Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Задачи верификации и генерации тестов сложных цифровых систем 11
1.1 Виды радиационного воздействия, влияющие на различные параметры СБИС 11
1.2 Возможности САПР по учету эффектов радиации 22
1.3 Проблемы верификации и генерации тестов сложных цифровых схем с учетом радиационного воздействия 30
Глава 2 Разработка научных основ построения средств верификации сложных цифровых систем и библиотеки элементов с учетом радиации 44
2.1 Анализ основных неисправностей сложных цифровых систем при радиационном воздействии 44
2.2 Методы создания неисправных вследствие радиационного воздействия библиотечных элементов на схемотехническом уровне 49
2.3 Методы создания неисправных вследствие радиационного воздействия библиотечных элементов на функционально-логическом уровне 69
2.4 Методы преобразования библиотеки элементов схемотехнического уровня в библиотеку элементов функционально-логического уровня с учетом радиационного воздействия 80
Глава 3 Алгоритмы моделирования неисправностей, формирования библиотек и генерации тестов сложных цифровых систем с учетом радиации 90
3.1 Алгоритм преобразования схемотехнического базиса в функционально-логический базис и формирование библиотеки 90
3.2 Алгоритмическая основа генерация тестов с учетом радиационного воздействия на схемотехническом уровне 101
3.3 Алгоритмическая основа составления тестов с учетом радиационного воздействия на функционально-логическом уровне 111
3.4 Алгоритмы моделирования неисправностей радиационного воздействия на схемотехническом и функционально-логическом уровнях проектирования 117
Глава 4 Программное обеспечение для генерации тестов и верификации сложных цифровых схем с учетом радиации 130
4.1 Структура и особенности реализации программных средств синтеза тестов и верификации сложных цифровых схем 130
4.2 Программное обеспечение создания библиотеки неисправных элементов 135
4.3 Методические принципы внедрения разработанных программных средств 139
- Возможности САПР по учету эффектов радиации
- Методы создания неисправных вследствие радиационного воздействия библиотечных элементов на схемотехническом уровне
- Алгоритмическая основа генерация тестов с учетом радиационного воздействия на схемотехническом уровне
- Программное обеспечение создания библиотеки неисправных элементов
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в процессе разработки интегральных схем (ИС) необходимо учитывать новые тенденции в проектировании изделий электронной компонентной базы. Это постоянное снижение проектных норм и увеличение степени интеграции при росте функциональных возможностей, внедрение новых методов проектирования с использованием сложно-функциональных (СФ) блоков, что привело к появлению нового специализированного класса ИС "система на кристалле" (СнК).
Рассматривая микроэлектронику военного и двойного назначения, следует отметить существенные изменения методов проектирования, моделирования и тестирования, связанные с влиянием дестабилизирующих факторов и, прежде всего, радиационного воздействия. Данные изменения вызваны тем, что при переходе на новые глубоко субмикронные проектные нормы стали проявляться и оказывать существенное влияние на работу микросхемы физические явления, которые ранее не проявлялись или не оказывали влияние на работу ИС. Кроме того, уточнение реальной радиационной обстановки и изменение условий эксплуатации привело к необходимости учета новых видов излучения (прежде всего космического пространства) и существенной корректировке «традиционных» видов излучения, что отразилось в новом комплексе государственных стандартов (КГС) «Климат-7» и развивающих его последующих руководящих документах.
Стоит отметить ещё одно важное обстоятельство при проектировании радиационно-стойких сверхбольших интегральных схем (СБИС) - это стоимость разработок. В настоящее время жесткая конкуренция при создании микросхем фактически не оставляет времени на исправление ошибок, которые возникают в процессе проектирования и выявляются при тестировании готового изделия. При создании радиационно-стойких изделий стоимость ошибки только увеличивается, как так разработка таких изделий продолжается более длительное время, требует значительно больших затрат по сравнению с классом нестойких к радиации гражданских изделий и выявляется значительно позднее на стадии приемосдаточных испытаний на воздействие специальных факторов. Поэтому в новых условиях важнейшей задачей является предельное сокращение сроков и стоимости разработки при обеспечении безошибочной проектной информации, что достигается внедрением достоверных моделей поведения элементов и методов тестирования на ранних стадиях проектирования с учетом радиации.
