eng
Выпуск #9/2018
Фатеев Иван Александрович, Шалашова Елена Сергеевна
Разработка набора триггеров в базисе КМОП КНИ с повышенной устойчивостью к воздействию ТЗЧ
Разработка набора триггеров в базисе КМОП КНИ с повышенной устойчивостью к воздействию ТЗЧ
Просмотры: 3583
Современные микросхемы, в силу масштабирования технологических размеров, уменьшения напряжения питания и внутренних емкостей, становятся все более чувствительными к воздействию ТЗЧ. Традиционные специализированные ячейки, устойчивые к воздействию ТЗЧ, теряют свое преимущество вследствие воздействия тяжелых частиц на несколько чувствительных областей. В данной работе представлен разработанный набор радиационно-стойких D триггеров с сигналами сброса, установки и без них на основе DICE элемента в технологическом базисе КНИ 200 нм.
УДК 621.382+621.396.6
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.418.423
УДК 621.382+621.396.6
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.418.423
Теги: dice fault tolerance heavy charged particle radiation resistance see seu single faults soi кни одиночные сбои радиационная стойкость сбоеустойчивость тзч
Бортовая аппаратура в течение срока эксплуатации подвергается воздействию различных факторов космического пространства, которые вызывают сбои и повреждения комплектующих бортовой аппаратуры. Поэтому для обеспечения длительного срока службы аппаратуры важную роль играет стойкость оборудования к воздействию ионизирующего излучения (ИИ). Основными источниками ИИ космического пространства являются солнечные космические лучи (СКЛ), галактические космические лучи (ГКЛ), естественные радиационные пояса Земли (ЕРПЗ) (табл. 1) [1, 2].
Радиационное излучение космического пространства может вызвать нежелательные эффекты в полупроводниковых устройствах, которые можно условно разделить на локальные или одиночные и дозовые. С уменьшением проектных норм дозовые эффекты проявляются в меньшей степени. По мере увеличения степени интеграции на первый план выходят случайные одиночные события (Single Event Effect, SEE) [3, 4].
Одиночные эффекты возникают при попадании в полупроводник тяжелой заряженной частицы, могут происходить случайно и характеризуются вероятностью возникновения. Тяжелая заряженная частица (ТЗЧ) оставляет за собой ионизационный трек, диаметр которого увеличивается с увеличением энергии частицы. Чувствительной областью в ИС является обратно-смещенный p-n-переход [2]. Электронно-дырочные пары, высвобождаемые пролетающим ионом, вызывают импульс тока и напряжения, в результате могут возникнуть сбои или отказы.
Одиночные радиационные эффекты (ОРЭ) можно разделить на обратимые и необратимые. Вторая группа эффектов является более опасной, так как приводит к разрушающим последствиям. К ним относятся: одиночное защелкивание или тиристорный эффект (Single Event Latchup, SEL), пробой подзатворного диэлектрика (Single Event Gate Rupture,SEGR) и другие. Выделяют такие виды обратимых сбоев: инвертирование данных в элементе памяти без потери работоспособности (Single Event Upset, SEU), изменение логического состояния узла в комбинационной логике, которое дальше распространяется по схеме (Single Event Transient, SET), функциональное прерывание работы схемы (Single Event Functional Interrupt, SEFI). [1, 3, 4]. Значительная доля функциональных сбоев обусловлена одиночными эффектами в управляющих регистрах и в памяти, в то же время заметная доля функциональных отказов обусловлена тиристорными эффектами в КМОП интегральных схемах. Таким образом, SEU и SET являются наиболее критичными локальными эффектами для современных интегральных схем (ИС) с высокой степенью интеграции.
В конструктивных методах повышения стойкости СБИС обычно применяются специализированные ячейки памяти и триггера с повышенной устойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц (DICE, NASA, TMR и их модификации) [5]. В данной работе предпочтение отдано триггерам на базе ячейки DICE (Dual Interlocked Cell) [2]. DICE структура (рис. 1) представляет собой ячейку памяти, в которой используется дублирование данных. Таким образом, если частица поражает чувствительный узел 0 или 1, то особая схема соединения транзисторов предотвращает распространение сбоя во вторую копию данных 2 или 3, а пораженный узел по обратным связям восстанавливает свое первоначальное состояние спустя некоторое время.
