Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Доминирующие радиационные эффекты в МП СБИС . 13
1.1 Доминирующие механизмы радиационных отказов МП СБИС. 13
1.2. Радиационные эффекты при импульсном ионизирующем воздействии . 16
1.3. Радиационные эффекты в МП СБИС при воздействии стационарного ионизирующего излучения. 21
1.4. Радиационные эффекты в МП СБИС при воздействии отдельных ядерных частиц. 27
Глава 2. Методы и средства радиационных испытаний МП СБИС . 33
2.1. Обзор средств радиационных исследований МП СБИС. 34
2.1.1. Радиационные исследования с использованием МУ. 35
2.1.2. Радиационные исследования с использованием имитационных методов. 36
2.1.3 Имитация импульсного ионизирующего излучения. 37
2.1.4 Имитация стационарного дозового воздействия. - 38
2.2. Обзор методов функционального контроля МП СБИС при проведении радиационных испытаний . 39
2.3 Обзор основных методов ФК МП СБИС при проведении радиационных испытаний. 42
2.3.1. Метод упрощенного ФК. 43
2.3.2. Метод ФК в составе реального устройства. 44
2.3.3. Метод псевдодинамического ФК. 45
2.3.4. Функциональный контроль с использованием метода формирования тестовых наборов команд. 47
2.3.5. Метод полного ФК. 48
2.3.6. Метод выборочного ФК. 49
Глава 3. Результаты радиационных испытаний МП СБИС . 54
3.1 Испытания МП СБИС с использованием различных методов тестирования. 54
3.1.1. Испытание МП 1890ВМ1 методом упрощенного, полного и выборочного ФК. 54
3.1.2. Испытание МП 1879ВМ1 методом упрощенного ФК и в составе реального устройства. 60
3.1.3. Испытание МК 1886ВЕ1У методом выборочного ФК. 65
3.1.4. Испытание МП 1887ВЕ1У методом упрощенного ФК и в составе реального устройства. 68
3.1.5. Испытание МП IDT79R3081 методами упрощенного и выборочного ФК. 70
3.1.6. Испытание МК 1886ВЕ5У методом упрощенного и выборочного функционального контроля. 71
3.2. Определение глубины тестирования для разных видов МП СБИС . 73
Глава 4. Аппаратно-программные средства ФК МП СБИС. 77
4.1. Требования к устройствам функционального контроля при проведении радиационных испытаний. 77
4.2. Промышленные комплексы ФК СБИС. 79
4.2.1. Тестеры фирмы Aligent Technologies. 79
4.2.2. Тестеры фирмы ФОРМ. 81
4.3. Универсальное устройство для ФК МП при проведении радиационных испытаний. 83
4.3.1. Структура БФК МП. 83
4.3.2. Реализация и конструкция БФК. 84
4.3.3. Программное обеспечение БФК и процесса тестирования МП. 87
4.3.4. Алгоритм работы БФК. 88
4.4. Универсальная система функционального контроля на базе плат National Instruments. 89
4.5. Оптимизированная структура аппаратно программного комплекса на базе аппаратуры фирмы National Instruments (N1) с использованием программного обеспечения Lab View. 92
Глава 5. Методика проведения радиационных испытаний МП СБИС . 99
5.1. Выбор интервалов облучения МП СБИС при дозовом воздействии. 99
5.2. Определение корреляции функционирования микропроцессоров с дозовым изменением их параметров. 102
5.3 Методика функционального контроля МП СБИС. 106
5.3.1 Обобщенная структура и методика тестирования функциональных блоков МП СБИС. 106
5.3.2. Методика подготовки и проведения радиационного эксперимента МП СБИС. 112
Заключение. 115
Список литературы. 119
Список сокращений 126
- Радиационные эффекты при импульсном ионизирующем воздействии
- Обзор методов функционального контроля МП СБИС при проведении радиационных испытаний
- Определение глубины тестирования для разных видов МП СБИС
- Промышленные комплексы ФК СБИС.
Введение к работе
Введение. .
Диссертация направлена на решение научно-технической задачи развития методов, разработки методики и аппаратных средств функционального контроля микропроцессорных сверхбольших интегральных схем (МП СБИС), таких как микропроцессоры (МП) и микроконтроллеры (МК), в процессе проведения радиационных испытаний с целью прогнозирования их радиационного поведения в реальных условиях эксплуатации.