Одной из основных причин длительного времени разработки является сложность синтеза тестовой последовательности и верификации готовых изделий. Существующие алгоритмы синтеза тестовой последовательности ориентированы на выявление одиночных константных неисправностей. Их эффективность заметно падает с увеличением числа вентилей. При этом они совершенно не учитывают особенностей неисправностей, вызванных воздействием радиации на ИС, а также особенности тестирования на радиационную стойкость изделий с отсутствующими производственными дефектами.
Поэтому одной из главных задач создания радиационно-стойкой электронной компонентной базы является разработка подсистемы верификации и генерации тестов, которая бы использовала усовершенствованные алгоритмы, ориентированные на выявление неисправностей, вызванных воздействием радиации. Такая подсистема должна стать компонентом САПР изделий вычислительной техники специального назначения и сократить время верификации за счет введения новых алгоритмов.
Таким образом, выдвинуты актуальные задачи по созданию подсистемы САПР для разработки радиационно-стойких микросхем, которые потребовали своего решения.
Наиболее перспективной технологией создания радиационно-стойких ИС является КМОП технология (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-
полупроводник), так как она обладает высокой функциональной насыщенностью, низкой потребляемой мощностью, малыми затратами на изготовление и значительной наработкой методов повышения радиационной стойкости. Поэтому в данной работе основное внимание уделено изделиям, выполненным на основе КМОП технологии.
Диссертация выполнена по программам важнейших работ Министерства образования и науки по планам НИР и ОКР ФГУП НИИЭТ: «Гармонизация», «Тибр», «Множест-во-ТСВ» и др., а также в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научному направлению ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (ВГЛТА) «Разработка средств автоматизации управления и проектирования (в промышленности)».
Цель работы состоит в разработке научных основ построения средств верификации и генерации тестов сложных цифровых КМОП систем с учетом радиации, на основе комплекса математических моделей, алгоритмов, программных средств моделирования поведения неисправных элементов и методов генерации тестов с учетом радиационного воздействия.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
Провести анализ современного состояния средств синтеза тестов в системах автоматизации проектирования и возможностей учёта в них радиационного воздействия.
Проанализировать основные типы неисправностей, возникающих при радиационном воздействии на СБИС, и сформулировать основные проблемы, возникающие при верификации таких СБИС.
Разработать математические модели неисправных КМОП элементов после радиационного воздействия на схемотехническом и функционально-логическом уровнях.
Разработать и сформировать библиотеку неисправных элементов вследствие радиационного воздействия.
Разработать алгоритмическую основу синтеза структурных, функциональных и случайных тестов, учитывающих особенности импульсного и статического радиационного воздействия на СБИС.
Разработать программное обеспечение подсистемы верификации и синтеза тестовой последовательности, внедрить разработанные средства в единую среду сквозного проектирования дизайн центра.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы: теория автоматизации проектирования, теория вероятности; численные методы вычислительной математики. А также методы модульного, структурного и объектно-ориентированного программирования; имитационное, структурное и параметрическое моделирование, методы системного анализа и вычислительные эксперименты.
Научная новизна. В результате проведенного исследования получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
развиты принципы построения моделей библиотечных элементов на схемотехническом уровне с учётом эффектов импульсного и статического радиационного воздействия, позволяющие учесть критерии неисправностей воздействия радиации в схемах высокой степени интеграции;
разработан метод модификации параметров библиотечных элементов на функционально-логическом уровне, отличающийся возможностью получения неисправных элементов вследствие специального воздействия, позволяющий учесть факторы статического и импульсного излучений в соответствие с требованиями нового комплекса государственных стандартов «Климат-7»;
предложен метод преобразования схемотехнического базиса в функционально-логический базис, в отличие от известных ранее метод позволяет получить библиотеку элементов, содержащую для каждого типа элемента несколько неисправных, учитывающих радиационное воздействие при различных параметрах мощности дозы и накопленной дозы в соответствие с КГС «Климат-7»;
разработана алгоритмическая основа метода синтеза структурных тестов, расширяющая D-алгоритм Рота, в отличие от классического алгоритма разработанный алгоритм позволяет учесть воздействие на логическое состояние элемента токов ионизации и паразитных структур, вызванных импульсным излучением.
