Введение к работе
Актуальность диссертации
Отечественные и зарубежные сбоеустойчивые вычислительные системы
на кристалле с субмикронными проектными нормами – PPC603e, RAD750,
BRE440, 1900ВМ2Т, Aeroflex LEON3FT – характеризуются
производительностью не более 300 DMIPS, достаточной для реализации базовых функций, однако растущие объемы обрабатываемой информации (в рамках научных исследований на космических аппаратах и перспективного направления сверхдальней космической связи) заставляют разработчиков двигаться по пути увеличения производительности, что неизбежно связано с уменьшением проектной нормы изделия. Переход на суб-100-нм проектные нормы характеризуется снижением эффективности используемых методов повышения сбоеустойчивости вследствие появления эффекта разделения заряда, роста кратности сбоев, линейного возрастания доли сбоев с увеличением тактовой частоты от воздействия одиночных частиц на комбинационную логику, проблемы достоверного считывания данных с узлов сбоеустойчивых триггеров в условиях воздействия частицы. Это делает актуальным исследование новых средств обеспечения сбоеустойчивости суб-100-нм вычислительных систем на кристалле.
Многопортовые КМОП статические оперативные запоминающие
устройства (СОЗУ) вычислительных систем на кристалле являются общим
ресурсом быстродействующей низкоуровневой памяти нескольких
исполнительных устройств, содержат регистры общего назначения,
характеризуются высокой интенсивностью обращений. Сбои в
многопортовых КМОП СОЗУ приводят к нарушениям целостности
обрабатываемых данных, функциональным прерываниям и могут быть
транслированы в высокоуровневую память. Нахождение этих блоков на
критическом пути процессора требует минимизировать издержки по времени
доступа, вносимые применяемыми средствами повышения сбоеустойчивости.
Поэтому в качестве предмета исследования выбраны схемотехнические и
топологические решения, позволяющие повысить сбоеустойчивость
элементов суб-100-нм многопортовых КМОП СОЗУ к воздействию
одиночных ядерных частиц. Объектом исследования являются
сбоеустойчивые элементы суб-100-нм многопортовых КМОП СОЗУ.
Состояние исследований по проблеме
Анализу радиационных эффектов в КМОП интегральных микросхемах
(ИМС) посвящены труды Скоробогатова П.К., Чумакова А.И.,
Никифорова А.Ю. Тельца В.А. В трудах Першенкова В.С. проанализированы радиационные эффекты в биполярных ИМC.
Вопросы приборного и смешанного моделирования радиационных эффектов в КНИ КМОП ИМС освещены в трудах Петросянца К.О., Самбурского Л.М., Харитонова И.А., схемотехнического моделирования – в работах Стенина В.Я., Ferlet-Cavrois V., Witulski A.F., Kauppila J.S., архитектурной чувствительности к сбоям – в работе Осипенко П.Н..
Развитие средств оценки радиационной стойкости ИМС СОЗУ проведено Яненко А.В. Методы и особенности лазерного моделирования радиационных эффектов изложены в трудах Никифорова А.Ю., Скоробогатова П.К., Чумакова А.И., Печенкина А.А., Савченкова Д.В..
Характерные для суб-100-нм проектных норм эффекты при воздействии одиночных частиц исследованы в работах Massengill L.W., Bhuva B.L, Witulski A.F.. Многократные сбои в суб-100-нм КМОП СОЗУ исследованы в трудах Боруздиной А.Б, Чумакова А.И., Улановой А.В., Gasiot G..
Базовые схемотехнические решения элементов цифровых КМОП ИМС
представлены в трудах Кармазинского А.Н. и Герасимова Ю.М..
Методология проектирования многопортовых СОЗУ представлена
Кириченко П.Г.. Решения по борьбе с помехами в цепях комбинационной логики предложены Bhuva B. (фильтры на С-элементе), Rennie D. (логический элемент с повышенной задержкой переключения), Mitra S. и Teifel J. (двойное модульное резервирование с С-элементом на выходе), Mavis D.G. и Eaton P.H. (тройная выборка данных с мажорированием). Схемотехнические реализации элементов двухфазной логики предложены Calin T., Nicolaidis M., Velazco R., Knowles K.R., Eaton H.A., а развитию методов их проектирования посвящена работа Ольчева С.И.. Потенциальные альтернативы триггеру DICE в аспекте устойчивости к парному воздействию предложены Rennie D., Lombardi F.. Развитию конструктивно-топологических методов повышения сбоеустойчивости СБИС ОЗУ посвящены труды Стенина В.Я., Черкасова И.Г., Горбунова М.С., Герасимова Ю.М., Григорьева Н.Г., Lilja K.. Особенности использования помехоустойчивого кодирования в быстродействующих блоках СОЗУ исследованы Петровым К.А..
Проблема сбоеустойчивого считывания данных с узлов триггера DICE при воздействии одиночных ядерных частиц рассматривалась в работах Blum D.R., Clark L.T., Bonacini S., но предложенные ими решения не обеспечивали достоверного считывания во всех нестационарных состояниях.
На момент начала работы над диссертацией в литературе были известны и описаны двухфазные элементы, был известен опыт проектирования 0,25-мкм КМОП КНИ кольцевых генераторов на двухфазной логике, но отсутствовали какие-либо данные по реализации на ее основе заказных блоков памяти систем на кристалле.