Актуальность темы диссертации
На этапе современного развития электроники приоритет в области работы с информацией отдается цифровым схемам, что определено неоспоримыми преимуществами цифровой обработки данных. Технические и эксплуатационные характеристики перспективных систем управления и контроля во многом обусловлены техническим уровнем входящих в их состав МП СБИС – электронных узлов, реализующих функции управления и обработки информации. Требования, предъявляемые к аппаратуре и элементной базе систем управления специального назначения (ракетно-космической техники, систем связи, физического эксперимента и т.д.), определяют условия их эксплуатации при наличии радиационных внешних воздействующих факторов. При этом наиболее важным элементом системы является процессорная часть устройства, входящая в состав и управляющая работой как каждого блока специализированной аппаратуры в отдельности, так и устройства в целом. В связи с чем актуальной является задача прогнозирования радиационной стойкости микропроцессорных СБИС работающих в условиях внешних воздействующих радиационных факторов, с использованием экспериментальных методов. С развитием микропроцессорных систем, к которым относятся микропроцессорные СБИС, увеличивается степень интеграции, рабочая частота, расширяется номенклатура функциональных блоков, появляются новые возможности. Вместе с тем, в значительной степени возрастает сложность их тестирования при достоверном определении уровня радиационной стойкости.
Сбои и отказы микропроцессорных СБИС следует разделять на два вида: параметрические и функциональные. К параметрическим отказам можно отнести отказ за счет изменения характеристик базовых элементов и структур процессора (транзистор, ячейка памяти, выходной каскад и др.) и, как следствие, изменение характеристик микросхемы: изменение выходных напряжений, увеличение статического и динамического токов потребления, деградация временных параметров (время выборки, задержки распространения сигнала). К функциональным сбоям и отказам относят все те виды потери работоспособности, которые влияют или потенциально могут повлиять на реализацию алгоритма работы отдельного функционального блока или всего устройства. К ним относятся сбои/отказы в комбинационных схемах или потеря информации в ячейках памяти СБИС. Очевидно, что с ростом функциональной сложности МП СБИС возрастает и сложность построения процедуры ее функционального контроля (ФК).
Задачи параметрического контроля МП, как правило, не являются специфическими – измерение статических и динамических токов потребления, выходных напряжений, предельных частот, задержек и т.д. выполняется теми же методами и техническими средствами, что и для других классов микросхем. В то же время ФК представляет собой сложную, специфическую задачу, поэтому реализация достоверной проверки работоспособности микропроцессорной системы является наиболее сложным и трудоемким процессом при подготовке и проведении радиационных испытаний (РИ) МП СБИС. Это связано, во-первых, с разнообразием типов, разновидностей, архитектур современных МП СБИС, большим количеством внутренних функциональных блоков: внутренняя память (кэш-память, память программ и данных), регистры общего назначения (РОН), арифметико-логическое устройство (АЛУ), блоки ЦАП, АЦП, контроллеры интерфейсов, таймеры/счетчики, внутренние контроллеры, осуществляющие работу процессорного ядра – контроллер прерываний, прямого доступа в память, сопроцессоры, и т.д.. Поэтому разработка средств и методов ФК предполагает индивидуальный подход с учетом особенностей конкретных микросхем, характеризующихся алгоритмом функционирования, разрядностью данных при информационном обмене и выполнении функций, объемом адресного пространства, особенностями управления, интерфейсами информационного обмена и др. Во-вторых, за счет большого количество внутренних функциональных блоков и, как следствие, внутренних состояний исследуемого автомата, исключается возможность контроля МП СБИС путем простого перебора.
Для осуществления функционального контроля МП (МК), необходимо составить программу самоконтроля работоспособности его внутренних блоков, осуществить вывод и хранение информации об отказе (сбое), изменять алгоритм тестирования в зависимости от типа радиационного воздействия. Современные функционально сложные СБИС работают на высоких частотах (от десятков до сотен мегагерц), что предъявляет дополнительные требования к аппаратуре ФК по ресурсам и быстродействию.
В настоящее время преобладает мнение, что доминирующими радиационными эффектами в МП СБИС являются параметрические отказы, что определяется высокой степенью интеграции и, следовательно, значительным интегральным вкладом в характеристики СБИС даже небольших изменений характеристик базового элемента (транзистора). Из этой предпосылки следует выбор критериальных параметров, определяющих стойкость МП СБИС – статического и динамического токов потребления и напряжений выходных логических уровней. На контроле этих параметров базируется большинство существующих методик радиационных экспериментов. Такие методики предполагают также проведение упрощенного ФК, характеризующегося низкой вероятностью обнаружения функциональных отказов.