Основные положения, выносимые на защиту:
модели неисправных библиотечных элементов на схемотехническом и функционально-логическом уровнях;
алгоритмы синтеза структурных и случайных тестов с учетом влияния радиационного воздействия на схему;
методика осуществления функционального тестирования радиационно-стойких сложных цифровых микросхем;
Практическая значимость и результаты внедрения. На основе предложенных методов, математических моделей и алгоритмов разработано программное обеспечение, которое внедрено в ФГУП «НИИ Электронной техники» (г. Воронеж), ОАО «Воронежский завод полупроводниковых приборов - Сборка» (г. Воронеж). Полученные результаты внедрены в учебный процесс Воронежского института высоких технологий на кафедре информационных систем и технологий в рамках учебных курсов «Электротехника и электроника», «Моделирование систем». Анализ результатов внедрения показал высокую эффективность разработанных средств.
Разработанный комплекс методов, моделей, алгоритмов и программное обеспечение позволяют существенным образом повысить эффективность подсистемы верификации САПР радиационно-стойких КМОП СБИС. Основной практический вывод диссертационной работы заключается в создании средств синтеза тестов с учетом статического и импульсного радиационного воздействия для верификации сложных цифровых микросхем. Универсальность разработанных средств позволяет использовать их на других предприятиях аналогичного профиля.
На основе предложенных методов и моделей создана библиотека неисправных элементов, подвергшихся влиянию импульсного и статического радиационного воздействия, с помощью которой разработано программное обеспечения для синтеза случайных и функциональных тестов.
Полученные средства позволяют определить наиболее критичные к радиационному воздействию блоки и компоненты микросхем и сократить время осуществления функционального контроля, что приводит к существенному экономическому эффекту.
Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях по выполнению НИР и ОКР на ведущих предприятиях электронной промышленности.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (г. Тула, 2008 г.); «Математические методы в технике и технологиях» (г. Саратов, 2008 г.); «Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами» (ИННОВАТИКА-2009); «Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость 2009» (г. Москва, 2009 г.).
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, включая 4 работы, опубликованные в журналах определённых ВАК.
Десять работ написаны без соавторов. В работе [4] автору принадлежит часть разработанных специальных средств проектирования и создание микросхем, обладающих стойкостью к радиации на уровне мировых аналогов. В работах [5, 6, 10] опубликованных в соавторстве, личное участие автора заключается в разработке различных методов синтеза тестов микросхем, в работе [13] автору принадлежит разработка моделей логических элементов с учетом радиационного воздействия. В работе [16] участие автора заключалось в разработке методов моделирования радиационных эффектов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения списка литературы и приложений. Материалы диссертации изложены на 156 страницах, включая 34 рисунка, 8 таблиц, список литературы из 103 наименований и 2 приложения.
Возможности САПР по учету эффектов радиации
Современный рынок систем, автоматизации проектирования (САПР) представлен разработками многих компаний. Рассмотрим современное состояние САПР с учетом их возможностей учета эффектов радиационного воздействия и синтеза тестового обеспечения.
Средства автоматического проектирования прошли долгий путь развития. Вначале они разделялись на САПР для цифровых, аналоговых изделий, схем памяти и др. .Сейчас такого разделения нет. Современные САПР прочти все были модернизированы и включили возможности по проектированию цифровых, аналоговых и смешанных интегральных схем [22, 100].
Наибольшие достижения в разработке подобных САПР достигнуты такими известными фирмами как Cadence Design System, Synopsis, Mentor Craphics (США) [23]. Отдельные эффективные подсистемы САПР разработаны новыми фирмами ML Design, Forte Design, Synplicity и другими [20].
В настоящее время, в современных САПР реализуется единый (сквозной) маршрут автоматизированного проектирования «систем на кристалле», независимый от используемой технологии и от конкретного производителя. Отечественных САПР подобного класса нет, и работы по их созданию в последние 10 лет были свернуты и не финансировались [13].
Фирма Cadence Design Systems лидировала практически на всём протяжении разработки средств САПР. Она занимает первое место в мире по объёмам продаж программного обеспечения. За ней следуют фирмы Synopsys, Mentor Graphics и Avant. Эти фирмы доминируют на рынке и решают практически все задачи по проектированию [13].
