Введение к работе
Актуальность проблемы. Известно, что изделия микроэлектроники имеют самое широкое применение во всех отраслях промышленности, в том числе в космических летательных аппаратах. Их применение в условиях космоса стало возможным только при защите от целого ряда дестабилизирующих факторов, одним из которых является радиационное воздействие. В последнее время среди компонент космического излучения наибольшую актуальность приобрело воздействие тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ).
Современный уровень развития микроэлектроники характеризуется резким уменьшением проектных норм, увеличением степени интеграции, внедрением новых передовых технологий, развитием новых методов проектирования с использованием макрофрагментов, которые получили название сложные функциональные блоки (СФ-блоки). В этих условиях радиационные эффекты от воздействия ТЗЧ стали носить доминирующий характер. Эти эффекты получили название одиночные события, вследствие случайного проявления, связанного со случайным прилетом частицы во времени. Они проявляются в отказах ячеек памяти, временного функционального отказа, тиристорного эффекта и необратимого отказа. В этих условиях разработчики ЭКБ космического применения уже не могли повысить производительность работы и функциональную полноту микросхем простым увеличением числа элементов за счет уменьшения проектных норм. Необходимы были специальные методы защиты.
Развитию таких методов уделялось значительное внимание, но в основном оно сводилось к структурной избыточности элементов и применению специальных методов защиты (коды Хемминга и т.п). Это работы сотрудников ФГУП «НИИЭТ» Ачкасова В.Н., Крюкова В.П., Потапова И.П., Конарева М.В., ОАО «НИИСИ РАН» Бетелина В.Б., Осипенко П.А., НПО «СПЕЛС» Никифорова А.Ю, Чумакова А.И. ФГУП «НИИП» Улимова В.Н., Таперо В.К., Емельянова В.В. и др. Дальнейшее развитие данной темы должно проходить в более детальном рассмотрении физических процессов и автоматизации оптимального сочетания различных методов защиты. Ранее реализация методов защиты практически повсеместно сводилось к искусству конструктора проектировщика и поэтому обладало всеми недостатками «человеческого фактора». Решение этих задач достигалось, как правило, развитием одного метода в ущерб другому. В современных условиях перехода на глубоко субмикронные технологии возросла роль оптимального сочетания различных методов защиты. Поэтому назрела необходимость обеспечить автоматизацию проектирования специальных микросхем, устойчивых к воздействию ТЗЧ. Для этого должны быть созданы специальные средства проектирования, которые позволили бы обеспечить защиту от возникновения одиночных событий с «максимальной независимостью от человеческого фактора». При этом важным условием реализации таких методов является комплексное сочетание методов защиты: структурной избыточности, применение кодов Хемминга, изменения частоты работы и т.п.
Таким образом, для создания радиапионно-стойких микросхем космического назначения в области теории и разработки САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали своего решения.
Диссертация выполнена по программам работ Министерства образования и науки, Министерства промышленности и торговли, которые были реализованы в НИР и ОКР, выполняемых научно-образовательным центром ФБГОУ ВПО «ВГЛТА»: «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования радиационного воздействия и разработка первого варианта радиапионно-стойких библиотек элементов», «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования физических процессов сложных транзисторных структур» и др., а также с грантами РФФИ 08-07-99006-р_офи
«Развитие средств проектирования изделий микроэлектроники в части моделирования радиационных эффектов и создание на их основе микроконтроллера 1874ВЕ36 с высоким уровнем радиационной стойкости», 12-08-31439 «Средства проектирования и управления проектами электронной компонентной базы» в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научному направлению ФБГОУ ВПО (ВГЛТА) «Разработка средств автоматизации управления и проектирования (в промышленности)» №01.2.00609244.
Объектом исследования является автоматизированное проектирование сбоеустой-чивых сложных функциональных блоков микроэлектроники.
Предметом исследования являются модели и алгоритмы моделирования воздействия ТЗЧ и автоматизации проектирования устойчивых к воздействию тяжелых ядерных частиц СФ блоков микросхем космического назначения.
Цель исследования состоит в создании методов, моделей и алгоритмов моделирования одиночных событий и обеспечение сбоеустойчивости современных комплементарных СБИС (КМОП СБИС), выполненных по глубоко субмикронным технологиям. Для ее достижения необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ современного состояния средств автоматизации проектирования сбоеустойчивых СФ блоков, определить проблемы и направления их развития.
-
Сформулировать требования, определить целевые задачи и методику проектирования СФ блоков КМОП СБИС, стойких к воздействию ТЗЧ, выполненных по субмикронным технологиям.
-
Разработать математические модели локальных радиационных эффектов, возникающих в СФ блоках КМОП СБИС при воздействии ТЗЧ космического пространства.
