автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Специализированные оперативные зипоминающие устройства бортовых цифровых вычислительных машин с повышенной радиационной стойкостью

^ На правах рукописи

Си

ЙЭ «О .

-

БАРБАШОВ Вячеслав Михайлович

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ' ОПЕРАТИВНЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА БОРТОВЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН С ПОВЫШЕННОЙ РАДИАЦИОННОЙ.СТОЙКОСТЬЮ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и

систем управления 05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Автор:

Москва - 1599 г.

- г -

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент П.К.Скоробогатов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, член СПП РАН П.П.Мальцев

кандидат технических наук, с.н. с. В.В.Хаустов

Ведущая организация:

АО "НИИМЭ и завод Микрон"

Защита состоится " 19 " октября 1998г. в 16 час 00 мин в ауд. 202 на заседании диссертационного совета К053.03.03 МИФИ по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, д. 31, тел. 323-91-67. 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ. Автореферат разослан " 17 " сентября 1998 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент Ошщ-е^со В.М.Онищенко

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Разработка современных специализированных бортовых цифровых вычислительных машин (СБЦЕМ) с высокими техническими характеристиками невозможна без использования больших интегральных схем запоминающих устройств (БИС ЗУ). Сложность современных БИС ЗУ и разнообразие проявления радиационных эффектов в них затрудняют адекватный анализ радиационного поведения аппаратуры на их основе. Использование традиционного подхода, заключающегося з выделении уровней описания объекта и моделировании его поведения на каждом из этих уровней, сталкивается с рядом проблем. Основными из них являются: сложность реальных ИС. многообразие физических эффектов, вызывающих неоднозначную и нестабильную работу, а также наличие зависимости стойкости устройств от условий функционирования. Все это приводит как к параметрическим, так и к функциональным отказам, для анализа которых предпочтительно совместное использование моделей всех уровней иерархии модельного описания: физический, электрический и функционально-логический. Анализ и моделирование радиационного поведения БИС и СБИС на электрическом уровне описания дает детальное описание поведения объекта, однако он не эффективен вследствие ограниченных возможностей электрических моделей и больших размерностей решаемых задач. При переходе на функционально-логический уровень моделирования имеет место существенное сокращение сложности задачи и объема вычислений.

Модели функционально-логического уровня для описания воздействия дестабилизирующих факторов, изложенные в ряде работ, ориентированы, во-первых, на использовании при многоуровневом иерархическом моделировании замкнутых моделей функционально-логического уровня относительно электрического, что не позволяет отразить в них в явном виде зависимость радиационно-чувствитель-ных параметров, устройства от уровня и характера воздействия. Во-вторых, использованы предположения о пороговом и недетерминированном характере отказов/ в то время как. радиационные стклзи БИС, являются детерминированными и не носят пороговый, монотонный характер отказа. Такие отказы являются следстзием непрерывных физических процессов з материалах ИС при облучении, Поэтому

более эффективным является подход, основанный на расширении возможностей функционально-логического моделирования радиационного поведения БИС, основанного на модели нечеткого цифрового автомата Брауэра, который создает основу для формализации задания ме-журовневых связей функционально-логического и электрического уровней при решении задачи моделирования радиационного поведения БИС.

Таким образом возникает необходимость создания на этой основе расчетно-экспериментальных методов и средств моделирования радиационного поведения БИС и устройств на функционально-логическом уровне их описания и разработки методов повышения стойкости ИС, работающих в условиях возникновения остаточных и переходных радиационных эффектов, что является актуальной задачей и составляет основу диссертации.

Цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка специализированных ОЗУ БЦВМ с повышенной радиационной стойкостью (РС) на основе расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения БИС на функционально-логическом уровне с учетом особенностей применения их в СБЦВМ. а также методов и технических средств для исследования влияния стойкости БИС и устройств при воздействии стационарного и импульсного излучений.

Научная новизна и значимость работы.

Разработаны методы расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения ИС и БИС ЗУ на функционально-логическом уровне их описания . учитывающие особенности конструктивно-технологического исполнения ИС, схемно-технического, '-структурного решений и режимов работы при воздействии стационарного и импульсного излучений, позволившие разработать процедуру и провести оценку РС различных БИС ЗУ.

Разработаны методы построения функционально-логических моделей радиационного поведения ИС на основе метода критериальных функций принадлежности (КФП). дающего возможность формализовать задания межуровневых связей (функционально-логического и электрического).- что позволяет учесть особенности радиационного поведения электрических характеристик элементов ИС на фуккциональ-

но-логическом уровне.

Разработаны функционально-логические модели логических элементов (ЛЭ) и устройств цифровых ЗУ различных типов и предложена методика их применения для анализа радиационного поведения пос-ледовательностных и комбинационных схем с учетом условий функционирования, " облучения и типа базового критериального параметра электрического уровня моделирования, что привело к повышению достоверности описания радиационного поведения.

Разработаны алгоритмы расчета статических КФП, КФП "отжига" ЛЭ ИС при стационарном облучении, импульсных КФП и алгоритм расчета КФП. отражающие динамические процессы в асинхронных автоматах, с памятью при стационарном облучении, и существенно расширяющие" сферу применения.данных методов и позволяющие использовать их в соответствии с типом излучения и выбранными критериальными параметрами для определения уровня стойкости БИС.