Стоимость данных САПР находится в пределах от 100 до 500 тысяч долларов в зависимости от комплекта поставки. Традиционно они работают на UNIX платформах. Разработкой средств САПР занимаются и многие другие мелкие фирмы, их преимуществом является более низкая стоимость, но многие специальные возможности САПР Cadence или Mentor Graphics в них отсутствуют.
Кроме этого, существует целый ряд фирм, которые специализируются на разработке подсистем САПР для решения отдельных задач проектирования в частности для программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). К числу лидеров здесь можно отнести САПР фирм Xilincs и Altera, которые включают в себя средства ввода проекта (схемные редакторы, языки описания аппаратуры на основе стандартов VHDL и Verilog) [51], логического синтеза, пакеты логического моделирования, обширные библиотеки функциональных блоков и т. п.
Разработчики САПР вкладывают огромные средства в развития средств проектирования. В частности ежегодные расходы фирмы Cadence Design Systems составляют около 200 млн. долларов [55], которые расходуются на разработку новых методов и эффективных алгоритмов автоматизированного проектирования, в штате этой фирмы работаю около 1500 программистов.
Необходимость . модернизации САПР продиктована тем, что элементная база постоянно совершенствуется: увеличиваются степени интеграции, уменьшаются проектные нормы, разрабатываются и внедряются новые технологии. Касательно САПР радиационно-стойких схем следует отметить, что проблема учета радианного воздействия носит комплексный характер и одной фирме очень сложно ее решить. Так Майкл Бьюлер-Гарсия директор по маркетингу в фирме iRoC (EDA), указывает, что по мере перехода промышленности на устройства типа СнК ни одна из команд в одиночку не может охватить все сферы: память на кристалле, логика-ІР (логика с интеллектуальными свойствами), программное обеспечение. Брюс Такала, исследователь в лаборатории Лос Аламос, согласен с этим: "Поскольку вводится все большее число функциональных модулей, таких как встроенные SRAM, процессоры, то эти устройства становятся все более уязвимыми". Вице-президент компании High Reliability Operations (корпорация international Rectifier) говорит, что даже в рамках относительно простых проектов учет радиационных эффектов начинается со знаний элементов технологии и восприимчивости схемы к ним [53, 55].
Рассматривая крупнейших разработчиков САПР Cadence, Synopsys и Mentor Graphics можно констатировать, что хотя они и предлагают программные средства моделирования и аналитические методы моделирования эффектов радиации, но не могут предложить инструментальные средства для прямого решения проблемы. Это в основном связано с недостатком финансовых средств, что во многом является результатом не достаточной важности для коммерческой реализации. Ведь отказы микросхем могут наблюдаться в аппаратуре авиационной, космической и специальной техники, где наблюдаются эти эффекты. Однако масштабы выпуска данных изделий таковы, что затраты фирм на полное решение проблемы значительно больше прибыли от реализации радиационно-стойких изделий [7].
