Содержание к диссертации
Введение
1. Современные средства автоматизированного проектирования электронной компонентной базы космического назначения, выполненных по глубоко субмикронным технологиям 10
1.1. Анализ состояния и развития современной электронной компонентной базы космического назначения 10
1.2. Основные факторы космического пространства и физические явления в электронной компонентной базе, выполненных по глубоко субмикронным технологиям 16
Выводы 41
2. Разработка методики проектирования и математического обеспечения для моделирования воздействия на схемотехническом уровне проектирования 43
2.1. Методика проектирования современной электронной компонентой базы специального назначения с учетом одиночных событий радиационного характера 43
2.2. Моделирование воздействия ТЗЧ в активных областях элементов микросхем при проектировании 48
2.3. Математические соотношения для тока ионизации, соответствующие глубоко-субмикронным технологиям 54
В ывод ы 61
3. Моделирование одиночных событий на различных уровнях проектирования и алгоритмическая основа определения стойкости к ТЗЧ 63
3.1. Моделирование работы элементов СБИС на схемотехническом уровне при воздействии ТЗЧ 63
3.2. Моделирование работы СБИС на функционально-логическом уровне 68
3.3. Алгоритмическая основа моделирования отказов на глубоко-субмикронных технологий 80
Выводы 84
4. Результаты внедрения и оценка адекватности и эффективности разработанных программных средств 86
4.1. Особенности разработанного программного обеспечения и его внедрение в САПР сквозного проектирования 86
4.2. Методика моделирования работы СБИС на функционально-логическом уровне 89
4.3. Внедрение предложенных средств и оценка адекватности моделей 95
Выводы 98
- Основные факторы космического пространства и физические явления в электронной компонентной базе, выполненных по глубоко субмикронным технологиям
- Моделирование воздействия ТЗЧ в активных областях элементов микросхем при проектировании
- Моделирование работы СБИС на функционально-логическом уровне
- Методика моделирования работы СБИС на функционально-логическом уровне
Основные факторы космического пространства и физические явления в электронной компонентной базе, выполненных по глубоко субмикронным технологиям
В современном мире изделия микроэлектроники являются одним из важнейших факторов развития научно-технического потенциала любой страны. Они определяют развитие многих отраслей, в том числе и космическую технику. Именно способность микроэлектронных устройств сохранять работоспособность в различных условиях внешних воздействий, таких как радиация, механические нагрузки, температура, во многом определяет в настоящее время длительность функционирования космических летательных аппаратов в космосе.
Для построения космических летательных аппаратов используется электронная компонентная база, которая состоит из диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, микросхем и других элементов. Среди всех этих компонентов наибольшее значение имеют микросхемы, так как именно в них сосредоточены последние достижения современной науки и промышленности. Данное направление в нашей страны отнесено к критически важных технологиям, что говорит об уровне и приоритете этой отрасли, так как технологии ее развития оказывающие непосредственное влияние на темпы развития всей промышленности.
Современная микроэлектроника развивается быстрыми, опережающими темпами. Происходит быстрое уменьшение проектных норм, возрастают функциональные возможности изделий, и уменьшается потребляемая мощность, внедряются новые технологии создания изделий микроэлектроник, методы проектирования, способы планирования и реализации проектов. Для этого фундаментально исследуются и детализируются интегральные и локальные физические процессы в полупроводниковых структурах, которые перешли в нанометровый и сверхнанометровый диапазон. В этих условиях крайне высока ответственность исполнителей проектов - необходимо добиваться высокой безошибочности проектирования, при меньших временных и материальных затратах.
До недавнего времени отечественная микроэлектроника имела большой, постоянно увеличивающийся уровень отставания. Закрепилось мнение, что отрасль практически не развивается, и ей не занимаются. Однако [1], в 2008 году темпы роста микроэлектроники в России были значительно увеличены и составили почти 25 %, в следующим 2009 году — темпы несколько упали, из-за мирового кризиса (15 %,) однако это все равно превышало темпы роста других отраслей российской промышленности, в 2010 году снова рост составил почти 25% [1]. Это позволило заявить заместителю министра промышленности и торговли РФ Борисову Ю.И. о том, отставание российских производителей от западных в данной области сократилось до 5 лет (до 2005 года оно оценивалось не менее, чем в 20-25 лет)[1]. При этом сокращение технологического отставания было присуще практически всем предприятиям РФ, но ведущая роль была у компаний «Ангстрем» и «Микрон». Эти компании - одни из крупнейших производителей микросхем не только в России, но и Восточной Европе [2-4]. Достаточно сказать, что экспортируется до 20 % продукции «Микрона». [2].
