Введение к работе
Актуальность проблемы.
Разработка современных специализированных бортовых цифровых вычислительных машин (СБЦЕМ) с высокими техническими характеристиками невозможна без использования больших интегральных схем запоминающих устройств (БИС ЗУ). Сложность современных БИС ЗУ и разнообразие проявления радиационных эффектов в них затрудняют адекватный анализ радиационного поведения аппаратуры на их основе. Использование традиционного подхода, заключающегося з выделении уровней описания объекта и моделировании его поведения на каждом из этих уровней, сталкивается с рядом проблем. Основными из них являются: сложность реальных ИС. многообразие физических эффектов, вызывающих неоднозначную и нестабильную работу, а также наличие зависимости стойкости устройств от условий функционирования. Все это приводит как к параметрическим, так и к функциональным отказам, для анализа которых предпочтительно совместное использование моделей всех уровней иерархии модельного описания: физический, электрический и функционально-логический. Анализ и моделирование радиационного поведения БИС и СБИС на электрическом уровне описания дает детальное описание поведения объекта, однако он не эффективен вследствие ограниченных возможностей электрических моделей и больших размерностей решаемых задач. При переходе на функционально-логический уровень моделирования имеет место существенное сокращение сложности задачи и объема вычислений.
Модели функционально-логического уровня для описания воздействия дестабилизирующих факторов, изложенные в ряде работ, ориентированы, во-первых, на использовании при многоуровневом иерархическом моделировании замкнутых моделей функционально-логического уровня относительно электрического, что не позволяет отразить в них в явном виде зависимость радиационно-чувствитель-ных параметров, устройства от уровня и характера воздействия. Во-вторых, использованы предположения о пороговом и недетерминированном характере отказов/ в то время как, радиационные отк^оы БИС, являются детерминированными и не носят пороговый, монотонный характер отказа. Такие отказы являются следствием непрерывных физических процессов з материалах ИС при облучении. Поэтому
более эффективным является подход, основанный на расширении возможностей функционально-логического моделирования радиационного поведения БИС, основанного на модели нечеткого цифрового автомата Брауэра, который создает основу для формализации задания ме-журовневых связей функционально-логического и электрического уровней при решении задачи моделирования радиационного поведения БИС.
Таким образом возникает необходимость создания на этой основе расчетно-экспериментальных методов и средств моделирования радиационного поведения БИС и устройств на функционально-логическом уровне их описания и разработки методов повышения стойкости ИС. работающих в условиях возникновения остаточных и переходных радиационных эффектов, что является актуальной задачей и составляет основу диссертации.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка специализированных ОЗУ БЦВМ с повышенной радиационной стойкостью (PC) на основе расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения БИС на функционально-логическом уровне с учетом особенностей применения их в СБЦВМ. а также методов и технических средств для исследования влияния стойкости БИС* и устройств при воздействии стационарного и импульсного излучений.
Научная новизна и значимость работы.
Разработаны методы расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения ИС и БИС ЗУ на функционально-логическом уровне их описания . учитывающие особенности конструктивно-технологического исполнения ИС, схемно-технического, '-структурного решений и режимов работы при воздействии стационарного и импульсного излучений, позволившие разработать процедуру и провести оценку PC различных БИС ЗУ.
Разработаны методы построения функционально-логических моделей радиационного поведения ИС на основе метода критериальных функций принадлежности (КФП). дающего возможность формализовать задания межуровневых связей (функционально-логического и электрического).- что позволяет учесть особенности радиационного поведения электрических характеристик элементов ИС на фуккциональ-
но-логическом уровне.
Разработаны функционально-логические модели логических элементов (ЛЭ) и устройств цифровых ЗУ различных типов и предложена методика их применения для анализа радиационного поведения пос-ледовательнастных и комбинационных схем с учетом условий функционирования, " облучения и типа базового критериального параметра электрического уровня моделирования, что привело к повышению достоверности описания радиационного поведения.
Разработаны алгоритмы расчета статических КФП, КФП "отжига" ЛЭ ИС при стационарном облучении, импульсных КФП и алгоритм расчета КФП. отражающие динамические процессы в асинхронных автоматах, с памятью при стационарном облучении, и существенно расширяющие" сферу применения,данных методов и позволяющие использовать их в соответствии с типом излучения и выбранными критериальными параметрами для определения уровня стойкости БИС.