Большое количество проведенных, в том числе автором, радиационных испытаний МП СБИС показывает, что во многих случаях именно функциональные отказы являются доминирующими и определяют уровень радиационной стойкости МП СБИС. Поэтому методики радиационных испытаний МП СБИС должны в обязательном порядке включать развернутые процедуры ФК, обладающие высокой диагностической способностью. Вместе с тем, реализация такой процедуры для каждой конкретной МП СБИС – разработка специализированной аппаратуры, адаптация и настройка систем управления и контроля работоспособности МП СБИС с учетом всех архитектурных особенностей, написание программ тестирования всех функциональных блоков с учетом специфики воздействия, – является чрезвычайно сложной научной и инженерной задачей, требующей неприемлемых временных затрат. Второй проблемой проведения полного ФК МП СБИС является чрезмерно большое время выполнения самой процедуры ФК (на порядки превышающее время облучения), что не позволяет использовать такие методики ФК в реальном радиационном эксперименте.
В связи с этим актуальной является задача радикального сокращения, как времени подготовки ФК МП СБИС, так и времени проведения процедуры ФК, без потери достоверности обнаружения функциональных отказов. Решение этой задачи основывается на исследовании закономерностей радиационного поведения МП СБИС, разработке эффективных методов, алгоритмов, методик и аппаратно-программных средств ФК при проведении радиационного эксперимента, на что и направлена диссертация.
Состояние исследований по проблеме. Вопросам функционального контроля МП СБИС при проведении радиационных испытаний посвящены многочисленные работы. О.А. Калашникова, А.А. Демидова (кафедра 3, НИЯУ МИФИ); И.И. Шагурина, А.В. Лебедева (кафедра 27, НИЯУ МИФИ); В.С. Анашина, П.А. Чубунова (РНИИ Космического приборостроения), М.Н. Дубнова, А.В. Сацко, В.В. Синельникова, А.С. Сырова, П.А. Харитонова, (ФГУП МОКБ «Марс»); А.И. Янькова, В.К. Зольникова (ФГУП НИИ Электронной техники); Б.В. Василегина, П.Н. Осипенко, А.Г. Дубровского (НИИСИ РАН) и других специалистов.
Так, в работах О.А.Калашникова и А.А.Демидова приведены многочисленные экспериментальные результаты радиационных испытаний МП СБИС. В работах И.И.Шагурина и А.В.Лебедева представлена методика, аппаратные средства для проведения радиационных испытаний МК .
В тоже время, многие важные методические вопросы достоверного оперативного ФК МП СБИС и определения уровня их радиационной стойкости до сих пор проработаны недостаточно. Не обоснован выбор функциональных блоков для тестирования МП СБИС в процессе проведения радиационного эксперимента, не сформированы методики тестирования периферийных функциональных блоков в том числе интерфейсных (UART, USB, SPI, TWI и др.) и аналоговых (АЦП, ЦАП, компараторы) входящих в состав современных МП СБИС. Не обосновано определение ограничений на время функционального теста в процессе проведения функционального контроля с учетом эффектов отжига. Не определена связь функционирования МП СБИС, в зависимости от изменения параметров микросхемы (ток потребления). Так же предложенная ранее соответствующая аппаратура ФК ориентирована в основном либо на применение в ходе производства и практически неприменимы в радиационных экспериментах, либо разработана инженерами соответствующей научной группы без наличия поддержки, соответствующей документации и не является универсальной для применения в других научных группах.
В частности, большинство научных работ и публикаций на тему ФК МП при радиационных исследованиях не затрагивает вопросы достоверности и фактически описывает контроль параметров отдельно выбранных функциональных блоков. Имеющиеся на момент начала работы аппаратно-программные средства радиационного эксперимента не обеспечивали возможности полноценного автоматизированного управления, функционального контроля и диагностирования отказов и сбоев в активных динамических режимах работы МП в реальном времени непосредственно в процессе облучения.
Таким образом, возникла необходимость: структурировать методы ФК МП СБИС, определить метод достоверного оперативного ФК, в процессе радиационных испытаний МП СБИС для разных видов ионизирующих излучений (ИИ), разработать методику подготовки и проведения ФК микропроцессоров и микроконтроллеров, а так же разработку программно-аппаратных средств для контроля работоспособности современных МП и МК в условиях радиационного воздействия.
Цель диссертации: разработка научно обоснованных методических и технических средств определения функциональных отказов в микросхемах микропроцессорных СБИС при исследовании их радиационной стойкости.
Основными задачами диссертации являются:
- Анализ и экспериментальные исследования закономерностей доминирующих функциональных отказов микропроцессорных СБИС и их элементов при различных видах радиационных воздействий.