Развитее технологии средств проектирования, материально-техническое обеспечения быстрыми темпами привели к созданию нового объекта -"система на кристалле" (СнК). Рассматривая ЭКБ можно сказать, что первоначально системы на кристалле» возникли как совокупность нескольких микросхем, которые представляли собой отдельные компоненты, а объединение осуществлялось на уровне обмена данными. В то время они назывались «системы в кремнии», но фактически это не была «система», а лишь набор отдельных микросхем. Только с развитием методов проектирования, глубокой интеграции таких микросхем закрепилось название «система на кристалле». В дальнейшем такие разработка приобрели роль «системы». Она представляет собой сложную интегральную схему, интегрирующую в себе все основные функциональные элементы системы в одном корпусе [5-8].
Компоненты такой системы приведены на рисунке 1.1. Они включает в себя как минимум один программируемый процессор, внутрикристалльную память, аппаратно-реализованные ускоряющие функциональные элементы. В состав СнК также включаются интерфейсы с периферийными устройствами и/или с внешней средой. В настоящее время все такие системы имеют аппаратные и программные компоненты. Так как СнК схемы взаимодействуют с внешней средой, они часто должны включать аналоговые компоненты. В последнее время СнК стали включать помимо цифровых еще и аналоговые компоненты. Проводятся работы в которых предусматривается содержание оптических и механотронных компонентов, что позволит значительно уйти вперед в части обеспечения различных свойств СнК и возможностей по реализации самых различных функций [9,10]. С развитием технологий происходит значительное увеличение числа микропроцессово на одном кристалле. Их принято реализовывать в виде ядер. В результате СнК стали представлять собой несколько микропроцессоров и блоков периферии с памятью и портами ввода-вывода информации.
Стоит отметить, что реализация СнК может быть как на одном кристалле (классический вид), так и на нескольких кристаллах, но при этом важным условием является реализация в одном корпусе. Реализация на нескольких кристаллах получило название - «Система в корпусе» (СвК)). Это сложная система, которая размещает несколько кристаллов в одном корпусе. Для таких систем решаются задачи оптимизации проектирования компонентов, монтажа и производства кристаллов. Для их решения необходимо было создать специальные средства проектирования, которые позволяли выполнить задачу соединения выводов. Они получили общее название 3D. Не менее важной задачей была интеграция в одном корпусе цифровой и аналоговой части. В настоящее время она по-прежнему является актуальной. СнК делятся на программируемые и конфигурируемые. Основные свойством конфигурируемых СнК является возможность изменения различных интерфейсов (как внешних так и внутренних). Основным свойством программируемых СнК - это возможностью изменения логики как отдельных, так и всех процессов передачи и преобразования информации.
Моделирование воздействия ТЗЧ в активных областях элементов микросхем при проектировании
Если рассматривать СБИС в целом, то можно отметить, что величина сечения эффектов как для ТЗЧ, так и для протонов носит плавный характер. Это происходит потому, что с одной стороны, каждый элемент имеет свои конструктивно-технологические особенности, с дугой стороны, частицы даже высоких энергий, могут пересекать микросхему на некотором удалении от чувствительной области и величина собранного заряда может не превысить критическое значение. В результате зависимость сечения эффекта а(Х) или а(р) от энергии частиц носит не пороговый, а плавный характер, как показано в соотношениях (1.3) или (1.6).