Цель и задачи диссертации
Целью диссертации является развитие методов проектирования
сбоеустойчивых блоков суб-100-нм многопортовых КМОП статических ОЗУ. Достижение указанной цели обеспечено решением следующих задач:
-
Анализ схемотехнических решений, направленных на повышение сбоеустойчивости КМОП комбинационных логических элементов, обоснование наиболее перспективных из них. Моделирование распространения помехи в цепочках двухфазных КМОП логических элементов и обоснование выбора их параметров, обеспечивающих требуемую сбоеустойчивость при минимальном токе потребления.
-
Сравнительное моделирование характеристик сбоя двухфазных КМОП триггеров и других схемотехнических решений с учетом эффекта разделения заряда между несколькими чувствительными узлами с целью обоснования выбора варианта триггера для применения в блоках суб-100-нм многопортовых КМОП СОЗУ и разработка рекомендаций по их реализации.
-
Анализ имеющихся и разработка новых схемных решений, повышающих сбоеустойчивость при чтении данных с триггера DICE многопортовых ячеек памяти в условиях воздействия одиночной ядерной частицы.
4. Разработка блока многопортового КМОП СОЗУ по объемной 65-нм
технологии с использованием обоснованных мер по повышению
сбоеустойчивости комбинационных и последовательностных логических
элементов.
Научная новизна диссертации
-
Повышение сбоеустойчивости двухфазных логических элементов базируется на эффекте блокировки импульса помехи емкостной межфазной связью выходов двухфазного элемента при значениях емкости связи меньше порогового значения.
-
Критерий переключения логического состояния двухфазного инвертора при воздействии помехи на его вход, согласно которому оценкой изменения логического состояния двухфазного инвертора является пороговое напряжение переключения, когда сумма напряжений на его входах равна напряжению питания.
-
Чтение многопортовой ячейки памяти на основе триггера DICE возможно в условиях воздействия одиночной ядерной частицы только при сравнении данных со всех четырех узлов триггера.
-
Снижение динамической потребляемой мощности двухфазных КМОП логических элементов вследствие уменьшения расфазировки входных сигналов при минимизации отличия емкостей дифференциальных узлов за счет их взаимного перераспределения.
Практическая значимость диссертации
-
Оригинальный базовый вариант топологии 65-нм многопортовой ячейки памяти на основе триггера DICE, в которой при минимальной занимаемой площади обеспечиваются расстояния между парами чувствительных узлов триггера DICE 3,1–3,4 мкм.
-
Блок многопортового КМОП СОЗУ по объемной 65-нм технологии с увеличенной сбоеустойчивостью, обеспеченной использованием модифицированных триггеров DICE и цепей управления на основе двухфазных логических элементов с разнесением на кристалле транзисторов двух фаз. Блок реализован в составе сопроцессора вещественной арифметики микропроцессоров 1890ВМ8Я, 1890ВМ9Я, разработанных в ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН рамках ОКР «Процессор-5», «Процессор-6».
-
Многопортовая КМОП ячейка памяти на основе модифицированного триггера DICE с использованием встроенной оригинальной цифровой схемы считывания состояния триггера при воздействии одиночной ядерной частицы.
-
Методика проектирования топологических блоков на основе двухфазных КМОП логических элементов, прошедшая апробацию в ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН при проектировании многопортовых КМОП СОЗУ и в дальнейшем – при разработке библиотечных двухфазных логических элементов для задач автоматизированного синтеза.
Положения, выносимые на защиту
-
Эффект блокировки двухфазными логическими элементами импульсов помех при емкости связи дифференциальных выходов меньше порогового значения, обеспечивающей суммарную амплитудную реакцию на выходах меньше значения напряжения питания.
-
Сбоеустойчивые КМОП D и RS триггеры, основанные на выделении в их структуре транзисторов, разнесенное расположение которых на кристалле микросхемы исключает одновременное воздействие на них одиночной ядерной частицы, что и не приводит к сбоям триггеров.
-
Оригинальная многопортовая КМОП ячейка памяти с повышенной сбоеустойчивостью как хранения, так и чтения данных при воздействии одиночной ядерной частицы.
-
Методика проектирования топологических блоков для сбоеустойчивых многопортовых КМОП СОЗУ на основе ячеек памяти DICE и цепями управления на двухфазных КМОП логических элементах.
Апробация результатов диссертации
Результаты работы доложены на всероссийских и международных научно-технических конференциях: «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» (2012 г., 2014 г.), «Электроника, микро- и наноэлектроника» (2012 г., 2013 г.), «Научная сессия НИЯУ «МИФИ» (2012– 2015 гг.), «Курчатовская молодежная научная школа» (2011 г., 2014 г.), «Молодежь и наука» Научной сессии НИЯУ «МИФИ» (2011–2014 гг.).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 27 работах (в период с 2011 г. по 2015 г.), в том числе 10 в изданиях из перечня ВАК и 3 в изданиях из перечня журналов, включенных в базу данных Scopus. Шесть работ опубликованы без соавторов. Получено 3 патента РФ на изобретение и 1 свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы.
Структура и объем диссертации