- Анализ и развитие существующих методов функционального контроля микропроцессорных СБИС, оценка эффективности каждого метода.
- Совершенствование существующих и разработка новых методических и технических средств радиационных испытаний микропроцессорных СБИС, обеспечивающих гибкое управление, выявление и диагностирование сбоев и отказов в реальном времени непосредственно в процессе радиационного воздействия;
- Получение и систематизация оригинальных экспериментальных данных, устанавливающих общность радиационного поведения микропроцессорных СБИС в широких диапазонах изменения режимов работы и уровней воздействия.
Научная новизна работы:
-
Выявлены, описаны и систематизированы основные закономерности и доминирующие механизмы функциональных отказов микропроцессорных СБИС и их базовых элементов при радиационном воздействии.
-
Предложен метод «Выборочного функционального контроля» микропроцессоров и микроконтроллеров, позволяющий оперативно в условиях проведения радиационного эксперимента получить достоверный результат.
-
Предложены методики тестирования функциональных блоков микропроцессорных СБИС для разных видов радиационного воздействия.
-
Предложен метод повышения точности определения уровня функциональных сбоев/отказов на 10% в зависимости от характерного поведения параметров СБИС.
-
Разработана методика проведения радиационного эксперимента с учетом особенностей СБИС, типа установки, вида и характеристик воздействия.
-
Практическая ценность работы заключается в разработке методических и технических средств, обеспечивающих функциональный контроль микропроцессорных СБИС при проведении радиационных исследований. Предложена структура и реализован универсальный аппаратно-программный комплекс, позволяющий производить полноценный функциональный контроль современных микропроцессорных СБИС на предельных частотах. Комплекс реализован на основе оборудования фирмы National Instruments с использованием широко применяемого программного обеспечения LabView. Оптимизацию при подготовке эксперимента обеспечивает разработанная библиотека универсальных виртуальных приборов для параметрического и функционального контроля микропроцессорных СБИС, а также для управления радиационными установками.
-
Предложена методика функционального контроля микропроцессорных СБИС, учитывающая вид радиационного воздействия и определяющая выбор режима облучения в зависимости от времени функционального контроля и параметров радиационной установки.
-
Получены оригинальные результаты экспериментальных исследований более чем 50 микропроцессоров и микроконтроллеров отечественного и иностранного производства (ОАО «Ангстрем», НИИСИ РАН, НТЦ «Модуль», ЗАО «МЦСТ», ЗАО «ПКК Миландр», ФГУП «НИИЭТ», ГУП НПЦ «ЭЛВИС», НТЦ «Белмикросистемы», IDT, Atmel, Analog Devices, Texas Instruments, Infineon, Microchip, Intel и др.).
Разработанные средства внедрены в ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при проведении исследований микропроцессорных СБИС на моделирующих установках и имитаторах.
Результаты, выносимые на защиту:
-
Метод выборочного функционального контроля микропроцессорных СБИС, который предполагает разделение функциональных блоков микропроцессора на группы по степени восприимчивости к радиационному воздействию и осуществлению дифференцированного подхода к реализации функционального контроля для каждой из групп. На стадии предварительного анализа архитектурно-технологической организации СБИС проводится выбор узлов, потенциально наиболее чувствительных к заданным видам ионизирующего излучения, и в ходе испытаний наиболее полно контролируется работоспособность именно этих узлов. В то же время остальные узлы микропроцессорных СБИС контролируются в одном из наиболее критических режимов. Применение данного метода существенно снижает объем тестирования без потери достоверности результатов.
-
Методика функционального тестирования микропроцессорных СБИС с учетом особенностей функционального контроля при проведении радиационных исследований для разных видов радиационного воздействия.
-
Метод повышения точности определения уровня функциональных сбоев/отказов до 10% в зависимости от характерного поведения параметров СБИС.
-
Методика выбора интервалов облучения микропроцессорных СБИС при дозовом воздействии, позволяющая минимизировать интервал неопределенности уровня стойкости СБИС до уровня погрешности дозиметрии.
-
Аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий гибкое управление, а также полноценный функциональный и параметрический контроль работоспособности МП СБИС в реальном времени, в активных динамических режимах работы непосредственно в процессе радиационного воздействия.