Действительно, индивидуальные особенности, элементов значительно различаются, кроме того существует и технологический разброс параметров разбросом отдельных элементарных ячеек СБИС, поэтому при попадании частицы непосредственно в чувствительную область элемента величина порогового критического заряда не будет постоянной величиной. Она изменяется от некоторого минимума до максимума, в зависимости от конструкции, схемотехнических решений и технологического разброса параметров (если вся СБИС выполнена по одной технологии) и это соответствует зависимостям а(р), a(L).
Если частица не попадает в чувствительный объем, то помимо влияния конструктивных и схемотехнических решений, разброса технологии, наблюдается и возможность прохождения высокоэнергетической частицы через не активные области микросхемы, что не приводит к возникновению ОС.
Следовательно, существует некоторая пороговая величина энергии частицы с которой начинается ОС - она соответствует величине на зависимостях (1.3) или (1.6) в точке совпадения ее с ось X. Существует и величина порогового заряда 2поР, которую можно определить как величину заряда, который вызывает переключение элемента с такими конструктивными параметрами, которые наиболее критичны к воздействию частиц.
Различные средства проектирования СБИС учитывают данные явления, однако до сих пор четкого моделирования таких событий не произошло, так как изменяются конструктивные и схемотехнические решения, изменяется технология, что приводит к необходимости постоянно совершенствовать данные модели. Это хорошо видно из рисунка 1.5.
На нем показано воздействие ТЗЧ на элементы памяти для микросхем с технологическими нормами 90нм.
Зелеными прямоугольниками отмечены ячейки памяти. NWELL - это подложка. Серыми и черными прямоугольниками отмечены шины металлизации. Черными кругами обозначено воздействие ТЗЧ. В результате при попадании первой частицы выходят из строя ожидаемо только одна ячейка памяти. Во втором случаи выходить должно две ячейки памяти, так как частица попадает между ними. Но в реальной схеме заряд частицы проходит по шине металлизации и выводит из строя пять ячеек памяти. В третьем случаи мы наблюдаем аналогичную ситуацию. Частица попадает между четырьмя ячейками памяти, но из-за особенности топологии заряд распространяет по шине металлизации, в результате чего происходит значительный выход из строя ячеек памяти. В четвёртом случаи заряд попадает между двумя ячейками памяти и выыодит из строя ожидаемо два элемента
Следует сделать вывод, что при защите микросхем от возникновения ОС необходимо помимо классических методов защиты учитывать топологию схемы.
Если говорить о средствах проектирования в современном мире, то можно констатировать, что существует большое количество САПР. Среди них лидирует три компании это САПР фирмы Cadence Design System, Synopsys, Mentor Graphics. Эти фирмы фактически определяют рынок продаж и решают фактически все задачи проектирования микросхем [19-23]. САПР фирм Cadence Design System занимает большую часть рынка по показателям объема продаж.
Стоимость программных продуктов лидирующих фирм колеблется в пределах от 100 тысяч до 500 тысяч долларов, и зависят только от конфигурации. Некоторые программные продукты достигают до 1 млн. долларов. Версия для ВУЗов для одной лицензии минимального, но достаточно полного набора составляет до 50 тысяч долларов.
С помощью данных фирм можно провести проектирование практически любой микросхемы. Программные продукты обладают универсальностью. Это позволило широко распространить средства проектирования. Все САПР данных фирм, исторически, работают на платформе UNIX и на рабочих станциях фирмы HP. Такой подход ограничивает продажу данной продуктов, но заметно повышает системность и надежность при проектировании СБИС.
Следует отметить, что на рынке присутствуют и другие компании, доля которых составляет не менее 30-20%. Они специализируются на определенных классах микросхем, таких как базово матричные кристаллы, память, программируемые логические микросхемы и т.д. В сравнение с полномасштабными САПР, такие продукты не обладают универсальностью, но позволяют провести маршрут проектирования быстрее с обеспечением необходимой степени без дефектности, что и обеспечивает им дальнейшее существование на рынке продаж программных продуктов. К данным фирмам относятся Micro Sim, которая предлагает САПР Design Lab, Viewlogic, которая создала основной продукт Workview Office, Tanner Research с разработанной системой проектирования Tanner EDA Tolls), фирма Chipshop и другие. Ключевым преимуществом данных фирм явлеется реализации на компьютеррах платформы PC и низкая стоимость. ИХ средсва обладают полнотой и обеспечивают безошибочное проектирования е хуже чем лидеры рынка. Недостатки данных фирм - отсутствие универсального подхода и некоторых возможностей проектирования и поддержки проекта, которые присутствуют у фирм Cadence, Mentor и др.
