Методы и средства автоматизации проектирования сбоеустойчивых комбинационных схем Тельпухов Дмитрий Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы. В условиях длительного автономного

функционирования, под воздействием высокого уровня радиации, космического излучения и других экстремальных факторов на первый план выходят требования к надежностным характеристикам микроэлектронных средств. Выход из строя или нарушение корректной работы бортовых управляющих систем может нанести непоправимый вред и привести к огромным убыткам.

Обеспечение повышенной надежности функционирования

микроэлектронных схем и систем включает в себя большой набор разнородных
методов и подходов, классификация которых может быть произведена как по уровню
абстракции при описании микроэлектронных устройств, так и по критерию,
связанному с областью приложения данных методов. С точки зрения области
приложения, отдельно выделяют методы обеспечения сбое- и отказоустойчивости
цифровых и аналоговых блоков, методы обеспечения помехоустойчивости в рамках
задач передачи, хранения, а также целостности сигналов (Signal integrity), методы
повышения надежности процессоров, конечных автоматов, ячеек памяти,
комбинационных схем и различных реконфигурируемых систем в базисе ПЛИС.
Кроме этого, повышение надежности интегральных схем может производиться на
различных уровнях разработки: конструкторском, технологическом,

схемотехническом, логическом, микросистемном и т.д. Следует также отметить, что различные комбинации из всего многообразия существующих методов и подходов могут быть беспрепятственно реализованы в рамках одного решения в составе комплексной системы обеспечения повышенной надежности функционирования микроэлектронных устройств.

Классификация методов повышения надежности может быть также произведена исходя из разных видов дестабилизирующих факторов и типов возникающих эффектов. В этом контексте в настоящее время особенно остро встают вопросы, связанные с повышением устойчивости микросхем к так называемым случайным сбоям (soft errors, transient faults). Случайные сбои характеризуются временным нарушением корректной работы внутренних узлов устройств без какого-либо повреждения микросхемы, вследствие чего подобные сбои принято называть обратимыми. Причины, вызывающие случайные сбои в микроэлектронных системах, могут быть различными, однако чаще всего появление сбоев связывают с понятием

одиночного радиационного эффекта (single event effect), который связан с прохождением единичной заряженной частицы через кремний. В качестве основных источников SEE, как правило, выступает космическое излучение, содержащее протоны, нейтроны и тяжелые ионы галактических излучений.

Бурное развитие микроэлектронной промышленности и переход на нанометровые проектные нормы в итоге привели к тому, что одиночные радиационные эффекты стали оказывать влияние не только на память, но и на комбинационные участки интегральных схем (далее – комбинационные схемы): уменьшение размеров чувствительных областей в логических элементах и снижение напряжения питания делают комбинационные схемы более уязвимыми к внешним воздействиям, повышение тактовых частот увеличивает вероятность захвата неправильных значений регистрами, высокая плотность размещения транзисторов увеличивает вероятность появления многократных сбоев и т. д. Эти факторы в сочетании с практическим отсутствием современных методов и средств автоматизированного проектирования, способных обеспечить сбоеустойчивость комбинационных схем, привели к экспоненциальному росту частоты сбоев в комбинационных схемах на базе глубоко-субмикронных технологий. Более того, учитывая современные тенденции, можно утверждать, что актуальность обеспечения сбоеустойчивости комбинационных схем в дальнейшем будет только возрастать.

Несмотря на существенное развитие средств логического синтеза, а также методов кодовой защиты данных, на логическом и микросистемном уровнях проектирования в настоящее время обычно используются традиционные методы кратного резервирования, что приводит к большой аппаратной избыточности при отсутствии достоверных данных о полученных преимуществах в надежностных характеристиках. Поэтому задача создания методов и средств автоматизации проектирования, обеспечивающих устойчивость к случайным сбоям на логическом и микросистемном уровнях, обретает особую актуальность. Диссертационная работа направлена на развитие методов повышения сбоеустойчивости комбинационных микроэлектронных схем.

Объект исследования – системы автоматизированного проектирования сбоеустойчивых цифровых интегральных схем, обеспечивающие автоматизацию проектных процедур и процессов проектирования сбоеустойчивых ИС, получения параметров сбоеустойчивости, а также анализа и синтеза проектных решений.