-
Оригинальные результаты экспериментальных исследований радиационного поведения МП СБИС, подтверждающие обоснованность предложенных методических и технических средств прогнозирования функциональных сбоев.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 9-ой всероссийской конференции «Пути обеспечения современной радиоэлектронной аппаратуры высоконадежной электронной компонентной базой» (Санкт-Петербург, 2009 г.); российских научных конференциях “Радиационная стойкость электронных систем” (Лыткарино, 2003-2009 гг.); научных сессиях МИФИ (Москва, 2004-2009 гг.); на научных конференциях “Электроника, микро– и наноэлектроника” (г.Кострома 2003 г., г.Н.Новгород 2004 г., г.Вологда 2005 г., г.Гатчина 2006 г., г. Пушкинские Горы 2007 г., г. Петрозаводск 2008 г., г.Н.Новгород 2009 г. ); на VI научно-практическом семинаре «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» (г.Н.Новгород, 2006 г.). Основные результаты диссертации опубликованы в 26 работах (в период с 2003 по 2009 гг.), в том числе 8 без соавторов.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 120 страниц, в том числе 54 рисунка, 15 таблиц, список литературы из 102 наименований и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Радиационные эффекты при импульсном ионизирующем воздействии
Воздействие импульсного ионизирующего излучения (гамма-, рентгеновского, электронного, лазерного) приводит к возникновению в КМОП ИС: переходных эффектов (сбоев); остаточных отказов (обратимых или необратимых). Переходные эффекты - кратковременные изменения параметров или нарушения функционирования в процессе и после воздействия импульса ионизирующего излучения (ИИ), связанные с генерацией электронно-дырочных пар и дальнейшей релаксацией свободного заряда в элементах КМОП ИС. При этом по внешним выводам элементов протекают ионизационные токи, способные вызвать ложные переключения в ИС. В комбинационных ИС (логических элементах, мультиплексорах, сумматорах и др.) через некоторое время после импульса ИИ происходит полное восстановление первоначального состояния, определяемого комбинацией входных сигналов. В последовательностных ИС (регистрах, ЗУ, микропроцессорах) могут наблюдаться изменения внутренних состояний и потеря информации, которая восстанавливается только перезаписью. Значительные токи, протекающие в объеме и по выводам КМОП ИС при воздействии импульсного ионизирующего излучения (ИИИ), вызывают остаточные отказы вследствие вторичных эффектов — радиационного защелкивания и теплового пробоя, которые могут быть обратимыми (работоспособность ИС можно восстановить, например, отключением питания) или необратимыми (катастрофическими, например вследствие перегорания шин металлизации). Наиболее широко используются следующие показатели радиационной стойкости КМОП ИС при воздействии импульсного ИИ: Уровень бессбойной работы (УБР) — максимальный уровень воздействия, при котором не наблюдаются параметрические и функциональные отказы согласно ТУ; Время потери работоспособности (ВПР) — интервал времени от момента потери работоспособности ИС при воздействии импульсного ИИ до полного ее восстановления согласно ТУ. При обзоре эффектов, возникающих в МП СБИС при воздействии ИИИ, следует произвести их классификацию. Следует различать следующие три типа эффектов: 1) параметрические сбои; 2) функциональные сбои; 3) катастрофические отказы и тиристорный эффект (ТЭ). Параметрические сбои связаны с импульсной реакцией ионизационных токов протекающих в блоках МП, не изменяющей состояние внутренних регистров, ячеек памяти и не нарушающее работу внутренних автоматов. Они проявляются как импульсное изменение напряжений выходных сигналов (рис. 1.1) и тока потребления и в ряде случаев определяют значение УБР микросхемы [35, 38]. Так микросхема 1В813, разработанная в НИИСИ РАН и изготовленная по КМОП технологии, имеет УБР равный 5-Ю9 ед/с, который определяется выходом за норму выходных уровней напряжения, в то время как функциональные сбои возникали при более высоких уровнях мощности дозы [24]. Ситуация, возникающая в том случае, когда внешнее ионизирующее воздействие приводит к переключению внутренних триггерных элементов или сбой в комбинационных схемах, что провоцирует неправильное выполнение операций внутренних блоков МП, считается функциональным сбоем. Учитывая значительное количество функциональных блоков (ФБ), сложность их архитектуры и алгоритмов функционирования, данный вид сбоя является довольно распространенным. Анализ результатов радиационных исследований МП СБИС позволил выявить характерные особенности функциональных сбоев при воздействии ИИИ. Возникновение сбоя является вероятностным процессом, поэтому тестируются блоки, возникновение сбоя в которых наиболее вероятно. В частности такими блоками могут являться кэш-память, пользовательское ОЗУ, флэш-память программ/данных, причем эти блоки могут занимать большую часть кристалла [29, 33, 41]. Работы [29, 33] описывают разработку и проведение тестов на чувствительность к радиационным сбоям микропроцессора i486 фирмы Intel при воздействии импульсного ИИ. Тестовые программы состоят из программы тестирования внутренней кэш-памяти микропроцессора и программы тестирования регистров общего назначения, сопроцессора, а такте контроля