-
Сформулировать научную задачу обеспечения стойкости СФ блоков при комплексном сочетании основных методов их защиты от одиночных событий и определить алгоритм ее решения в условиях ограничения ресурсов.
5. Получить вероятностные оценки увеличения стойкости СФ блоков при сочета
нии основных методов их защиты от воздействия ТЗЧ.
-
Разработать алгоритмическое и программное обеспечение для проектирования сбоеустойчивых КМОП СБИС космического назначения, провести реализацию разработанных средств и их интеграцию в единую программную среду проектирования КМОП СБИС космического назначения.
-
С помощью разработанных средств осуществить проектирование сбоеустойчивых микросхем, что позволит оценить адекватность и эффективность предложенных средств.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы: теория вычислительных систем, автоматизации проектирования; аппарат вычислительной математики, а также теория построения программ; методы модульного, структурного и объектно-ориентированного программирования; имитационное, структурное и параметрическое моделирование; экспертные оценки, вычислительные эксперименты.
Научная новизна. В результате проведенного исследования получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
- методика автоматизации проектирования сбоеустойчивых СФ, отличающаяся возможностью комплексного обеспечения стойкости к одиночным событиям на основе различных методов защиты для современных изделий микроэлектроники в соответствии с КГС «Климат-7» и руководящими документами развивающими его;
математические модели локальных радиационных эффектов в чувствительном объеме элемента КМОП СБИС, отличающиеся учетом одиночных событий радиационного характера в соответствии с КГС «Климат-7» и руководящими документами, развивающими его для СБИС высокой степени интеграции, выполненных по глубоко субмикронным технологиям;
алгоритмы обеспечения устойчивости СФ блоков КМОП СБИС к воздействию ТЗЧ, отличающиеся возможностью комплексного оптимального сочетания методов структурной, временной и программной избыточности в условиях ограниченного ресурса;
расчетные вероятностные оценки параметров стойкости СФ блоков КМОП СБИС к воздействию ТЗЧ, отличающиеся возможностью получения количественных оценок при комплексном сочетании различных методов защиты.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
- методика автоматизации проектирования сбоеустойчивых СФ блоков;
математические модели локальных радиационных эффектов в чувствительном объеме элемента КМОП СБИС;
алгоритмы обеспечения устойчивости СФ блоков КМОП СБИС к воздействию ТЗЧ;
расчетные вероятностные оценки параметров стойкости СФ блоков КМОП СБИС к воздействию ТЗЧ.
Практическая значимость и результаты внедрения. Предложенные методы, средства и программные продукты для комплексного проектирования КМОП СБИС двойного назначения внедрены на ФГУП «НИИЭТ» с экономическим эффектом более 1 млн. рублей в год при реализации одного проекта, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» для направления подготовки «Информационные системы и технологии» и дополнительного образования «Разработчик профессионально-ориентированных компьютерных технологий. Специализация микроэлектроника». Анализ результатов внедрения показал их высокую эффективность. Разработанный комплекс методов, моделей, алгоритмов и программного обеспечения позволяют существенно увеличить возможности проектирования СБИС с учетом радиационной стойкости. Основной практический вывод диссертационной работы заключается в создании средств проектирования современной элементной базы, выполненной по субмикронным технологиям, учитывающих одиночные события за счет радиационного воздействия, реализованных на единой методологической платформе, что позволяет широко их распространить на предприятиях аналогичного профиля.
Соответствие паспорту специальности. Согласно паспорту специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования, задачи, рассмотренные в диссертации, соответствуют областям исследований:
1. методология автоматизированного проектирования в технике, включающая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР;
3. разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП.
Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях по выполнению НИР и ОКР на головных предприятиях электронной промышленности.
Основные результаты работы докладывались на отраслевых конференциях и научных семинарах Министерства промышленности и торговли, российских конференциях:
Российской академии наук "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлек-тронных систем (МЭС)" (Москва 2010, 2012 год), центра испытаний элементной базы «Стойкость-2011» (Москва 2011), Интеллектуальные технологии будущего. Естественный и искусственный интеллект (Воронеж - 2011), Российско-белорусской конференции «Элементная база отечественной электроники» (Нижний Новгород - 2013).
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 35 работ, включая 9 работ в журналах, входящих в перечень определенных ВАК, авторские свидетельства. Общий объем всех публикаций 112 с (лично автором выполнено 69 с).
Личное участие заключается в определении цели и задач работы [1-3,10], в выполнении научно-технических исследований [10-14, 34, 35], разработке и анализе моделей [4-8, 15, 18, 19], разработке алгоритмов [9,10, 12-28], разработке методики проектирования [6, 7, 16, 17, 29], программной реализации [30-32] и аппаратной реализации [8, 33].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения. Материалы диссертации изложены на 130 страницах, включая 105 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 3 таблицы, список литературы из 106 наименований и 2 приложения.