Предложены обобщенные характеристики работоспособности БИС по критерию радиационной стойкости, . отражающие характер нарушения работоспособности при облучении и относительный вклад в нее отдельных элементов, что дает возможность на этапе проектирования внести коррекцию в схемно-технические, структурные решения и сократить время проектирования ИС.

Предложена методика использования технологических и аппа-ратно-алгоритмических методов обеспечения РС СБЦВМ в условиях массовых сбоев, которая позволила применить их при разработке ЗУ СБЦВМ с повышенной РС.

Разработаны методические основы расчетно-экспериментального моделирования' для проведения испытаний БИС на стойкость к воздействию стационарного и импульсного излучений, позволившие существенно повысить достоверность проведения экспериментов, снизить погрешности и на этой основе в несколько раз сократить объем и продолжительность испытаний на МУ и имитаторах. Полученные расчетным путем критические и доминирующие параметры ИС дали возможность целенаправленно разрабатывать методики испытаний, которые позволили- рекомендовать данные методы в качестве необходимого этапа при проведении испытаний БИС на стойкость к остаточным и переходным эффектам.

Практическая значимость работы.

Разработаны методы расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения БИС и устройств на функционально-логическом уровне их описания. На их основе разработаны структурные и схемно-технические методы, которые позволили улучшить радиационную стойкость БИС ППЗУ 556РТ7 (16К) к ИИ до группы 2У, БИС ППЗУ' 1622РТ5 (4К) к ИИ до группы ЗУ. масочных БИС ПЗУ 1656РЕ4 (64К) к ИИ до группы ЗУ и повысить устойчивость к воздействию высокоинтенсивного ИИ до уровня безотказной работы, соответствующей требованиям ТУ в КМДП/КНС БИС ОЗУ 1604РУ1/2, 1620РУ1/2.

Разработан блок функционального контроля (БФК) технических средств для проведения испытаний на моделирующих установках (МУ) и имитаторах, рассчитанный на возможность проведения испытаний широкого класса современных БИС. в том числе БИС ОЗУ, ППЗУ. ПЗУ. РПЗУ.

Разработаны методики прогнозирования радиационного поведения БИС ЗУ различных классов на основе, табличного и схемно-логи-ческого методов расчета и метода выделения информационных цепей.

Разработаны и апробированы методики проведения испытаний цифровых ИС, в том числе БИС ЗУ на моделирующих установках и имитаторах.

Предложена методика совместного использования технологических и аппаратно-алгоритмических методов и показана ее эффективность обеспечения РС СБЦВМ в условиях массовых сбоев. Для реализации этих методов разработано магнитно-транзисторное специализированное ОЗУ емкостью 4К (256x16) для СБЦВМ "Заря-ЗМ".

Проведена серия испытаний на МУ и имитаторах: КМДП. КМДП/КНС. п-МОП. ТТЛ. ТТЛШ. ИгЛ БИС ОЗУ. ППЗУ. ПЗУ. подтвердивших достоверность,разработанных моделей и методик с. точностью, определяемой адекватностью параметров моделей электрического уровня и погрешностью дозиметрии.

Результаты работы использованы на практике при разработке и обеспечении стойкости к стационарному и импульсному ИИ КМДП БИС ОЗУ. и ПЗУ серий 1617, 1619. 1526. 1537 на предприятии "Ангстрем"; ГШ] БИС ППЗУ и ПЗУ серий 556, 1622, 1656 на предприятии "НИИМЭ и завод "Микрон": ВДП/КНС БИС ОЗУ серий 1604, 1620 на

предприятии АО "НПП Сапфир"; СБЦВМ "Заря-ЗМ" на предприятии НИИП.

Результаты диссертационной работы вошли в межотраслевое методическое руководство (Инв. N0 12/186) и отчетные материалы по НИР "Цефей-2-3", "Цефей-2-15". "Спин". "Электрон". "Лира-15", "Лира-23", "Заряд-МИФИ". "Импульс". "Перенос-З", "Юпитер-1". "Редан-МИФИ" и ряд других работ.

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях "Ангстрем", "НИИМЭ и завод "Микрон", АО "НПП Сапфир", НИИП, ЭНПО "Специализированные электронные системы" и др.

Результаты, выносимые на защиту.

1. Методы и методики расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения ИС и БИС ЗУ на функционально-логическом уровне их описания, учитывающие особенности конструктивно-технологического исполнения ИС, . схемно-технического и структурного решения и режимов работы при воздействии стационарного и импульсного излучения.

2. Функционально-логические модели и результаты моделирования радиационного поведения ИС и БИС ЗУ различных типов при описании остаточных и переходных радиационных эффектов.

3. Система параметров для оценки качества функционирования работоспособности ИС от условия и вида облучений, а также методики расчета КФП, где КФП определяется раздельно для каждого вида излучения и ориентируется на характер физических процессов.

4.. Методические основы-проведения экспериментальных исследований ИС и БИС ЗУ при радиационном воздействии на моделирующих и имитационных установках и разработанные аппаратные средства для их проведения.