Методы создания неисправных вследствие радиационного воздействия библиотечных элементов на схемотехническом уровне
Схемотехнический уровень является тем базовым уровнем проектирования СБИС, на котором начинают учитывать радиационное воздействие [25]. Затем полученные изменения характеристик элементов (нагрузочная способность элемента, изменение уровней логического нуля и единицы, различные параметры транзисторов др.) передаются на функционально-логический и системный уровень. При этом учет радиационного воздействия на более высоком уровне не возможен без его учета на схемотехническом уровне. Типовыми элементами схемотехнического уровня являются транзисторы, емкости, диоды и др. Стоит отметить, что специфической особенностью КМОМ СБИС является то, что они состоят практически только из МОП транзисторов р- и п- типа. Исключение составляют защитные резистивно-диодные цепочки на входе, но они не определяют, как правило, нормального функционирования при радиационном воздействии. Электрическая эквивалентная схема (ЭЭС) резистора представляет собой сопротивление R, величина которой изменяется в зависимости от дозы или мощности дозы. Экспериментальные исследования показали, что изменения сопротивления составляют не более 5-7% от начальной величины [23]. Величину ионизационной реакции принято рассматривать для граничных случаев, являющихся предельными. В данном случае, когда сопротивление не изменяется и изменяется на 7% соответственно. Таким образом, для анализа и прогнозирования изменения параметров КМОП СБИС и моделирования неисправностей в первую очередь необходимо знать модель повреждения МОП транзистора. Для моделирования неисправностей, вызванных воздействием радиации, на схемотехническом уровне необходимо: 1. Получить достоверные значения токов ионизации, а также других радиационных изменений схемы, включить их в качестве дополнительных параметров в электрическую схему. 2. Проанализировать, какие виды отказов СБИС могут произойти вследствие ионизирующих токов и деградации характеристик из пункта 1. 3. Так как основных функциональным элементом КМОП СБИС является МОП транзистор, то необходимо внести необходимые изменения в его характеристики, вызванные радиационным воздействием. 4. Получить так называемые "неисправные деградирующие" модели основные элементов схемотехнического базиса: инверторы, элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, триггеры, регистры, сумматоры, мультиплексоры и т д. 5. Сформировать библиотеку элементов, подвергшихся радиационному воздействию. 6. Осуществить моделирование неисправности радиационного воздействия с помощью программ схемотехнического или аналогового і моделирования. . Импульсное и статическое излучение имеют свои особенности, поэтому моделирование неисправностей следует рассматривать отдельно для каждого из этих двух видов излучения. Характерной особенностью импульсного излучения является нарушение функционирования ИС. Оно может быть временным, но при возникновении тиристорного эффекта, работоспособность ИС не восстанавливается даже после окончания воздействия радиации. Учет эффектов данного класса излучения возможен с помощью включения генераторов ионизационных токов. Для анализа и моделирования неисправностей необходимо определить, какие неисправности могут возникнуть после воздействия импульса. Кроме возникновения токов возможны также кратковременные изменения параметров элементов ИС. МОП транзистор является основным функциональным элементом КМОП СБИС, именно он определяет работу всех типовых элементов изделия. Модель радиационного изменения МОП транзистора необходима для анализа функционирования элементов СБИС более высокого уровня. Как было сказано в главе 1, в качестве основной проектируемой среды для отечественных центров проектирования был выбран минимальный набор САПР фирмы Cadence Design Systems. Для аналогового схемотехнического моделирования в ФГУП "НИИЭТ" используются программы из этого пакета: Cadence Spectre, Cadence UltraSim, Cadence Spice. При проектировании изделий электронной техники (в частности процессоров цифровой обработки сигналов, систем на кристалле, микроконтроллеров) использовались следующие модели транзисторов: BSIM3U2 LeUel-Ю или BSIM3U3 LeUel-11 [65]. Эквивалентная электрическая схема замещения BSIM3U2 LeUel-10 приведена на рисунке 2.1: Данная модель транзистора основана на индустриальном стандарте, разработанном в университете Беркли в Калифорнии и группой Compact Modeling Counsel (CMC). Модель характеризуется большим набором параметров: пороговое напряжение, подпороговый ток, напряжение стока, ток стока для области триода, ток стока для области объемного заряда и др [65]. При моделировании неисправностей, вызванных импульсным излучением, МОП транзистор следует рассматривать как совокупность МОП транзистора и паразитного биполярного транзистора. Эмиттер паразитного транзистора, — исток МОП транзистора, базой будет подложка, а стоком -коллектор. Электрическая схема такой суперпозиции двух транзисторов представлена на рисунке 2.2: На рисунке 2.2 VI - это паразитный биполярный транзистор, I;s -источник ионизационного тока истокового р-n перехода, a lid - источник ионизационного тока стокового р-n перехода. Многочисленные эксперименты показали [6, 44], что при относительно невысокой мощности дозы ионизирующим током истокового р-n перехода можно пренебречь [6]. Однако при увеличении мощности дозы до 1010 рад/с следует учитывать оба источника тока ионизации. В этом случае отпирается паразитный і биполярный транзистор и резко увеличивается ток стока 1со. Следует отметить, что такие параметры как пороговое напряжение, стоковое напряжение и некоторые другие параметры тоже будут меняться. Но их изменение носит временный характер. При прекращении воздействия импульсного излучения они вернутся к первоначальным значениям. Таким образом, неисправный транзистор получают путем добавления паразитной структуры, генераторов ионизационного тока, и кратковременным изменением некоторых из его параметров.