С развитием технологий наблюдается тенденция уменьшения проектных норм, соответственно, расстояния между элементами сокращаются. Эффективный диаметр трека ТЗЧ — порядка микрона, например, при энергии протона в 1ГэВ диаметр трека более чем 0,9 мкм [6]. За счет сближения чувствительных областей растет вероятность воздействия ТЗЧ, падающей под пологим углом сразу на несколько узлов, что снижает эффективность применения DICE архитектуры. Принимая во внимание выше сказанное, повышению стойкости к одиночным сбоям от тяжелых заряженных частиц способствует увеличение расстояния между чувствительными стоками транзисторов, поскольку данные будут храниться одновременно в обоих узлах, разнесенных друг от друга, это поможет предотвратить изменение состояния ячейки [7, 8].
В целях защиты от случайных одиночных эффектов (SEE) в работе использовалась DICE ячейка, на основе которой разработан набор D-триггеров с асинхронными сигналами установки, сброса и без них по технологии КНИ 200 нм. Чтобы предотвратить распространение переходного процесса, на выходе триггера стоит C-элемент, который меняет выходное значение при одинаковых сигналах на входах. При дифференциальных сигналах переходит в Z и на нагрузочной емкости хранится предыдущее состояние [8]. На рис. 2 изображена схема триггера с сигналом сброса RN и выходом Q.
Проанализировав схему, изображенную на рис. 1, выделены наборы чувствительных узлов: при Q = 1, стоки транзисторов N0, N2, P1, P3, RN являются чувствительными областями, взаимное расположение между которыми необходимо учитывать на этапе проектирования топологии, при Q = 0, чувствительными областями будут стоки транзисторов N1, N3, P0, P2.
На рис. 3 представлена топология D-триггера с сигналом асинхронного сброса RN, отмечены расстояния между чувствительными парами p-n-переходов, находящихся при обратном смещении в одном из логических состояний. Для эффективного использования площади и обеспечения максимальных расстояний между чувствительными наборами, транзисторы из двух защелок были перемешаны между собой, при этом искусственно площадь не увеличивалась.
На рис. 4 представлена схема D-триггера с сигналом предустановки SN. В чувствительные области добавляются стоки транзисторов с сигналом SN. Топология схемы показана на рис. 5.
В табл. 2 и 3 приведены расстояния между стоками транзисторов, находящихся при обратном смещении, которые могут привести к сбою при одновременном воздействии на них ТЗЧ. Таким образом, увеличение расстояния между чувствительными областями транзисторов уменьшает сектор воздействия ТЗЧ в изотропном пространстве, снижая вероятность инверсии данных в DICE защелке. Использование С-элемента на выходе блокирует распространение SET по нагруженной схеме.
В рамках данной работы также проектировались топология триггера без сигналов сброса и предустановки и триггер, в топологии которого не применялось перемешивание двух разных защелок и, соответственно, не увеличивались расстояния между чувствительными областями. Сравнение площадей триггеров, представленных в табл. 4, показывает, что площадь триггера без дополнительных сигналов меньше площади триггера с сигналом сброса или предустановки на 8 %, но расстояния между критичными узлами также уменьшились. Разнесение чувствительных стоков транзисторов приводит к увеличению площади на 5 % относительно такого же триггера без использования данного метода.
ВЫВОДЫ
В работе представлен разработанный набор D-триггеров с асинхронными сигналами установки, сброса и без них на основе DICE архитектуры с уникальной схемотехнической реализацией. Топология была разработана по технологии КНИ 200 нм. Произведен анализ чувствительных узлов триггера. Выделены наборы транзисторов, взаимное размещение которых влияет на устойчивость триггера к воздействию тяжелых заряженных частиц и требует внимания.