5. Методика применения технологических и аппаратно-алгорит-мического методов повышения радиационной стойкости СБЦВМ при воздействии импульсного «ионизирующего излучения (ИИ), которая основана на учете полученных зависимостей радиационной чувствительности устройства с помощью расчетно-экспериментальных методов функционально-логического моделирования радиационного поведения элементной базы для определения параметрических и функциональных запасов устройства с целью повышения эффективности использования метода и ее реализации в виде ЕЕеления в СБЦВМ раг-

работанного магнитно-транзисторного специализированного ОЗУ.

6. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие обоснованность применения предложенных моделей и методов на широком классе ЗУ.

Апробация и публикации.

Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на I межотраслевом совещании "Создание ППП и ИС устойчивых к воздействию внешних факторов для особо надежной нерезервируе-мой РЭА", г. Винница, 1982 г.: на I Всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах ИС", г. Гурзуф, 1983 г.; на II межотраслевом совещании "Проблемы создания ППП и ИС, устойчивых к воздействию внешних факторов для особо надежной РЭА", г. Душанбе. 1984 г.; на "XII совещании по координации НИР на ИЯР". г. Алма-Ата. 1982 г. на XXX научной конференции МИФИ "Физическая электроника, электронные приборы и установки, и электрофизические установки и ускорители",' г. Москва, 1983 г.: на XXXI научной конференции МИФИ "Физическая электроника, электронные приборы и установки, и электрофизические установки и ускорители". г. Москва. 1985 г.; на II Всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальные исследования электрической релаксации в элементах ИМС", г. Одесса, 1986 г.; на Совещании-семинаре "Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ, элементов и материалов к воздействию ИИ ЯВ". г. Москва, 1986 г.; на XXXII научной конференции МИФИ "Радиационная электроника и микроэлектроника". г. Москва. 1987 г.; на "XV Всесоюзном совещании по использованию ИЯР". г. Обнинск, 1988 г.; на III межотраслевом совещании-семинаре "Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ, элементов и материалов к воздействию ИИ ЯВ" г. Баку, 1987 г.; на V межотраслевом совещании "Создание ППП и ИС устойчивых к воздействию внешних факторов", г. Москва (НПО "Взлет"), 1988 г.; на IV межотраслевом совещании-семинаре "Проблемы создания полупроводниковых приборов и ИС, стойких к воздействию внешних факторов (ВВФ)" г. Винница. 1998 г.. на VII Международной конференции по микроэлектронике "Микроэлектрони-ка-90", г. • Минск, 1990 г.; на V Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы радиационной и электромагнитной стойкости

радиоэлектронной аппаратуры и электрорадиоизделий", г. Челя-бинск-70, 1990 г.; на V межотраслевом совещании-семинаре "Проблемы создания полупроводниковых приборов. ИС и РЭА на их оснсве. стойких к ВВФ", г. Петрозаводск, 1991 г.; на VI межотраслевом семинаре "Радиационные процессы в электронике", г. Москва, 1994 г.; на Научной сессии "МКФИ-98" ч.5 "Электроника", г. Москва, 1998 г.; на Российской научной конференции "Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость - 98", г. Лыткарино, 1998г.

Всего по теме диссертации опубликовано 46 печатных работ.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 22 печатных трудах, а также вошли в отчетные материалы по НИР 80-3-140, 85-3-249. 85-3-140, "Лира-15", 88-3-374, 90-3-376. (МИФИ), "Кашира", "Перенос", "Юпитер-1" (ЭНПО СПЭЛС) и другие.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 365 стр. печатного текста (включая приложения), в том числе 43 таблицы. 163 рисунка и библиографию, включающую 99 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Расширение разработок новых сложных систем вооружения и развития космических исследований обуславливают необходимость широкого применения БЦВМ специального назначения. При рассмотрении состава ИС СБЦВМ, в первую очередь, следует отметить, что ЗУ составляет 50.-70 % от всего объема элементной базы. Такое соотношение ИС в СБЦВМ определяет доминирующий вклад ЗУ в важнейшие технические, массогабаритные. эксплуатационные характеристики. Запоминающие устройства, в силу своей специфики построения, по сравнению с остальной элементной базой СБЦВМ имеют самую высокую степень интеграции и, как следствие, повышенную чувствительность к радиационному изучению..В связи с этим, первоочередной задачей, по обеспечению работоспособности СБЦВМ при влиянии ВВФ является в значительной мере повышение стойкости ее ЗУ.

Специализированный характер применения ЗУ в СБЦВМ обуславливает широкий спектр возможных радиационных факторов, воздействующих на них в процессе функционирования и проявляющихся ъ неоднородности характера отказа, различии чувствительно'.?;: ■^•¿■Г:--

тов, влиянии режима работы, наличии параллельных конкурирующих процессов деградации и восстановлении. Все эти факторы приводят к тому, что во многих случаях радиационные отказы ЗУ СБЦВМ и входящие в ее состав БИС ЗУ являются следствием непрерывных физических процессов в материалах под действием излучения и носят не пороговый и во многих случаях немонотонный характер.

Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью прогнозирования радиационной стойкости, как на.этапе проектирования, так и в реальных БИС и устройствах в условиях ограниченных возможностей существующих методов моделирования радиационного поведения ИС. В работе показаны преимущества и эффективность использования расчетно-экспериментальных методов моделирования радиационного поведения БИС и устройств на функционально-логическом уровне их описания, работающих в условиях возникновения остаточных и переходных радиационных эффектов. Обоснована необходимость исследования существующих модельных представлений для описания работоспособности ИС с целью разработки методов функционально-логического' моделирования радиационного поведения БИС и устройств и методов повышения стойкости на схемно-техническом и функционально-логическом уровнях описания. 'Определены доминирующие механизмы отказов БИС ЗУ различных типов, связанных с по-, верхностными и объемными ионизационными эффектами {при воздействии импульсного и стационарного ИИ) и эффектами смещения (при нейтронном воздействии).

Непосредственное моделирование радиационного поведения БИС на электрическом уровне описания характеризует их радиационную стойкость не в полной мере и поэтому не может быть практически использовано для построения моделей качества БИС и СБИС, так как расчетные модели ограничены существующими вычислительными ресурсами. Сделан вывод, что решение таких проблем необходимо искать в классе обобщенных моделей на функционально-логическом уровне.

Показано, что решение вопроса об адекватности методов и средств расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения ИС и БИС ЗУ требует использования многоуровневого мо-. дельного описания, включающего•в себя функционально-логический, электрический и физический уровни. Необходимость использования иерархического подхода обусловлена тем, что требования к работоспособности ИС в условиях воздействия Ш формируются с точки

зрения выполняемых функций, которые характеризуются параметрами электрического уровня описания (изменение СПХ, отклонение токов и-напряжений) или функционально-логического (сбои, потеря информации и т.п.).' При этом описание и выбор методов проектирования ЗУ должны определяться как ее спецификой, так и видом воздействия излучения, однозначно связанных с критериями работоспособности на всех уровнях описания.

Исходя из принципов иерархического подхода рассмотрены существующие традиционные модели надежности функционирования ИС и БИС ЗУ с целью оценки адекватности описания доминирующих радиационных „эффектов и оценки влияния на радиационную стойкость заложенных структурных и схемно-технических решений, а также технологии изготовления. Установлено, что анализ радиационного поведения БИС ЗУ и ее элементной базы должен проводиться с учетом специфики изменения основных характеристик на основе обобщенных моделей качества функционирования, позволяющих учесть особенности радиационных отказов.- Наиболее перспективной в этом классе моделей является нечеткая функционально-логическая модель радиационного поведения цифровых ИС,. где. в отличие от Булевых моделей наблюдаются ярко выраженные зависимости РС от структурных, схе-мно-технических организаций и от технологии изготовления БИС ЗУ, которые проявляются при определенных радиационных эффектах, когда критические (КХ) и доминирующие (ДХ) характеристики различны даже на фоне заданного статистического разброса технологии производства. При этом описание модели представляется в виде нечетких ' зависимостей критериальной функции принадлежности (КФП) в дизъюнктивной и конъюнктивной нормальной форме (ДНФ. КНФ соответственно). Такая модель представляет собой выражение, которое реализовано на основе минимаксной логики, где каждому логическому состоянию ИС сопоставляется функция принадлежности (/^К определяемая по критериям работоспособности.

На этой основе разработан метод проектирования радиацион-но-стойких БИС ЗУ, который основан на совместном использовании и сопоставлении моделей 4-х уровневой иерархии системного описания с учетом их взаимосвязей, где для корректного решения вводится формальная конструкция, отражающая функционально-логические аспекты описания моделируемого ЗУ. основанного на модели нечеткого цифрового автомата Брауэра (АБ). При этом исходными параметрам;:

в модели АБ являются КФП, определяемые аналитически через метрические критериальные соотношения с учетом показателей неоднородности ЗУ.

Для метода проектирования БИС разработана система показателей неоднородности по критерию радиационной стойкости, которая в свою очередь однозначно связана с критерием работоспособности на всех уровнях иерархии. К таким показателям относятся: " Вес ", "Значимость", "Вклад" элемента в радиационную стойкость БИС и обобщенный показатель качества БИС по критерию радиационной стойкости, характеризующий уровень РС проектируемых ИС и степень возможности ее повышения.

Так же сформулированы требования к функционально-логическим методам проектирования радиационно-стойких ИС и БИС ЗУ," включающих формирование функционально полной системы моделей АБ на всех уровнях описания данного класса ЗУ. предложены и обоснованы доминирующие критерии работоспособности и неоднородности. В основу таких методов, позволяющих обеспечить необходимую полноту- описания цифровых ЗУ и систем на их основе, положены табличный и схемно-логический методы описания, а так же.метод выделения информационных цепей.

Проведен анализ особенностей и выбран тип алгебраической модели описания радиационного поведения функционально-логических параметров цифровых БИС и рассмотрены особенности функционирования ЗУ в условиях воздействия непрерывного и импульсного ИИ. Это позволяет установить следующие моменты,' которые должны быть учтены при построении функционально-логической модели радиационного поведения цифровых ИС и устройств на их основе:

- процессы развития отказов ИС в сильной степени зависят от условий, при которых происходит облучение объекта (электрический и функциональный режимы и т.п.);

- отсутствует ярко выраженная граница между областями работоспособности и неработоспособности цифровых ИС вследствие параметрического характера их отказа;

- зависимости параметров ИС от уровня интенсивности воздействия являются непрерывными функциями;

- доминирующие механизмы деградации.ИС, как правило, оказывают слабое взаимное влияние;

- традиционная Булева модель исправного устройства должна

являться частным случаем разрабатываемой модели отказа щ и нулевом значении внешнего воздействия:

- логические модели сигналов должны принадлежать интервалу [0,1], что обусловлено непрерывным характером,- протекающ"м в элементах ИС при облучении.