Предложены обобщенные характеристики работоспособности БИС по критерию радиационной стойкости, . отражающие характер нарушения работоспособности при облучении и относительный вклад в нее отдельных элементов, что дает возможность на этапе проектирования внести коррекцию в схемно-технические, структурные решения и сократить время проектирования ИС.
Предложена методика использования технологических и аппа-ратно-алгоритмических методов обеспечения PC .СБЦВМ в условиях массовых сбоев, которая позволила применить их при разработке ЗУ СБЦВМ с повышенной PC.
Разработаны методические основы расчетно-экспериментального моделирования' для проведения испытаний БИС на стойкость к воздействию стационарного и импульсного излучений, позволившие существенно повысить достоверность проведения экспериментов, снизить погрешности и на этой основе в несколько раз сократить объем и продолжительность испытаний на МУ и имитаторах. Полученные расчетным путем критические и доминирующие параметры ИС дали возможность целенаправленно разрабатывать методики испытаний. которые позволили- рекомендовать данные методы в качестве необходимого этапа при проведении испытаний БИС на стойкость к остаточным и переходным эффектам.
Практическая значимость работы.
Разработаны методы расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения БИС и устройств на функционально-логическом уровне их описания. На их основе разработаны структурные и схемно-технические методы, которые позволили улучшить радиационную стойкость БИС ППЗУ 556РТ7 (16К) к ИИ до группы 2У, БИС ППЗУ' 1622РТ5 (4К) к ИИ до группы ЗУ, масочных БИС ПЗУ 1656РЕ4 (64К) к ИИ до группы ЗУ и повысить устойчивость к воздействию высокоинтенсивного ИИ до уровня безотказной работы, соответствующей требованиям ТУ в КМДП/КНС БИС ОЗУ /1604РУ1/2, 1620РУ1/2.
Разработан блок функционального контроля (БФК) технических средств для проведения испытаний на моделирующих установках (МУ) и имитаторах, рассчитанный на возможность проведения испытаний широкого класса современных БИС, в том числе БИС ОЗУ, ППЗУ. ПЗУ, РПЗУ. .
Разработаны методики прогнозирования радиационного поведения БИС ЗУ различных классов на основе, табличного и схемно-логи-ческого методов расчета и метода выделения информационных цепей.
Разработаны и апробированы методики проведения испытаний цифровых ИС, в том числе БИС ЗУ на моделирующих установках и имитаторах.
Предложена методика совместного использования технологических и аппаратно-алгоритмических методов и показана ее эффективность обеспечения PC СБЦВМ в условиях массовых сбоев. Для реализации этих методов разработано магнитно-транзисторное специализированное ОЗУ емкостью 4К (256x16) для СБЦВМ "Заря-ЗМ".
Проведена серия испытаний на МУ и имитаторах: КМДП. КМДП/КНС, n-МОП. ТТЛ, ТТЛШ, ИгЛ БИС ОЗУ, ППЗУ, ПЗУ, подтвердивших достоверность,разработанных моделей и методик с точностью, определяемой адекватностью параметров моделей электрического уровня и погрешностью дозиметрии.
Результаты работы использованы на практике при разработке и обеспечении стойкости к стационарному и импульсному ИИ КМДП БИС ОЗУ. и ПЗУ серий 1617, 1619. 1526, 1537 на предприятии "Ангстрем"; ТТЛШ БИС ППЗУ и ПЗУ серий 556, 1622, 1656 на предприятии "НИИМЭ и завод "Микрон": КМДП/КНС БИС ОЗУ серий 1604. 1620 на
предприятии АО "НПП Сапфир"; СБЦВМ "Заря-ЗМ" на предприятии ШИЛ.
Результаты диссертационной работы вошли в межотраслевое методическое руководство (Инв. No 12/186) и отчетные материалы по НИР "Цефей-2-3". "Цефей-2-15". "Спин". "Электрон". "Лира-15". "Лира-23", "Заряд-МИФИ", "Импульс". "Перенос-3\ "Юпитер-1". "Редан-МИФИ" и ряд других работ.
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях "Ангстрем", "НИИМЭ и завод "Микрон", АО "НПП Сапфир", НИИП, ЭНПО "Специализированные электронные системы" и др.
Результаты, выносимые на зашиту.