Представлена топология вышеперечисленных вариантов триггера, для создания которой использовался САПР компании Cadence. Произведена экстракция паразитных параметров с помощью продукта компании Mentor Graphics Calibre. На основе этих данных посчитаны времена фронта, среза и задержки (табл. 5).
При создании топологии учитывалось взаимное расположение чувствительных узлов. Для эффективного использования площади и обеспечения максимальных расстояний между стоками, транзисторы из двух защелок были перемешаны между собой, при этом искусственно площадь не увеличивалась. Минимальное расстояние между чувствительными узлами получилось 7,331 мкм, в то время как при обычном расположении расстояние составляло 1,55 мкм. Представленная модификация D-триггера увеличивает площадь на 5 %, но может повысить устойчивость к одиночным сбоям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чумаков А. И. Действие космической радиации на интегральные схемы. — М.: Радио и связь, 2004. — 320 с.
2. Таперо К. И., Улимов В. Н., Членов А. М. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. — М.: Бином, 2012. — 306 с.
3. Calin T., Nicolaidis M., and Velazco R. Upset Hardened Memory Design for Submicron CMOS Technology // Nuclear Science, IEEE Transactions on — 1996, Vol. 43, Issue 6, Part 1, pp. 2874–2878.
4. Зебрев Г. И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах высокой степени интеграции. — М.: НИЯУ МИФИ, 2010. — C. 148.
5. Долотов П. С. Устойчивые к воздействию тяжелых заряженных частиц КМОП блоки статического ОЗУ на основе технологий объемного кремния и «кремний на изоляторе»: дис. канд. техн. наук: 05.13.05/Долотов Павел Сергеевич. Москва, 2015. 183 с.
6. Ольчев С. И., Стенин В. Я. Анализ сбоеустойчивости триггерных элементов с двухфазной структурой // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. — С. 29–38.
7. Стенин В. Я., Черкасов И. Г. Влияние топологии субмикронных КМОП ячеек памяти DICE на чувствительность ОЗУ к воздействию отдельных ядерных частиц // Микроэлектроника. 2011. Т. 40. № 3. — С. 184–190.
8. Стенин В. Я., Степанов П. В. Проектирование базовых элементов памяти на основе ячеек DICE для сбоеустойчивых КМОП 28 нм ОЗУ // МЭС-2014.
9. Mitra S., Zhang M., Waqas S., Seifert N., Gill B., and Kim K. Combinational Logic Soft Error Correction // in Proc. IEEE International Test Conf. on — 2006, pp. 824–832.
10. Lilja K., Bounasser M., Wen S., Wong R., Holst J., Gaspard N., Jagannathan S., Loveless D., Bhuva B. Single-event Performance and Layout Optimization of Flip-flops in a 28-nm Bulk Technology // IEEE Transactions on Nuclear Science — 2013, Vol. 60. № 4, pp. 2782–2788
Радиационное излучение космического пространства может вызвать нежелательные эффекты в полупроводниковых устройствах, которые можно условно разделить на локальные или одиночные и дозовые. С уменьшением проектных норм дозовые эффекты проявляются в меньшей степени. По мере увеличения степени интеграции на первый план выходят случайные одиночные события (Single Event Effect, SEE) [3, 4].
Одиночные эффекты возникают при попадании в полупроводник тяжелой заряженной частицы, могут происходить случайно и характеризуются вероятностью возникновения. Тяжелая заряженная частица (ТЗЧ) оставляет за собой ионизационный трек, диаметр которого увеличивается с увеличением энергии частицы. Чувствительной областью в ИС является обратно-смещенный p-n-переход [2]. Электронно-дырочные пары, высвобождаемые пролетающим ионом, вызывают импульс тока и напряжения, в результате могут возникнуть сбои или отказы.