функционирования. По результатам облучения кристалла лазером РАДОН-5М, имитирующим импульсное гамма-излучение, выявлены следующие сбои функциональных блоков микропроцессора: 1) сбои кэш-памяти; 2) сбои операционной части; 3) сбои регистров общего назначения. В работе [41] описаны результаты исследований радиационной стойкости микросхемы 1879ВМЗ при воздействии импульсного ИИ. СБИС предназначена для приема, предварительной обработки и синтеза широкополосных аналоговых сигналов, формирования потока данных для вторичной обработки сигнальным процессором, восстановления аналогового сигнала после вторичной обработки. В ходе исследований зарегистрированы как кратковременные сбои выходного напряжения логической "1", так и функциональные сбои внутреннего ОЗУ. Основным операционным блоком МП является арифметико-логическое устройство (АЛУ), представляющее собой сложный автомат, в котором при импульсном воздействии могут возникать сбои в виде появления иголок, вызывающих ложные переключения при выполнении команды. АЛУ в большинстве случаев работает с определенной, специально адаптированной областью памяти, содержащей регистры общего назначения (РОН). Поэтому для того чтобы не перепутать потерю данных в ячейках памяти со сбоем в работе АЛУ, методически верно сначала определить сохранность данных в РОН после воздействия [32]. При высоких уровнях мощности дозы в функционально сложных СБИС, исполненных по КМОП технологии, может возникать эффект радиационного защелкивания (тиристорный эффект - ТЭ), при этом ток потребления микросхемы значительно возрастает и может составлять амперы [31, 33, 38]. Таким образом, при протекании больших токов по внутренним шинам СБИС может произойти катастрофический отказ. Сброс тиристорного эффекта осуществляется своевременным отключением питания микросхемы. В некоторых случаях при воздействии ИИИ ток потребления МП СБИС возрастает, но при подаче сигнала «Сброс» возвращается в изначальное состояние, это событие не является тиристорным эффектом и объясняется сбоем во внутренних блоках процессора с его переходом в другое, возможно нерегламентированное состояние. В момент воздействия на кристалл ИИИ высокой энергии за счет протекания ионизационных токов происходит значительное выделение тепловой энергии, что может приводить к выгоранию дорожек металлизации и, как следствие, к необратимым отказам, т.е. отказам, после которых работоспособность микросхемы не восстанавливается. В работе [40] представлены результаты радиационных исследований БИС микроконтроллера 1880ВЕ51. Для контроля работоспособности использовался специально разработанный блок функционального контроля. Определены уровни стойкости к воздействию ИИИ, а также характерные особенности радиационных отказов микроконтроллеров. Алгоритм функционального контроля микроконтроллера включает в себя тестирование следующих узлов
Обзор методов функционального контроля МП СБИС при проведении радиационных испытаний
При подготовке радиационных исследований МП СБИС возникают многочисленные проблемы и задачи, связанные со спецификой эксперимента, основными из которых являются: анализ требований по виду, уровню и характеристикам радиационного воздействия, исходя из которых производится выбор моделирующих и имитационных установок; структурно-архитектурный анализ МП СБИС, изучение внутренних блоков, управляющих сигналов, протоколов обмена данными, принципов начальной загрузки программы; выбор метода функционального контроля, позволяющего наиболее точно и оперативно определить уровень стойкости МП СБИС; разработка (с учетом особенностей экспериментальных установок) тестирующего устройства, позволяющего производить функциональный контроль МП СБИС с использованием выбранного метода, реализация методики параметрического и функционального контроля; проведение эксперимента, минимизацияпогрешностей измерений, паразитных эффектов (электромагнитные помехи), получение результатов с учетом погрешности дозиметрии моделирующей или имитационной радиационной установки: Наиболее трудоемкой задачей, как уже было сказано выше, является реализация функционального контроля МП. Определим задачи ФК МП СБИС при проведении радиационных испытаний и выделим характерные параметры, по которым можно выбрать наиболее подходящий метод ФК. применимость конкретного метода ФК в условиях проведения радиационных испытаний, с учетом характеристик радиационных установок, наличия воздействия ионизирующих излучений и других внешних воздействующих факторов (ВВФ). в условиях сжатых сроков проведения эксперимента актуальными параметрами, влияющими на выбор метода функционального контроля, являются трудозатраты и оперативность подготовки испытаний. С одной стороны, минимизация данного вида затрат непосредственно влияет на экономические факторы проведения испытаний, но с другой стороны может негативно сказываться на достоверности. достоверность результатов, полученных с использованием данного метода, с учетом вида радиационного воздействия. Точность определения уровня стойкости исследуемой МП СБИС является наиболее важной характеристикой, определяющей степень доверия к полученным результатам исследования. Достоверность результатов применения того или иного метода функционального контроля определяется его точностью.