На основании результатов анализа алгебраической модели радиационного поведения БИС предложена система параметров для оценки качества функционирования работоспособности ИС. которая с точки зрения изменений характеристик от-вида воздействия и особенностей поведения ИС КФП (/1) делится на группы и определяется раздельно для каждого типа ИИ (стационарное, импульсное). Аналогично нормативно-технической документации система параметров БИС делится на три основные группы: статические, динамические и функциональные . Поэтому и КФП целесообразно делить на аналогичные группы и определять раздельно для каждого типа ИИ. При анализе переходных эффектов, в случае однородного равновесного энерговыделения в зависимости от концентрации неравновесных но-,сителей п и от длительности импульса ИИ. КФП делится:

1. КФП уровня безсбойной работы (УБР), где различают два основных случая:. ^ > Тгр-, Ц < Тгр,.

2. КФП времени потери работоспособности (ВПР). В этом случае КФП0ТЖ. иотж.) Неэквивалентна КФПВПР. иВ()С) на функционально-логическом уровне'ее описания.

В работе также разработаны методические основы построения КФП для логических элементов БИС при различных видах воздействия, в основе которых лежит тесная взаимосвязь между радиационной стойкостью и внутренней неоднородностью ее элементов, между вероятностными и порядковыми моделями качества функционирования, которые для нечеткой логики Заде по своим свойствам являются моделями со структурой метрических решеток де Моргана и могут быть заданы мерой внутренней неопределенности состояния системы при разных уровнях, воздействия по отношению к критерию ги, определяющему область работоспособности БИС и являющемуся показателем размытости <3(г13).

На основании методики построения КФП разработаны частные методики и алгоритмы расчета статических КФП, КФП "отжига", динамических процессов в асинхронных автоматах с памятью ЛЭ ИС при стационарном облучении, разработан алгоритм расчета импульсной

КФП.

На этой основе построены функционально-логические модели логических элементов (ЛЭ) биполярных и.КМДП БИС ЗУ (К1656РЕ4, К1617РУ6) в условиях возникновения долговременных изменений статических параметров, обусловленных эффектами смещения и ионизации; построены функционально-логические модели элементов КМДП БИС ЗУ (К1617РУ6) в условиях возникновения релаксационных процессов заряда после облучения, обусловленных эффектами иониза-(ции; построены функционально-логические модели элементов КМДП . БИС ОЗУ (К1617РУ6) в условиях возникновения переходных ионизаци- , онных эффектов; построены функционально-логические модели элементов КМДП БИС ОЗУ (К1617РУ6) в условиях.возникновения долговременных изменений динамических параметров, учитывающих конструктивно-технологические, схемно-технические и структурные особенности ИС по критерию радиационной стойкости. ■ ■

На основании результатов' анализа функционально-логических моделей ЛЗ биполярных и КМДП БИС ОЗУ предложена система типов неоднородностей и проведен анализ их влияния на радиационное поведение параметров цифровых устройств, описаны модели функцио- . нально-логического анализа для ЛЭ цифровых ЗУ различных типов, основу которых составляет автомат Брауэра. . у

На этой основе предложен алгоритм выбора способов и степени технологического, схемно-технического . и структурного запасов возможностей цифровых устройств для повышения радиационной стой-' кости. , •

В работе разработаны методы применения модели автомата Брауэра для комбинационных и последовательностных цифровых уст- -ройств, и на их основе осуществлено прогнозирование радиационно- ; го.поведения ЛЭ БИС табличным и схемно-логическим методами. . По- . лучены результаты расчетов реальных ТТЛШ БИС ПЗУ К1656РЕ4. КМДП' БИС ОЗУ К1617РУ6 на функционально-логическом уровне их описания.

■Для сравнительного анализа на основе предложенных, моделей :. разработаны обобщенные характеристики работоспособности цифровых ИС в виде функций неоднородности, работоспособности, чувствительности. .

Использование разработанных моделей позволило произвести , анализ возможностей алгоритмических методов для реализации системы с повышенной радиационной стойкостью. -Эти методы эффектов-

ны, если показатель неоднородности устройства стремится к нулю на конструктивно-технологическом, схемно-топологическом и Функционально-логическом уровнях проектирования, тогда для дальнейшего повышения РС предпочтительно рассматривать совместное применение алгоритмических и технологических' методов.

На основании результатов анализа алгоритмических методов предложен программно-алгоритмический метод снижения чувствительности к массовым сбоям СБЦВМ, основанный на разработанном магнитно-транзисторном специализированном ОЗУ емкостью 4К (256x16) на основе запоминающих элементов типа "Биакс" для СБЦВМ "Заря-ЗМ" и обеспечивающим повышение ее РС.