Алгоритмическая основа генерация тестов с учетом радиационного воздействия на схемотехническом уровне
Любой алгоритм, используемый для тестирования ИС, должен генерировать тесты, которые ставят объект в условия, когда тестируемые неисправности проявляются в виде обнаруживаемых ошибок.
Для того чтобы обнаружить неисправность необходимо создать, во-первых, условия для её возникновения, а во вторых, обеспечить условия транспортировки эффектов неисправностей. То есть, необходимо сделать неисправность наблюдаемой на внешних выводах схемы или в некоторых контрольных точках .
Таким образом, для составления тестов одной из первых задач встаёт задача определения классов неисправностей, или совокупности возможных неисправностей, объединенных по какому-либо признаку.
Неисправности возникают вследствие физических дефектов, возникающих как на различных этапах производства схемы, так и в процессе её эксплуатации.
Наиболее распространенной является модель одиночной константной неисправности, характеризующей такие эффекты как замыкание с питанием (неисправность "константа единица") и замыкание с землей (неисправность "константа ноль").
Большинство известных систем технического диагностирования ориентированы именно на выявление одиночных константных неисправностей [48, 90]. Другими логическими неисправностями могут быть короткие замыкания, перепутывание, изменения функций отдельных элементов, что характерно именно для радиационного воздействия. Расширение класса неисправностей делает задачу построения тестов весьма сложной, а во многих случаях — трудноразрешимой. Однако для тестирования ИС на радиационную стойкость необходимо предложить методы её решения.
В этом подразделе рассмотрен класс неисправностей, вызванных эффектами импульсного радиационного воздействия. Этот класс неисправностей имеет свои особенности, вызванные, действием ионизационно тока, и имеет мало общего с классом константных неисправностей, что следует учитывать при построении тестов.
Для КМОП схем использование вентильного представления не позволяет описывать реальные физические эффекты, как радиационного воздействия, так и всех возможных эффектов обрывов и замыканий транзисторов. Поэтому для составления алгоритмов генерации тестов следует перейти на схемотехнический уровень. Этот уровень абстракции используют представление устройства на транзисторном уровне и учитывают конкретные особенности КМОП схем, рассматривая их топологическую структуру.
Как известно, схема называется комбинационной, если она не имеет обратных связей, то есть в данный момент времени является функцией от значений, поданных на вход, и не зависит от значений, поданных на вход ранее.
Для автоматизации синтеза тестовых шаблонов разработано множество алгоритмов: алгоритмы на основе логических уравнений (на основе булевых разностей, на основе эквивалентных нормальных форм), D-алгоритм [37] и его различные модификации (PODEM, FAN [47] и другие), алгоритмы на основе случайной генерации тестовых воздействий.
Наиболее значимым и часто применяемым методом является D-алгоритма Рота. Этот метод в той или иной модификации применяется практически в каждой системе автоматизации тестовых шаблонов (ATPG Tool). Поэтому именно D-алгоритм был взят за основу для составления алгоритма тестирования неисправностей, вызванных эффектами импульсного радиационного воздействия. Кратко рассмотрим основные этапы D-алгоритма.
Теорема Рота [15, 76] определяет, что любая неисправность, лежащая на активизированном пути, проверяется тестом (одним набором или парой), активизирующим этот путь. Поэтому, если в не избыточной схеме активизировать все пути от внешних входов к внешним выходам, то полученный тест будет проверять все существенные неисправности данной схемы.
Построение теста при этом состоит из следующих процедур: 1. Активизация неисправности (прямое D-продвижение) состоит в подаче на соответствующую линию (вход тестируемого логического элемента) значения сигнала, противоположного типу проверяемой неисправности. 2. Активизация пути (прямое D-продвижение) состоит в подаче на входы элементов-преемников таких значений сигналов, чтобы обнаруженная и проявленная неисправность была наблюдаема на одном из внешних выходов или в контрольной точке схемы. 3. Доопределение результата прямого продвижения состоит в подаче на остальные входы элемента таких значений сигналов, чтобы эффект обнаружения неисправности был наблюдаем на выходе соответствующего элемента. Другими словами доопределение - подбор внешних входных сигналов, для обеспечения подачи внутренних сигналов, которые были определены на 1-ом и 2-ом шаге.