Предположим, имеется группа испытываемых МП СБИС. Учитывая, что невозможно определить истинное (точное) значение уровня стойкости микросхемы, а можно только асимптотически приближаться к нему, при использовании достоверного метода ФК, повторяя тестирование для разных МП, мы должны получать наиболее консервативную оценку уровня стойкости. При использовании недостоверного метода ФК результаты будут значительно отличаться от наиболее консервативных оценок, полученных другими методами. Следует отметить, что ФК необходимо осуществлять в рамках допустимых характеристик и режимов работы МП СБИС, определенных соответствующей документацией (технические условия, спецификация). ФК представляет собой систему тестов. Рассмотрим пример - предположим, ФК состоит из теста одного произвольно выбранного функционального блока МП. В итоге стойкость всей СБИС в данном случае будет определена по стойкости одного блока, который может оказаться совсем не самым радиационно-чувствительным. В этом случае достоверность результатов ФК будет низкой. Определение надежности методов функционального контроля МП СБИС является нетривиальной задачей, требующей значительных ресурсов на подготовку и проведение большого числа экспериментов. Автором предложена следующая методика определения надежности метода ФК: 1) Обзор и структуризация основных методов ФК МП СБИС при проведении радиационных испытаний с учетом как наиболее распространенных, так и наиболее сложных методов ФК, обладающих большой диагностической способностью, но редко применяемых в практике радиационного эксперимента. 2) Выбор контрольной группы МП СБИС разных типов, архитектур и технологий; степень точности определения надежности метода будет зависеть от количества и разнородности микросхем в данной группе. 3) Проведение радиационных испытаний каждой МП СБИС с использованием всех методов ФК; эксперимент необходимо проводить в одинаковых условиях: одинаковые установки, электрические параметры и др. 4) Анализ полученных результатов и построение сводной таблицы соответствия уровня стойкости МП СБИС при ФК различными методами. Пример таблицы приведен ниже (Таблица 2.3). Здесь Sij - уровень ФК сбоя/отказа j-ro МП, исследуемого i-ым методом, который определяется экспериментально; Kij - относительный коэффициент достоверности для метода і при исследовании] МП СБИС, определяется по формуле
Определение глубины тестирования для разных видов МП СБИС
Как показано в параграфе 2.2, достоверность (надежность метода) определяется по составлению сводной таблицы 2.3 с использованием для расчета соотношения (2.1). В нашем случае необходимо построить две таблицы для импульсного и стационарного ионизирующего воздействия (табл. 3.7 и 3.8). При проведении радиационных испытаний некоторых МП СБИС невозможно применить все методы ФК: вследствие следующих причин: у большинства 8-ми разрядных МК отсутствует контроллер, предназначенный для эмуляции загруженной программы; нет возможности применения МП в составе реального устройства или не реализован полный ФК, а самостоятельная его реализация невозможна ввиду сложности и трудозатрат, не приемлемых в условиях сжатых сроков подготовки и проведения радиационного эксперимента. Таким образом, проведен анализ полученных значений стойкости МП и МК: 1890ВМ1, 1879ВМ1, 1886ВЕ1У, 1887ВЕ1У. Определены количественные параметры надежности большинства методов ФК, из которых наиболее достоверным является предложенный автором метод выборочного ФК - он дает наиболее консервативную оценку. Относительная достоверность методов составила: Метод упрощенного ФК: При воздействии импульсного ИИ: 0,32. При воздействии стационарного ИИ: 0,56. Метод выборочного ФК: При воздействии импульсного ИИ: 1,00. При воздействии стационарного ИИ: 1,00. Метод ФК в составе реального устройства: При воздействии импульсного ИИ: 1,00. При воздействии стационарного ИИ: 0,67. Метод полного ФК (не учитывает проблемы отжига СБИС): При воздействии стационарного ИИ: 0,57. В данной главе представлены результаты радиационных испытаний МП СБИС с использованием различных методов. Произведен анализ полученных значений уровней стойкости МП и МК: 1890ВМ1, 1879ВМ1, 1886ВЕ1У, 1887ВЕ1У, IDT79R3081, 1886ВЕ5У. По результатам экспериментов построены сводные таблицы радиационных исследований МП с использованием различных методов при воздействии стационарного и импульсного ионизирующих излучений. В итоге определены параметры надежности большинства методов ФК, из которых наиболее надежным является предложенный автором метод выборочного ФК. Аппаратура тестирования МП является фундаментом проведения эксперимента, т.к. именно ее характеристики определяют особенности параметрического и функционального контроля, универсальность, возможные режимы работы МП по частоте и по управляющим сигналам, обработку и хранение результатов, оперативность подготовки эксперимента, сопряжение с ПК. Поэтому одна из первичных задач - выбор или создание аппаратуры радиационного эксперимента, позволяющей в полной мере производить оценку радиационной стойкости МП СБИС. Для унификации проведения экспериментов различных микросхем и получения возможности использования существующих наработок в будущем тестирующее оборудование должно быть максимально гибким и универсальным, т.е. соответствовать характеристикам большинства современных МП с учетом их развития. Сформулируем основные требования к аппаратно-программным средствам проведения радиационного эксперимента.