Достоверность разработанных, методов и средств расчетно-экс-периментального моделирования радиационного поведения ИС и БИС ЗУ на функционально-логическом уровне их описания, учитывающая особенности конструктивно-технологического исполнения ИС, схем-но-технического и структурного решения и режимов работы при воздействии стационарного и импульсного излучения, подтверждается в работе результатами экспериментальных исследований типовых представителей БИС ЗУ на моделирующих установках (МУ) и имитаторах лазерного и рентгеновского излучений.

Разработано методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований БИС ЗУ на основе теоретических и экспериментальных методов моделирования. Показана необходимость проведения экспериментальных исследований БИС ЗУ различных типов на двух уровнях модельного описания - электрическом и функционально-логическом.

Сформулированы требования к составу БИС ЗУ, необходимые для проведения испытаний. Показано, что наиболее полные экспериментальные данные могут быть получены в ходе испытаний БИС ЗУ. которые реализованы по разной технологии и схемотехнике, а также имеющие разную структуру организации и степень интеграции (информационную емкость).

Разработаны методики экспериментальных исследований КМДП, КМДП/КНС. п-МОП, ТТЛ,. ТТЛШ. И2Л БИС ЗУ при воздействии стационарного нейтронного и ионизирующего излучений и высокоинтенсивного импульсного ИИ, полученного на МУ (реактор быстрых нейтронов ИРТ-2000 МИФИ, линейный ускоритель электронов ЭЛУ-4. гамма-установка РХ-у-ЗО) и имитаторах (рентгеновские имитаторы на

базе установок УРС 2.0 и РЕИС-И. лазерный имитатор РАДОН-5).

Для оперативного исследования и контроля функционирования БИС ЗУ в условиях спецвоздействий и больших электромагнитных помех разработан блок функционального контроля (БФК).

Проведен цикл испытаний 18 типов БИС ОЗУ, -БИС ППЗУ, БИС ПЗУ различных схемно-технических и конструктивно-технологических исполнений. Отличия в характере радиационного поведения БИС ЗУ от технологии изготовления, конструктивных и схемно-технических ре' шений, степени интеграции, режимов работы и условий функционирования по критерию функциональных и параметрических отказов, полученных расчетным путем, практически идентичны экспериментальным и составляют 20%. Погрешность полученных результатов расчетными методами определяется адекватностью выбранной модели на электрическом уровне описания.' а погрешность экспериментальных результатов определяется точностью проведенной дозиметрии и составляет 30%. -

Проведен цикл испытаний специализированного магнитно-транзисторного ОЗУ (16x16) при воздействии импульса электронов, с энергией Ее = 5 МэВ и длительностью =2,5 мкс на функционально-логическом и электрическом уровнях контроля. Испытания показали. что порог потери текущей информации в МТ ОЗУ увеличивается более чем на два порядка по сравнению с биполярными и ,- КМДП БИС ЗУ и превышает РК = Ю11 рад(31)/с.

Отдельные частные вопросы, представляющие интерес с точки зрения решения прикладных задач на-основе полученных'в работе результатов, а также технические характеристики и описания принципиальных схем МТ ОЗУ (256x16) и таблицы операторов для вычисления переходных процессов ЛЭ, .приведены в приложениях к работе..

В приложении 1 приведен расчет статической КФП АФХг3 для моделирования радиационного поведения ТТЛШ БИС ПЗУ. К1656РЕ4 на Функционально-логическом уровне описания в условиях возникновения долговременных изменений статических параметров/ обусловленных эффектами смещения.

В приложении 2 приведены расчеты работоспособности ТТЛШ БИС ПЗУ К1656РЕ4 в условиях возникновения долговременных изменений статических параметров, обусловленных эффектами смещения.

В приложении 3 приведен расчет' статической КФП КМДП инвертора для моделирования радиационного поведения БИС на функцио-

нально-логическом уровне описания в условиях возникновения долговременных изменений статических параметров, обусловленных эффектами ионизации. •

В приложении 4 приведены расчеты работоспособности КМДП БИС ОЗУ К1617РУ6 в условиях возникновения дЬлговременных изменений статических параметров, обусловленных эффектами ионизации.

В приложении 5 приведены основные операторы для анализа переходных процессов в ЛЭ БИС.

В приложении 6 приведены технические характеристики и описания специализированного магнитно-транзисторного ОЗУ на основе запоминающих элементов типа "Биакс" с организацией 256x16.

Основные результаты работы.

■ 1. Проведен анализ и выделены доминирующие механизмы радиационных отказов цифровых ТТЛ, ТТЛШ, И2Л, КМДП, КМДП/КНС, п-МОП БИС ОЗУ. БИС ППЗУ. БИС ПЗУ различных схемно-технических и конструктивно-технологических исполнений при воздействии стационарного нейтронного и ионизирующего излучения, . а также импульсного ИИ. Показано, что решение вопроса об адекватности моделирования радиационного поведения БИС требует использования многоуровневого модельного описания, включающего в себя функционально-логический, электрический и физический уровни. Рассмотрены существующие традиционные модели отказа БИС, описываемые в рамках теории надежности. Показана неэффективность стандартных средств моделирования для прогнозирования функциональных отказов ИС и устройств на их основе. Обоснована необходимость перехода на функционально-логический уровень модельного описания таких отказов. .