-
Методы и методики расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения ИС и БИС ЗУ на функционально-логическом уровне их описания, учитывающие особенности конструктивно-технологического исполнения ИС, . схемно-технического и структурного решения и режимов работы при воздействии стационарного и импульсного излучения.
-
Функционально-логические модели и результаты моделирования радиационного поведения ИС и БИС ЗУ различных типов при описании остаточных и переходных радиационных эффектов.
-
Система параметров для оценки качества функционирования работоспособности ИС от условия и вида облучений, а также методики расчета КФП. где КФП определяется раздельно для каждого вида излучения и ориентируется на характер физических процессов.
4.. Методические основы-проведения экспериментальных исследований ИС и БИС ЗУ при радиационном воздействии на моделирующих и имитационных установках и разработанные аппаратные средства для их проведения.
5. Методика применения технологических и аппаратно-алгорит-мического методов повышения радиационной стойкости СБЦВМ при воздействии импульсного «ионизирующего излучения (ИИ), которая основана на учете полученных зависимостей радиационной чувствительности устройства с помощью расчетно-экспериментальных методов функционально-логического моделирования радиационного поведения элементной базы для определения параметрических и функциональных запасов устройства с целью повышения эффективности использования метода и ее реализации в виде ввеления в СБЦВМ раг-
работанного магнитно-транзисторного специализированного ОЗУ.
6. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие обоснованность применения предложенных моделей и методов на широком классе ЗУ.
Апробация и публикации.
Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на I межотраслевом совещании "Создание ППП и ИС устойчивых к воздействию внешних факторов для особо надежной нерезервируе-мой РЭА". г. Винница, 1982 г.: на I Всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах ИС", г. Гурзуф, 1983 г.; на II межотраслевом совещании "Проблемы создания ППП и ИС, устойчивых к воздействию внешних факторов для особо надежной РЭА", г. Душанбе. 1984 г.; на "XII совещании по координации НИР на ИЯР". г. Алма-Ата. 1982 г.; на XXX научной конференции МИФИ "Физическая электроника, электронные приборы и установки, и электрофизические установки и ускорители".' г. Москва, 1983 г.: на XXXI научной конференции МИФИ "Физическая электроника, электронные приборы и установки, и электрофизические установки и ускорители", г. Москва. 1985 г.; на II Всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальные исследования электрической релаксации в элементах ИМС". г. Одесса, 1986 г.; на Совещании-семинаре "Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ. элементов и материалов к воздействию ИИ ЯВ". г. Москва, 1986 г.; на XXXII научной конференции МИФИ "Радиационная электроника и микроэлектроника", г. Москва. 1987 г.; на "XV Всесоюзном совещании по использованию ИЯР". г. Обнинск. 1988 г.; на III межотраслевом совещании-семинаре "Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ, элементов и материалов к воздействию ИИ ЯВ" г. Баку. 1987 г.; на V межотраслевом совещании "Создание ППП и ИС устойчивых к воздействию внешних факторов", г. Москва (НПО "Взлет"), 1988 г.; на IV межотраслевом совещании-семинаре "Проблемы создания полупроводниковых приборов и ИС, стойких к воздействию внешних факторов (ВВФ)" г. Винница. 1998 г.. на VII Международной конференции по микроэлектронике "Микроэлектрони-ка-90", г. Минск, 1990 г.; на V Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы радиационной и электромагнитной стойкости
радиоэлектронной аппаратуры и электрорадиоизделий", г. Челя-бинск-70, 1990 г.; на V межотраслевом совещании-семинаре "Проблемы создания полупроводниковых приборов. ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ". г. Петрозаводск, 1991 г.; на VI межотраслевом семинаре "Радиационные процессы в электронике", г. Москва, 1994 г.; на Научной сессии "МКФИ-98" ч.5 "Электроника", г. Москва, 1998 г.; на Российской научной конференции "Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость - 98". г. Лыткарино. 1998г.
Всего по теме диссертации опубликовано 46 печатных работ.
Основные результаты диссертационной работы изложены в 22 печатных трудах, а также вошли в отчетные материалы по НИР 80-3-140, 85-3-249. 85-3-140, "Лира-15", 88-3-374, 90-3-376. (МИФИ), "Кашира". "Перенос", "Юпитер-1" (ЭНПО СПЭЛС) и другие.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 365 стр. печатного текста (включая приложения), в том числе 43 таблицы. 163 рисунка и библиографию, включающую 99 наименований.