Одиночные радиационные эффекты (ОРЭ) можно разделить на обратимые и необратимые. Вторая группа эффектов является более опасной, так как приводит к разрушающим последствиям. К ним относятся: одиночное защелкивание или тиристорный эффект (Single Event Latchup, SEL), пробой подзатворного диэлектрика (Single Event Gate Rupture,SEGR) и другие. Выделяют такие виды обратимых сбоев: инвертирование данных в элементе памяти без потери работоспособности (Single Event Upset, SEU), изменение логического состояния узла в комбинационной логике, которое дальше распространяется по схеме (Single Event Transient, SET), функциональное прерывание работы схемы (Single Event Functional Interrupt, SEFI). [1, 3, 4]. Значительная доля функциональных сбоев обусловлена одиночными эффектами в управляющих регистрах и в памяти, в то же время заметная доля функциональных отказов обусловлена тиристорными эффектами в КМОП интегральных схемах. Таким образом, SEU и SET являются наиболее критичными локальными эффектами для современных интегральных схем (ИС) с высокой степенью интеграции.
В конструктивных методах повышения стойкости СБИС обычно применяются специализированные ячейки памяти и триггера с повышенной устойчивостью к воздействию отдельных ядерных частиц (DICE, NASA, TMR и их модификации) [5]. В данной работе предпочтение отдано триггерам на базе ячейки DICE (Dual Interlocked Cell) [2]. DICE структура (рис. 1) представляет собой ячейку памяти, в которой используется дублирование данных. Таким образом, если частица поражает чувствительный узел 0 или 1, то особая схема соединения транзисторов предотвращает распространение сбоя во вторую копию данных 2 или 3, а пораженный узел по обратным связям восстанавливает свое первоначальное состояние спустя некоторое время.
С развитием технологий наблюдается тенденция уменьшения проектных норм, соответственно, расстояния между элементами сокращаются. Эффективный диаметр трека ТЗЧ — порядка микрона, например, при энергии протона в 1ГэВ диаметр трека более чем 0,9 мкм [6]. За счет сближения чувствительных областей растет вероятность воздействия ТЗЧ, падающей под пологим углом сразу на несколько узлов, что снижает эффективность применения DICE архитектуры. Принимая во внимание выше сказанное, повышению стойкости к одиночным сбоям от тяжелых заряженных частиц способствует увеличение расстояния между чувствительными стоками транзисторов, поскольку данные будут храниться одновременно в обоих узлах, разнесенных друг от друга, это поможет предотвратить изменение состояния ячейки [7, 8].
В целях защиты от случайных одиночных эффектов (SEE) в работе использовалась DICE ячейка, на основе которой разработан набор D-триггеров с асинхронными сигналами установки, сброса и без них по технологии КНИ 200 нм. Чтобы предотвратить распространение переходного процесса, на выходе триггера стоит C-элемент, который меняет выходное значение при одинаковых сигналах на входах. При дифференциальных сигналах переходит в Z и на нагрузочной емкости хранится предыдущее состояние [8]. На рис. 2 изображена схема триггера с сигналом сброса RN и выходом Q.
Проанализировав схему, изображенную на рис. 1, выделены наборы чувствительных узлов: при Q = 1, стоки транзисторов N0, N2, P1, P3, RN являются чувствительными областями, взаимное расположение между которыми необходимо учитывать на этапе проектирования топологии, при Q = 0, чувствительными областями будут стоки транзисторов N1, N3, P0, P2.
На рис. 3 представлена топология D-триггера с сигналом асинхронного сброса RN, отмечены расстояния между чувствительными парами p-n-переходов, находящихся при обратном смещении в одном из логических состояний. Для эффективного использования площади и обеспечения максимальных расстояний между чувствительными наборами, транзисторы из двух защелок были перемешаны между собой, при этом искусственно площадь не увеличивалась.
На рис. 4 представлена схема D-триггера с сигналом предустановки SN. В чувствительные области добавляются стоки транзисторов с сигналом SN. Топология схемы показана на рис. 5.
В табл. 2 и 3 приведены расстояния между стоками транзисторов, находящихся при обратном смещении, которые могут привести к сбою при одновременном воздействии на них ТЗЧ. Таким образом, увеличение расстояния между чувствительными областями транзисторов уменьшает сектор воздействия ТЗЧ в изотропном пространстве, снижая вероятность инверсии данных в DICE защелке. Использование С-элемента на выходе блокирует распространение SET по нагруженной схеме.