2. Разработаны методы проектирования радиационно-стойких БИС при возникновении остаточных и переходных радиационных эффектов на функционально-логическом уровне описания. Установлено, что для корректного решения такой проблемы необходимо введение формальной конструкции, отражающей функционально-логические аспекты описания моделируемой ИС и основанной на модели нечеткого цифрового автомата Брауэра (АБ). При этом исходными параметрами в модели АБ являются КФП.

3. Разработаны алгоритмы расчета статических КФП, КФП "отжига" ЛЭ ИС при стационарном облучении, импульсных КФП и алгоритм расчета КФП, отражающих динамические процессы в асинхронных

автомахах с памятью при стационарном облучении. В этом случае КФП определяются аналитически через критериальные соотношения, заданные на языке моделей электрического уровня и обеспечивают; взаимосвязь между электрическим и функционально-логическим уровнями модельного описания.

4. Сформулированы требования к функционально-логическим методам проектирования радиационно-стойких ИС и БИС ЗУ. включающим формирование функционально полной системы моделей АБ йа всех 'уровнях описания данного класса ИС, сделано выделение и обоснование доминирующих критериев работоспособности и неоднородности, в основу таких методов, позволяющих обеспечить необходимую полноту описания цифровых ЗУ и систем на их основе, положены табличный, схемно-логический методы описания и метод выделения информационных цепей.

5. Разработаны методы построения функционально-логических моделей и рассмотрены особенности применения нечеткой модели автомата Брауэра.для комбинационных и последовательностных .цифровых устройств. -На основе предложенных моделей разработаны обобщенные характеристики работоспособности цифровых ИС в виде функций неоднородности для расчета параметрических и функциональных запасов изделий'с целью выбора методов повышения стойкости. Разработанные . структурные и схемно-технические методы позволили улучшить стойкость БИС ППЗУ 556РТ7 (16К) к ИИ до группы 2У. БИС ППЗУ 1622РТ5 (4К) к ИИ'до Группы ЗУ. масочных БИС-ЛЗУ 1656РЕ4 (64К) к ИИ до группы ЗУ и повысить устойчивость к воздействию высокоинтенсивного ИИ до уровня безотказной работы, соответствующей требованиям ТУ в КМДЛ/КНС БИС ОЗУ 1604РУ1/2, Д620РУ1/2.

6.' Разработана методика совместного применения технологи' ческих и аппаратно-алгоритмических "методов повышения радиационной стойкости СБЦВМ и.показана ее эффективность обеспечения РС в условиях массовых сбоев, основанная на учете полученных зависимостей' радиационной' чувствительности устройства с помощью использования расчетно-экспериментальных методов функционально-логического моделирования. Установлено, что эти. методы эффективны, когда показатель неоднородности БИС ЗУ стремится к ;нулю с учетом особенностей ее реализации и условий.работы. Для реализации этих

• методов, разработано магнитно-транзисторное специализированное ОЗУ емкостью' 4К (256x16) на основе запоминающих элементов типа

"Биакс", ориентированное для применения в СБЦВМ "Заря-ЗМ".

7. Разработаны'частные методики-проведения испытаний БИС ЗУ различных конструктивно-технологических исполнений и технические средства для экспериментальных исследований радиационного поведения БИС ЗУ при воздействии стационарного нейтронного и ионизирующего излучений,- а также при воздействии импульсного ИИ с использованием МУ и. имитаторов. На основе разработанных функционально-логических моделей сформулированы требования к системе контроля параметров БИС ЗУ.. •

8. На основе разработанных методик и аппаратуры проведен цикл испытаний 18 типов БИС ОЗУ, БИС ППЗУ. БИС ПЗУ различных схемно-технических и конструктивно-технологияеских исполнений на электрическом и функционально-логическом уровнях контроля параметров. По результатам испытаний определены зависимости радиационной стойкости этих устройств от технологии изготовления, конструктивных -и схемно-технических решений, степени интеграции, режимов работы и условий функционирования по критерию функциональных' и параметрических отказов. Подтверждены предположения о различии в уровне стойкости, и немонотонном характере радиационных отказов БИС при воздействии стационарного ИИ. Погрешность результатов, полученных расчетными методами,, определяется адекватностью выбранной модели на электрическом уровне описания, а. погрешность экспериментальных результатов определяется точностью проведенной 'дозиметрии и составляет 30%.

