six-Dimensional Cooling of Muon Beams in Ring Coolers // Proceedings of the Particle Accelerator Conference, 2005. РАС 2005. 1620 May 2005. - P. 2580 - 2582.

84. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М.: Радио и связь, 2004.-159 с.

85. Single-Event Upset Analysis and Protection in High Speed Circuits / Hosseinabady M., Lotfi-Kamran P., Di Natale G., Di Carlo- S., et al. // Eleventh IEEE European Test Symposium, 2006. ETS *06. 21-24 May 2006. - P. 29 - 34.

86. Mohanram K. Simulation of transients caused by single-event upsets in combinational logic // IEEE International Test Conference, 2005. Proceedings. ITC 2005. 8-8 Nov. 2005. - P.9.

87. Zhao C., Dey S. Evaluating and Improving Transient Error Tolerance of CMOS Digital VLSI Circuits // IEEE International Test Conference, 2006. ITC '06. Oct. 2006. - P. 1 - 10.

88. Blum D.R., Delgado-Frias J.G. Delay and Energy Analysis of SEU and SET-Tolerant Pipeline Latches and Flip-Flops // IEEE Transactions on Nuclear Science. Vol. 53. - № 3. -June 2009.*-P. 1618-1628.

89. Wirth G.I., Vieira M.G. and Lima Kastensmidt F.G. Accurate and computer efficient modelling of single event transients in CMOS circuits // IET Circuits Devices Syst. Vol. 1.- № 2. April 2007. P. 137 - 142.

90. Messenger G.C. Collection of charge on junction nodes from ion tracks // IEEE Transaction Nuclear Science. Vol. 53. - № 3. - Dec. 1982. - P. 2024 - 2031.

91. Стенин В .Я. Моделирование воздействия отдельных ядерных частиц на КМОП цифровые схемы по параметрам импульсов воздействующего тока // Известия вузов. Электроника. № 3(89). - 2011. - С. - 50 - 57.

92. Ольчев С.И., Стенин В.Я. Анализ сбоеустойчивости КМОП триггерных элементов с двухфазной структурой // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. М.: МИФИ, 2010. - С.29 - 38.

93. Ольчев С.И. Тестовые кольцевые генераторы на однофазных и двухфазных логических элементах // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов.- М.: МИФИ, 2010. С.51 - 56.

94. Ольчев С.И. Сбоеустойчивые двухфазные КМОП логические элементы с пониженным энергопотреблением // «VIII Курчатовская молодёжная научная школа». Сб. аннотаций работ (дополнение). — М.: РНЦ «Курчатовский институт», 2010.-C.il.

95. Ольчев С.И., Стенин В.Я. Сбоеустойчивые КМОП логические элементы с двухфазным управлением // Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем Стойкость-2010». - Вып. 13. - С. 236 - 238.

96. Ольчев С.И., Стенин В.Я. Двухфазные КМОП логические элементы с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц // Микроэлектроника. -2011.-Т. 40. № 3. - С. 172- 187.

97. Ol'chev S. I. and Stenin V. Ya. CMOS Logic Elements with Increased Failure Resistance to Single Event Upsets // Russian Microelectronics, 2011 Vol. 40. - No. 3. - P. 170 -183.

98. Стенин В.Я., Краснюк A.A., Черкасов И.Г. Субмикронные КМОП ОЗУ для исследований ячеек памяти с повышенной сбоеустойчивостью // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов.- М.: МИФИ; 2007. С.49 - 58.

99. Стенин В.Я., Черкасов И.Г. Анализ характеристик элементов субмикронных статических КМОП ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. — М.: МИФИ, 2009. С. 16 - 31.

100. Стенин В. Я., Черкасов И. Г. Особенности проектирования субмикронных КМОП статических ОЗУ с повышенной сбоеустойчивостью к воздействию высокоэнергетических частиц // Микроэлектроника. 2010. - Т.39. - № 2. - С. 91 -101.

101. Ольчев С.И., Стенин В.Я. Моделирование характеристик субмикронных двухфазных КМОП логических элементов при воздействии отдельных ядерных частиц // Ядерная физика и инжиниринг. 2011. - Т.2. - №3.

102. Ольчев С.И. Тестовые кольцевые генераторы на однофазных и двухфазных логических элементах // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. -М.: МИФИ, 2010.-С.51 -56.

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00