Следует отметить, что достаточно большое число, специализируются на создании специальных подсистем САПР для решения узких задач проектирования. Например, программируемых логических СБИС. Лидирует в этом направлении фирмы Xilincs и Altera. Их программные продукты включают специальные средства ввода проектов, логического синтеза и моделирования с использованием собственных библиотек. Средства ввода проектов включают схемные редакторы, языки представления и реализации описания аппаратуры, с использованием общепринятых стандартов VHDL и Verilog, кроме того возможен ввод данных с использованием схем конечных автоматов. Логический синтез, проводится с использованием стандартных языков VHDL и Verilog, которые соответствуют синтезу, проводимым фирмами Cadence, Synopsys и Mentor. Библиотеки функциональных блоков, которые реализованы в указанных пакетах совместимы с программными продуктами фирм Cadence, Synopsys и Mentor. Они могут встраиваться в библиотеки ведущих фирм Cadence, Synopsys и Mentor на уровне данных, также могут быть реализованы для логического моделирования в программных продуктах Xilincs и Altera библиотеки ведущих фирм Cadence, Synopsys и Mentor. Кроме того реализованы различные методы продажи лицензий, их обновления, включения новых версий. Причем стоимость эти САПР достаточно низка по сравнению с полномасштабными САПР. Это порядка 4-7 тыс. долларов за одну лицензию для промышленных предприятий и 500-700 долларов для ВУЗов.
Моделирование работы СБИС на функционально-логическом уровне
Рассмотрим этот этап более подробно. Основой моделирования на данном уровне фактически выражается в логической верификации проекта. Вначале схема описывается на языке высокого уровня (VHDL/Verilog), затем дважды осуществляется моделирование. Для первого этапа моделирования используются стандартные функциональные модели элементов, при этом временные характеристики принимаются усредненными со средними значениями нагрузочных способностей для существующего технологического процесса. Для того, чтобы провести полное тестирование всех режимов модели используется специальная тестовый испытательный имитатор или оболочка (testbench). Затем проводится итеративный синтез электрической (логической) схемы. После данного этапа результатом синтеза будет файл связей логических элементов (netlist). Он использует библиотечные элементы, а также все необходимые задержки распространения сигнала, что содержится в файла -standard delay file, SDF. После этого производится второе моделирование или моделирование с реальными задержками распространения сигнала и фактическими нагрузочными способностями - netlist уже. Для этого используется фактически та же самая испытательная оболочка (testbench). Возникновение неисправных состояний, нарушение работоспособности в таком случае связано с изменением нагрузочных способностей, допустимых времен библиотечных элементов, возникновением так называемых «гонок» фронтов и пр.
Собственно неисправности, которые возникают вследствие радиационного воздействия а, именно, различные отказы осуществляется при вторичном моделировании работы электрической схемы. При этом единственной возможностью учесть радиационные эффекты становиться метод расширения библиотеки элементов, которая добавляется элементами характерными для различных доз или мощностей доз - это так называемые «неисправные элементы». Учитывая различные виды проявления радиационных эффектов число таких «неисправных» элементов может быть значительным. Такая библиотека может быть получена при изменении нагрузочных способностей, задержек распространения сигнала и т.п. Это достигается новыми логическими элементами с новыми характеристиками. Обычно библиотека характеризуется по дозе и мощности дозы. Стандартно используется три значения мощности дозы или дозы. Промежуточные точки могут быть получены аппроксимацией имеющейся зависимости [79,80].
Следовательно, возникает задача разработки специальной библиотеки элементов, в которой наряде с традиционными элементами дополнительно включены элементы, описывающие воздействие радиации как статического, так и импульсного излучения. Работоспособность микросхемы проверяют стандартными методами проверки на функционально-логическом уровне. Однако при этом используется новая расширенная библиотека элементов [81-86].