Промышленные комплексы ФК СБИС.
Промышленные комплексы для ФК СБИС (тестеры) активно применяются в современном производстве интегральных схем (ИС) и электронной аппаратуры. С помощью тестеров осуществляется выходной контроль параметров и проверка функционирования больших интегральных схем на этапах их разработки и производства, а также для входного контроля качества ИС, используемых в радиотехнической аппаратуре, вычислительной технике, на объектах с повышенными техническими требованиями. Фирма Agilent Technologies занимается производством промышленной и измерительной аппаратуры, в том числе является одним из доминирующих производителей тестеров, таких как НР82000 и НР83000. Данные тестеры предназначены для измерений в промышленных масштабах статических и динамических параметров цифровых и аналоговых микросхем и полупроводниковых кристаллов. Тестер содержит в себе большое количество сигнальных линий, которые могут быть сконфигурированы как на вход, так и на выход. Каждая из линий имеет свою внутреннюю память состояний, составляющую несколько Мбит, и может быть проинициализирована под выполнение конкретной задачи. Существует возможность определения электрических параметров (логические напряжения, входные/выходные токи) выходов тестера при настройке под конкретную архитектуру тестируемой ИС. Данная промышленная установка (рис. 4.1) обладает следующими характеристиками: Количество двунаправленных сигнальных выводов - до 1024. Обеспечение до четырех напряжений питания положительной и отрицательной полярности. Функциональный контроль БИС производится с частотой от 10 кГц до 330 МГц. Частота дискретизации сигнала составляет - 4 ГГц. Внутренняя память канала - до 8 Мбит. Одновременное тестирование до 32 устройств. Преимуществом данного тестера является его универсальность, высокие технические параметры, промышленное высокотехнологичное исполнение, широкое распространение на производстве ИС. К недостаткам этого устройства можно отнести его большую стоимость и конструктивную невозможность использования данной установки в условиях радиационного эксперимента. Научно-производственная фирма «ФОРМ» проектирует, производит и обеспечивает техническим сервисом контрольно-измерительное оборудование семейства "FORMULA", предназначенное для тестирования цифровых, аналоговых и цифро-аналоговых микросхем, а также микросхем памяти (ОЗУ). Оборудование сертифицировано Госстандартом России и внесено в Общий и Специальный разделы Реестра измерительных средств РФ. Линия тестеров "Formula 2К" (см. Рисунок 4.2.) представлена серийным оборудованием, которое имеет заказную конфигурацию - как по составу программно-аппаратных средств, так и по числу выводов, - и включает: от 32 до 256 I/O измерительных каналов, в блоках по 16 каналов, представленных отдельной платой (см. Рисунок 4.3.), для параметрического и функционального контроля микросхем, включая опции для измерений аналогового и смешанного сигнала, а также микросхем ОЗУ. Максимальная частота: 20МГц. Время нарастания/спада: Знс. Разрешение: ±0.7 не. Активная программируемая нагрузка: ±24тА. Глобальная временная архитектура, три метки времени на период, 16 глобальных наборов меток. Процессор тестов (управление порядком исполнения векторов). Заказные встроенные источники с напряжением до ±42В и током до 2А. Встроенное самотестирование, операционная диагностика, автокалибровка. Модуль тестирования микросхем памяти с динамическим резервированием. Достоинством является универсальность, низкая цена - менее $400 за один двунаправленный канал в конфигурации 256 каналов, включая полный программный пакет SINOP. Недостатком системы "FORMULA 2К" являются низкая частота тестирования - 20МГц.