Предмет исследования – подсистема обеспечения сбоеустойчивости комбинационных схем, методы оценки устойчивости к случайным сбоям, комплексные решения для проектирования систем функционального контроля комбинационных схем.

Цель работы состоит в создании комплекса методов, алгоритмов, программных средств для автоматизации проектирования комбинационных

микроэлектронных схем, устойчивых к случайным сбоям, возникающим в частности
вследствие воздействия одиночных заряженных частиц. Поставленная цель работы
охватывает вопросы разработки эффективных метрик для оценки параметров
сбоеустойчивости, методов повышения устойчивости комбинационных схем к
случайным сбоям, методов обнаружения ошибок, а также принципов организации
маршрута проектирования. Для достижения обозначенной цели в рамках
диссертационной работы были поставлены и решены следующие основные задачи,
направленные на развитие теории построения сбоеустойчивых комбинационных
схем, включая методы оценки параметров сбоеустойчивости, а также развитие
информационного и программного обеспечения методов проектирования

сбоеустойчивых комбинационных схем:

1. Классификация дестабилизирующих воздействий и возникающих вследствие этого эффектов; классификация существующих методов обеспечения сбоеустойчивости комбинационных микроэлектронных схем; анализ современных средств САПР для проектирования сбоеустойчивых интегральных схем.

2. Разработка технологически-независимых метрик для оценки устойчивости комбинационных схем к случайным сбоям, а также эффективных методов их вычисления. Получение экспериментальных оценок точности и вычислительной сложности предлагаемых метрик.

3. Разработка методов повышения устойчивости комбинационных схем к случайным сбоям, включая обобщенные мажоритарные подходы, генетические алгоритмы, а также метод локального ресинтеза.

4. Верификация разработанных методов с помощью средств моделирования воздействия заряженных частиц на топологическом уровне. Оценка релевантности разработанных метрик.

5. Разработка методов и средств автоматизации проектирования схем функционального контроля комбинационных устройств на базе методов избыточного кодирования.

6. Разработка принципов организации маршрута, а также базовых проектных процедур для проектирования сбоеустойчивых комбинационных устройств на основе методов функционального контроля, а также метода локального ресинтеза.

Методы исследования включают использование методов теории САПР, системного анализа, теории проектирования вычислительных систем, генетических алгоритмов, элементов теории вероятностей и математической статистики, средств логического синтеза и компьютерного моделирования.

Научная новизна работы содержится в следующих основных результатах работы:

7. Разработан ряд новых эффективных технологически-независимых метрик устойчивости комбинационных схем к случайным сбоям, включая коэффициент логической чувствительности и усредненную метрику, основанную на параметрах наблюдаемости вентилей, которая является более точной аппроксимацией полинома ошибки по сравнению с ранее известными метриками.

8. Разработаны новые методы анализа проектных решений для оценки сбоеустойчивости комбинационных схем, отличающиеся использованием вероятностных моделей вентилей, а также методов глубокого машинного обучения.

9. Предложен новый метод синтеза проектных решений для более эффективной реализации методов кратного резервирования, отличающийся учетом вероятностного распределения сигналов на выходах схемы.

10. Разработаны новые методы повышения устойчивости комбинационных схем к случайным сбоям на базе генетических подходов, а также на основе метода частичного ресинтеза схемы.

11. Предложен новый метод построения схем функционального контроля на базе двухбитных полей Хэмминга, отличающийся способом организации структуры формирования флага ошибки, за счет передачи сигнала об ошибки с помощью расширенных вентилей.

12. Предложены новые принципы автоматизации проектирования схем функционального контроля комбинационных устройств на основе методов избыточного кодирования, а также маршрут проектирования сбоеустойчивых комбинационных схем на основе метода частичного ресинтеза схемы.

Практическая значимость и результаты внедрения.

Диссертационная работа была выполнена в Институте проблем

проектирования в микроэлектронике Российской академии наук (ИППМ РАН) в рамках госбюджетной НИР (шифр «Вега-Тл-2018»), грантов РФФИ (16-08-00241 а и 16-37-00216 мол_а) и РНФ (14-19-01036) а также в рамках программы № 2 фундаментальных исследований Президиума РАН по стратегическим направлениям развития науки – «Фундаментальные основы технологий двойного назначения в интересах национальной безопасности», шифр «Вега-Пр46-Ст-2016».