Моделирование неисправностей инвертора на функционально-логическом уровне Рассмотрим, как будет осуществляться моделировнаие инвертора на функционально-логическом уровне, так как инвертор фактически является базовым логическим элементов всех цифровых СБИС.
Известно, что уровень логического нуля инвертора положим равным нулю, а величину уровня логической единицы установим равным напряжению питания, тогда U 1 U ; UBbIX 0. Установим, что напряжение переключения для инвертора может быть описано следующей формулой[86]: где Uпит - напряжение питания, U0p - пороговое напряжения транзистора с р-каналом, и0п - пороговое напряжения транзистора с п-каналом, К - есть отношение приведенной крутизны транзисторов с п-каналом к приведенной крутизне транзистора с р-каналом.
Радиационное воздействие статического вида приводит к возрастанию тока потребления и изменении порогового напряжения.
Возрастание тока потребления связано с увеличением токов утечки, так как ток потребления целиком определяется токами утечки транзисторов с п-каналом и р-каналом, которые находятся в состоянии логического нуля или единицы. Увеличение тока потребления вызвано расширением области из-за радиационного воздействия и транзисторы с п-каналом и р-каналом проводят ток.
Если величина тока потребления превышает норму ТУ, то данный транзистор нужно считать неисправным.
Изменение порогового напряжения заметно влияет на расширение области входных напряжений, которые ограничены значениями пределов UBX0T. и ивх.з-, ОТ которых зависит величина сквозного тока в инверторе.
Изменение порогового напряжения напрямую влияет на максимальное значение помехи переключения из состояния логической единицы в состояние логический нуль и из состояния логического нуля в состояние логическую единицу, а также на напряжение переключения Unep. Если изменения Unep составит более 80%, то в этом случае помехоустойчивость будет недостаточной. Данная деградация будет проявляется в сдвиге стоковой передаточной характеристики. Величина сдвига новой передаточной характеристики может составить такие значения, при который инвертор не сможет выполнять свою логическую функцию. Заметим, что изменение помехоустойчивости приводит также к изменению нагрузочной способности элемента, которая уменьшается и величина таких значений также может привести к к неспособности инвертора управлять следующим элементом.
В таких случаях инвертор будет находится в неисправном состоянии. Неисправное состояние также может быть определено в случае, если произойдет увеличение времени распространения сигнала. Обычно, если увеличение превысит величину 400%, то можно такое состояние инвертора также отнести к неисправному. Данное утверждение относиться к инверторам, для которых не установлены нормы ТУ, т.е. инверторах, находящихся внутри микросхем.
Если говорить о тактируемых микросхемах, то можно говорить о возрастании среднего времени задержки tcp, которое увеличивается при увеличении порогового напряжения. Если для инвертора определены в ТУ нормы на время задержки распространения сигнала, то неисправным принято считать инвертор, для которого величина времени задержки переключения выдут за норму ТУ.
Методика моделирования работы СБИС на функционально-логическом уровне
Для оценки адекватности моделирования проводились испытания микросхем с использованием предложенных методов защиты и без них [94-97].
Испытания проводились на микросхемах выбраны микросхемы 1882ВЕ53У, выполненные по технологии КМОП 0,35 мкм (без применения защиты ОЗУ и ПЗУ), 1882ВЕ53УМ технология - 0,35 КМОП X-Fab (резервирование ОЗУ - три блока по 512 байт, "регенерация" ОЗУ - постоянное чтение и перезапись в случае обнаружение ошибки, резервирование всех триггеров, защита кодом Хэмминга памяти данных и памяти команд) и 1830ВЕ32У (Танк-5) выполненные по технологии 0,5 мкм КМОП/КНИ НИИСИ РАН (резервирование ОЗУ - три блока по 256 байт).
Экспериментальные исследования проводились на циклотроне У-400М при воздействии ионов Кг84 с JiTO(Si) - 40 МэВ (для ИС 1882ВЕ53У, 1882ВЕ53УМ) и ионов Хеш с ЛГО(8і) - 60 МэВ (для ИС 1830ВЕ32У).