Программное обеспечение создания библиотеки неисправных элементов
Развитая библиотека элементов является необходимым условием для моделирования схемы и создания тестовых векторов. Для учета эффектов радиации реализовано специальное программное обеспечение. С его использование была получена расширенная библиотека, состоящая из базовых элементов, а также из неисправных элементов, характеризующихся временной потерей работоспособности, в зависимости от уровня и длительности импульса ионизирующего воздействия и с деградирующими параметрами в зависимости от поглощенной дозы радиации. На рисунке 4.3 представлена общая схема ПО для создания проблемно-ориентированной библиотеки элементов. Для расчета параметров и формирования библиотеки неисправных элементов используются описанные в подразделе 4.1 программы RADImp и RADStat. Задачей этих программ является расчет деградации электрических параметров библиотечных элементов и расчет параметров токов ионизации, влияющих на выполняемые элементом функции. При этом параметры внешней среды: температура, мощность дозы радиации, поглощенная доза задаются оператором. При разработке программных средств особое внимание уделялось реализации математических моделей, позволяющих 1 учесть радиационное воздействие. Рассчитанные параметры используются для коррекции характеристик КМОП транзисторов, используемых в микросхеме. После получения данных о деградации электрических параметров транзисторов (подвижность носителей заряда, пороговое напряжение и др.) становится возможным рассчитать коррекцию параметров библиотечных элементов на функционально-логическом уровне (напряжение переключения, задержки переключения из высокого состояния в низкое и из низкого в высокое и др.). Для преобразования параметров схемотехнического уровня в параметры функционально-логического уровня разработана программа RADTr. Полученные значения помещаются в базу данных и используются в случае, если точные экспериментальные данные о радиационной обстановке отсутствуют. В этом случае параметры библиотечных элементов определяются приближенно с помощью аппроксимации кубическими сплайнами в программе Модуль определения критериев неисправности позволяет задать граничные значения параметров элементов, выход за пределы которых делает элемент неисправным. Пример таких параметров: задержка распространения сигнала, потребление тока, нагрузочная способность и т д. На основе анализа состава библиотек, применяемых в ФГУП «НИИЭТ» для проектирования процессоров цифровой обработке сигналов и систем на кристалле, был определен состав расширенной библиотеки, содержащей неисправные элементы. В состав библиотеки вошли: - простые логические вентили, - комплексные вентили, - инвертирующие и неинвертирующие буферы, - мультиплексоры, 1-разрядные сумматоры, - триггеры-защёлки, - триггеры со срабатыванием по фронту, а также описания элементов ввода-вывода, включая: - ячейки, предназначенные для однонаправленной передачи сигналов (элементы выводов входных сигналов) к центральной части (ядру) кристалла. - ячейки, предназначенные для однонаправленной передачи сигналов і от ядра кристалла (элементы выводов выходных сигналов). Ячейки реализованы в виде неинвертирующих выходных буферов с третьим состоянием; - ячейки, предназначенные для двунаправленной передачи сигналов от ядра кристалла и в обратном направлении (элементы выводов двунаправленных сигналов). Ячейки реализованы в виде двунаправленных буферов, являющихся комбинацией входного и выходного буфера в одном элементе; - ячейки, предназначенные для подачи на кристалл микросхемы потенциалов земли и питания (элементы выводов питания). Состав ячеек позволяет организовывать как единую систему шин "питания" и "земли" для ядра и периферии кристалла, так и раздельные системы шин. Для каждого типа ячеек разработано несколько модификаций неисправных ячеек. Неисправные ячейки содержат паразитные генераторы ионизационного тока, а также несколько вариантов ячеек с деградирующими электрическими параметрами в зависимости от накопленной дозы, но вышедшие за пределы ТУ или за пределы, указанные в модуле определения неисправностей. Всего библиотека содержит более 600 базовых элементов, и порядка 2000 неисправных. Каждый библиотечный элемент в базе данных содержит название ячейки, электрическую схему, знак условного графического обозначения (УГО), задержки переключения из высокого состояния в низкое и из низкого в высокое, ёмкости входов и выходов, логическая функция элемента.