В рамках данной работы также проектировались топология триггера без сигналов сброса и предустановки и триггер, в топологии которого не применялось перемешивание двух разных защелок и, соответственно, не увеличивались расстояния между чувствительными областями. Сравнение площадей триггеров, представленных в табл. 4, показывает, что площадь триггера без дополнительных сигналов меньше площади триггера с сигналом сброса или предустановки на 8 %, но расстояния между критичными узлами также уменьшились. Разнесение чувствительных стоков транзисторов приводит к увеличению площади на 5 % относительно такого же триггера без использования данного метода.
ВЫВОДЫ
В работе представлен разработанный набор D-триггеров с асинхронными сигналами установки, сброса и без них на основе DICE архитектуры с уникальной схемотехнической реализацией. Топология была разработана по технологии КНИ 200 нм. Произведен анализ чувствительных узлов триггера. Выделены наборы транзисторов, взаимное размещение которых влияет на устойчивость триггера к воздействию тяжелых заряженных частиц и требует внимания.
Представлена топология вышеперечисленных вариантов триггера, для создания которой использовался САПР компании Cadence. Произведена экстракция паразитных параметров с помощью продукта компании Mentor Graphics Calibre. На основе этих данных посчитаны времена фронта, среза и задержки (табл. 5).
При создании топологии учитывалось взаимное расположение чувствительных узлов. Для эффективного использования площади и обеспечения максимальных расстояний между стоками, транзисторы из двух защелок были перемешаны между собой, при этом искусственно площадь не увеличивалась. Минимальное расстояние между чувствительными узлами получилось 7,331 мкм, в то время как при обычном расположении расстояние составляло 1,55 мкм. Представленная модификация D-триггера увеличивает площадь на 5 %, но может повысить устойчивость к одиночным сбоям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чумаков А. И. Действие космической радиации на интегральные схемы. — М.: Радио и связь, 2004. — 320 с.
2. Таперо К. И., Улимов В. Н., Членов А. М. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. — М.: Бином, 2012. — 306 с.
3. Calin T., Nicolaidis M., and Velazco R. Upset Hardened Memory Design for Submicron CMOS Technology // Nuclear Science, IEEE Transactions on — 1996, Vol. 43, Issue 6, Part 1, pp. 2874–2878.
4. Зебрев Г. И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах высокой степени интеграции. — М.: НИЯУ МИФИ, 2010. — C. 148.
5. Долотов П. С. Устойчивые к воздействию тяжелых заряженных частиц КМОП блоки статического ОЗУ на основе технологий объемного кремния и «кремний на изоляторе»: дис. канд. техн. наук: 05.13.05/Долотов Павел Сергеевич. Москва, 2015. 183 с.
6. Ольчев С. И., Стенин В. Я. Анализ сбоеустойчивости триггерных элементов с двухфазной структурой // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. — С. 29–38.
7. Стенин В. Я., Черкасов И. Г. Влияние топологии субмикронных КМОП ячеек памяти DICE на чувствительность ОЗУ к воздействию отдельных ядерных частиц // Микроэлектроника. 2011. Т. 40. № 3. — С. 184–190.
8. Стенин В. Я., Степанов П. В. Проектирование базовых элементов памяти на основе ячеек DICE для сбоеустойчивых КМОП 28 нм ОЗУ // МЭС-2014.
9. Mitra S., Zhang M., Waqas S., Seifert N., Gill B., and Kim K. Combinational Logic Soft Error Correction // in Proc. IEEE International Test Conf. on — 2006, pp. 824–832.
10. Lilja K., Bounasser M., Wen S., Wong R., Holst J., Gaspard N., Jagannathan S., Loveless D., Bhuva B. Single-event Performance and Layout Optimization of Flip-flops in a 28-nm Bulk Technology // IEEE Transactions on Nuclear Science — 2013, Vol. 60. № 4, pp. 2782–2788
Отзывы читателей