Для проведения радиационных исследований была разработана и изготовлена специализированная тестирующая плата (рисунок 4.3), позволяющая осуществлять функциональный контроль серии 8-разрядных микроконтроллеров с архитектурой MCS-51 и включающая в себя следующие основные функциональные узлы: ПЗУ команд объемом 64К 8 на основе электрически стираемой и программируемой flash-памяти АТ29С512; ОЗУ данных объемом 32К 8 UM62256, защелка адреса - восьмиразрядный регистр 74AC373SMT; формирователь сигналов - четыре логических элементов 2И 74АС08 и дешифратор - демультиплексор 3 на 8 74НС138; устройство сброса -с использованием супервизора TLC7733 IP; ИС МАХ3232 - приемопередатчик, согласующий уровни стандарта RS-232 с цифровыми уровнями.
В качестве генератора тактовых импульсов используется внутренний генератор исследуемой ИС при подключении к выводам XTAL1 и XTAL2 кварцевого резонатора 24 МГц с двумя согласующими конденсаторами.
Питание платы осуществляется от внешнего источника постоянного тока напряжением 8 - 12 В, при этом используются стабилизаторы напряжения ИС LM317 и LM317L, формирующие напряжения +5 В и +3,3 В.
При исследовании ОС и ТЭ напряжение питания ИС, а также платы подавалось от разных источников питания, при этом ток потребления ИС измерялся с помощью автоматизированной измерительной системы на базе ПК. В случае возникновения ТЭ предусмотрено автоматическое ограничение тока потребления, которое устанавливалось на уровне 100 мА. Кроме того, обеспечивалось кратковременное отключение источника питания при возникновении ТЭ. Исследуемые ИС устанавливались в контактирующее устройство УК48-4С. На плате установлены драйверы и интерфейсные разъемы портов СОМІ и COM2 для двунаправленного обмена информацией (для связи ИС с компьютером через его последовательный порт RS-232).
В процессе облучения при осуществлении ФК и измерении тока потребления исследуемых ИС используются 4 компьютера: 2 в качестве управляющих (для источников питания и платы тестирования) расположенных в облучаемой зоне и 2 в качестве удаленных ПК расположенных в измерительной комнате соединенных через Ethernet (кросс) кабель.
Для проверки функционирования ИС в процессе воздействия ТЗЧ была разработана программа, с помощью которой происходит последовательная запись чисел FFh, 00h, 55h, AAh (контроль ОЗУ). Сначала производится запись числа FFh в каждую ячейку ОЗУ с последующим считыванием ОЗУ, затем числа 00h, и так далее в указанной выше последовательности.
При исследовании ПЗУ (для ИС «Тема-3» и «Тема-ЗМ») происходит последовательная запись чисел FFh, 00h, 55h, AAh. Сначала происходит стирание ПЗУ, запись числа FFh в каждую ячейку ПЗУ, затем числа 00h, и так далее в указанной выше последовательности.
По окончании записи и чтения всех четырех чисел весь цикл повторяется. Программа выполняет подсчет количества отказов и сбоев исследуемой микросхемы при воздействии ТЗЧ.
Результаты испытаний показали повышение сбоеустойчивости микросхем 1882ВЕ53УМ по сравнению с остальными, присутствующими в эксперименте. Так при воздействии ионов Кг84 с JIQ3(Si) - 40 МэВ на микросхему 1882ВЕ53УМ были зафиксированы только тиристорные эффекты.
При воздействии ионов Кг84 с Jm3(Si) - 40 МэВ на микросхему 1882ВЕ53У (Тема-3) были зафиксированы и одиночные сбои, и тиристорные эффекты. При воздействии ионов Хеїзі С JITI3(SI) - 60 МэВ на микросхему 1830ВЕ32У (Танк-5) были зафиксированы только одиночные сбои.
На основе полученные средств были реализованы библиотечные элементы, которые использовались при проектировании микросхем космического назначения [98-103]. На основе этих блоков были реализованы микросхемы 1867ВМ7 и 1867ВМ7Т. Результаты испытаний и теоретических оценок приведены в таблице 4.1.