Полученные результаты работы в виде методологии, маршрутов, а также средств автоматизации проектирования комбинационных схем, устойчивых к случайным сбоям вследствие воздействия тяжелых заряженных частиц и протонов были внедрены в АО НПЦ «ЭЛВИС», АО «ПКК Миландр», центр микроэлектроники АО «Ангстрем», АО "Зеленоградский нанотехнологический центр", НПК

«Технологический центр», а также в учебный процесс Национального

исследовательского университета «Московский институт электронной техники». Внедрение предложенных в диссертации методов и программных средств позволило расширить диапазон допустимых внешних воздействий и достичь повышенных характеристик надежности микросхем для эксплуатации в жестких условиях воздействия спецфакторов. Использование результатов работы подтверждается актами о внедрении. Предлагаемый маршрут проектирования сбоеустойчивых комбинационных схем согласован с традиционными маршрутами проектирования коммерческих САПР и может быть интегрирован в процесс разработки ИС на других предприятиях схожего профиля.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается
теоретическим обоснованием основных положений, а также экспериментальным
подтверждением основных выводов и результатов. Результаты большого числа
проведенных экспериментов получены с использованием современных

коммерческих средств САПР и согласуются с базовыми представлениями современной науки, что следует из многочисленных отечественных и зарубежных публикаций. Достоверность результатов работы подтверждается также апробацией работы в научных изданиях и выступлениях на научных конференциях, а также внедрением в реальный производственный процесс.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной
работы обсуждались на научных семинарах ИППМ РАН, а также были представлены
на следующих всероссийских и международных научных конференциях: Вторая
Российско-Белорусская научно-техническая конференция «Элементная база

отечественной радиоэлектроники: импортозамещение и применение» им. О.В. Лосева. Нижний Новгород, 17-19 ноября 2015; Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» (Москва 2016, 2018); Конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям IS&IT’ (Дивноморское 2016, 2017, 2018); IEEE EAST-WEST DESIGN & TEST SYMPOSIUM (EWDTS’17), 2017, Novi Sad, Serbia; IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (Moscow 2017, 2018); Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies together with Siberian Conference on Control and Communications (MWENT & SibCon) 2018.

Положения, выносимые на защиту:

1. Коэффициент логической чувствительности к случайным сбоям позволяет

оценивать сбоеустойчивость комбинационных схем на ранних этапах проектирования, так как не зависит от значений вероятности сбоя логических вентилей, однако имеет высокую корреляцию (0,96) с временем бессбойной работы при моделировании воздействия заряженных частиц.

2. Новые эффективные методы оценки сбоеустойчивости, использующие вероятностные представления вентилей, методы глубокого машинного обучения, а также методы, позволяющие гибко управлять вычислительными затратами для достижения требуемой точности получаемых оценок, в совокупности обеспечили ускорение вычислений на ~2 порядка.

3. Новый обобщенный мажоритарный подход к обеспечению сбоеустойчивости логических схем позволил повысить устойчивость комбинационных схем к случайным сбоям (до 60% для некоторых схем), а также сократить аппаратную избыточность воутера (до 50%) по сравнению с традиционными мажоритарными схемами за счет использования неравномерности сигнала на выходе схемы.

4. Методология автоматизированного проектирования сбоеустойчивых комбинационных схем на основе частичного ресинтеза схемы позволяет достичь существенного (до 50% в зависимости от схемы) уменьшения коэффициента логической чувствительности при неизменной, а в некоторых случая и при уменьшенной конечной площади схемы.

5. Маршрут построения сбоеустойчивых комбинационных схем на базе помехоустойчивых кодов и двухбитных полей Хемминга, позволяет автоматизировать процесс построения схем функционального контроля, увеличивая их обнаруживающие свойства за счет распространения флага ошибки по схеме вплоть до выходного декодера.

Публикации. По теме диссертации автором опубликована 31 печатная работа, 25 из которых опубликованы в журналах, входящих в Перечень ВАК, 6 в журналах, индексируемых в Scopus и Web of Science.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 165 наименований и двух приложений и изложена на 308 страницах машинописного текста, содержит 106 рисунков и 26 таблиц.