9. Проведен цикл испытаний специализированного магнитно-транзисторного ОЗУ (16x16) при воздействии импульса электронов с энергией Ее = 5 МэВ и длительностью Ц »2,5 мкс на функционально-логическом и электрическом уровнях контроля. Испытания показали, что порог потери записанной информации в МТ ОЗУ выше в среднем на два порядка по отношению к биполярным и КМДП БИС ОЗУ.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Барбашов В. М., Зайцев В.Л., Чумаков А.И. Особенности проявления рекомбинационных свойств разупорядоченных областей на характеристики биполярных полупроводниковых структур//В сб. тез. докладов Всесоюзного совещания-семинара "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релакса-

ции в элементах интегральных схем". - М.: "Радио и связь". 1983. с. 70-71. • . ;

2. Барбашов В.Н.,. Голотюк О.Н.. Соколов В. А. Проектирование систем электронно-вычислительной аппаратуры, устойчивых к массовым сбоям//В сб. научных трудов "Электроника в экспериментальной физике"/ Под ред. Т.М.Агаханяна - М.: "Энергоатомиздат". 1985. с. 25-28. ■ -

3. Барбашов В.М. Особенности построения магнитно-транзис- , < торных ОЗУ работающих в полях импульсного высокоинтенсивного ионизирующего излучения//В сб. тез. докладов "Вопросы обеспечения ■ радиационной стойкорти ЭРИ. элементов и материалов к воздействию ИИ ЯВ". - М.: ЦНТИ "Поиск", 1986. с. 62-63./

4. Барбашов В.М., Белянов A.A.Чумаков А.И. Основные.механизмы отказов в биполярных микросхемах при остаточных повреждениях. - "Специальные вопросы атомной науки-и техники". Сер."Фи- > зика радиационного воздействия на РЭА". 1987, вып.1, с. 10-14..

5. Барбашов В.М. Стойкость специализированных блоков памяти на основе магнитных элементов типа "БИАКС" к мощности дозы высокоинтенсивного ионизирующего излучения//В сб. /тез. докладов "Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ, элементов и ма- . териалов к воздействию ИИ ЯВ", - М.: ЦНТИ "Поиск", 1987, с. 87-88. ' .

6. Барбашов В.М.. Галкин A.C." Организация энергонезависимого ОЗУ на основе магнитных элементов типа "БИАКС". . В сб. "Электроника и автоматизация в научных исследованиях"/ Под ред. В.М.Рыбина - М.: "Энергоатомиздат", 1988. с. 95-97.

7. Аствацатурьян Е.Р., Барбашов В.М., Пронин С.А: Методы повышения радиационной стойкости биполярных цифровых ИМС. В сб. "Вопросы создания радиационно-стойких полупроводниковых приборов и ИС", - М.: ЦНТИ "Поиск". 1988, с. 16-19.

8. Барбашов В.М.. Белянов A.A.. Курнаев С. А., Чумаков А. И. Радиационная стойкость запоминающих устройств. - "Специальная радиоэлектроника". 1989, вып. 7. с. 3-7.. •

9. Аствацатурьян Е.Р.. Барбашов В.М., Приходько П.С.. Щетинин Ю.И. Многоуровневая система реализации методов повышения стойкости БИС ПЗУ к внешним воздействующим факторам. - "Спецэлектроника". Сер.Ю "Микроэлектронные устройства". 1989. вып. 1(25). С. 5-8.

10. Барбашов В.П., Китаев С.С., Раткин A.B. Исследования релаксации заряда в КМДП/КНС БИС ОЗУ. В- сб. "Экспериментальные устройства предварительной обработки данных"/ Под ред. Т.М.Ага-ханяна - М.: "Энергоатомиздат". 1990. с. 13-17.

11. Аствацатурьян Е.Р.. Архангельский А.Я.. Барбашов В.М.. Левшин Н.Г.. Приходько П.С. Многоуровневая система иерархического моделирования и проектирования ИМС с повышенным качеством и безотказностью//В сб. докладов VII международной конференции по микроэлектроники "Микроэлектроника-90".' Минск. 16-18 октября 1990 г. - М.: 1990, с. 166.

12. Аствацатурьян Е. Р.. Барбашов В. М.. Беляев В. А.. Гурарий А.Л., и др. Использования метода КФП для прогнозирования функциональных радиационных отказов ЗУ аппаратуры средств связи. -"Специальная техника средств связи". Сер. "Общетехническая". 1991. вып. 1. с. 111-120.

13. Аствацатурьян Е. Р.. Барбашов В. М.. Беляев В. А.. Гурарий А.Л. Моделирования остаточных радиационных эффектов в БИС на функционально-логическом уровне//В сб. докладов V межотраслевого семинара "Проблемы создания полупроводниковых приборов. ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ". - М.: АДС "Радтех-СССР". 1991. с. 30-31. •

14. Аствацатурьян Е.Р.. Ахабаев Б.А.. Барбашов В.М. Лабораторный имитационный комплекс//В сб. докладов V межотраслевого семинара "Проблемы создания полупроводниковых приборов. ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ". - М.: АДС "Радтех-СССР". 1991. с. 89-90.

15. Аствацатурьян Е. Р.. Барбашов В. М.. Никифоров А.Ю.. и др. Диагностика доминирующих механизмов отказа ионизационной реакции КМОП БИС ПЗУ 1619РЕ11. - "Специальная электроника". Сер.З "Микроэлектроника". 1991. вып. 1 с. 39-41.

16. Аствацатурьян Е. Р.. Барбашов В. М., Беляев В. А., Приходько П.С. Функционально-логическое моделирование радиационных отказов БИС. - "Специальная радиоэлектроника". 1993. вып.7-9, с. 15-19.

17: Аствацатурьян Е.Р.. Барбашов В.М.. Беляев В.А., Герасименко А. В.. Калашников 0.А. Система расчетного функционально-логического моделирования радиационных отказов//В сб. докладов VI межотраслевого семинара "Радиационные процессы в электронике". -