Введение к работе
Актуальность диссертации
Вычислительная техника должна обеспечить надежное
функционирование современных систем автоматики и управления в условиях космического, околоземного пространства и наземного уровня при воздействии потоков ядерных частиц с низкой интенсивностью. Снижение проектно-технологических норм производства КМОП СБИС приводит к повышению чувствительности к эффектам воздействия отдельных космических частиц.
Высокая чувствительность блоков статических ОЗУ к воздействию отдельных ядерных частиц обусловлена высокой плотностью упаковки ячеек и малыми размерами транзисторов ячеек памяти в статических ОЗУ на кристалле. Происходит накопление ошибок от нескольких воздействий, произошедших за время хранения данных в блоке ОЗУ.
Поэтому в качестве объекта исследования выбраны суб-65-нм
элементы статической памяти для оперативных запоминающих
устройств повышенной сбоеустойчивости. Предметом исследования
являются методы повышения сбоеустойчивости статических
оперативных запоминающих устройств по проектным нормам 65 и 28
нм. Значимой и актуальной является задача повышения
сбоеустойчивости КМОП СБИС ОЗУ к воздействиям одиночных ядерных частиц.
Состояние вопроса
Повышение сбоеустойчивости статического ОЗУ в первую очередь
связано с повышением сбоеустойчивости ячейки памяти. Авторами
Canaris J., Whitaker S.R., Nicolaidis M., Velazco R., Calin T., Eaton H.A.,
Rockett L.R., Liu M.N., Bessot D. были предложены варианты ячеек
памяти, обладающих повышенной сбоеустойчивостью благодаря
дублированию хранимых данных в дополнительных узлах, наибольшую
эффективность среди которых показала ячейка памяти DICE. При
снижении проектных норм до 32–40 нм ячейки памяти DICE,
спроектированные масштабированием традиционной топологии,
потеряли преимущество над обычными D триггерами и 6Т КМОП ячейками памяти по частоте сбоев, что показано в работах авторов Seifert N.P., Massengill L.W., Loveless T.D., Rennie D.
Результаты исследований КМОП ячеек памяти с повышенной сбоеустойчивостью представлены в работах Стенина В.Я., Черкасова И.Г., а также в трудах зарубежных авторов, таких как Seifert N., Massengill L.W., Gaspard N., Zhang K. Частота сбоев КМОП ячеек памяти, потенциально устойчивых к воздействию одиночных ядерных
частиц, может быть снижена за счет новых конструктивно-топологических методов увеличения расстояния между чувствительными узлами при минимальных дополнительных затратах площади кристалла. Авторами Lilja K., Lee H.K. исследовано расположение транзисторов ячейки DICE в одну линию, что позволило снизить частоту сбоев при облучении нейтронами, протонами и тяжелыми ионами с треками во всех азимутальных направлениях, кроме направления вдоль линии расположения транзисторов.
Особенностям и способам считывания данных в блоках статических ОЗУ посвящены труды Sakurai T., Seningen M.R., Runas M.E., Thoma N.G., Doyle S.E. Однако, существующие схемы чтения не могут обеспечить достоверное чтение данных во время нахождения ячейки памяти DICE в нестационарном состоянии, возникающем при воздействии частицы. Вопросы сбоеустойчивости блоков управления записью и чтением данных рассмотрены в работах
Методы и особенности проектирования стойких к дозовым эффектам
СБИС ОЗУ представлены в работах Герасимова Ю.М., Григорьева Н.Г.,
Петричковича Я.Я. Развитию методов моделирования влияния
радиационных эффектов в СБИС посвящены работы Петросянца К.О.,
Харитонова И.А., Самбурского Л.М. Развитию архитектуры
отечественных высокопроизводительных микропроцессорных систем с повышенной надежностью посвящены работы Бобкова С.Г.
Новые методы экспериментальных исследований СБИС предложены и развиты в работах Скоробогатова П.К., Никифорова А.Ю., Чумакова А.И., Улимова В.Н., которыми получены и обобщены многочисленные данные, использованные для повышения стойкости отечественной элементной базы микроэлектроники.
Вопросы моделирования, прогнозирования одиночных и кратных
эффектов в СБИС ОЗУ, а также разработка методик испытаний получили
развитие в работах Яненко А.В., Улановой А.В., Горбунова М.С.,
Боруздиной А.Б. Методы использования лазерных имитационных
комплексов, позволяющие оценить сбоеустойчивость СБИС развиты в
работах Егорова А.Н., Маврицкого О.Б., Печенкина А.А.,
Савченкова Д.В.
Цель и задачи диссертации
Целью диссертации является развитие методов проектирования суб-65-нм КМОП элементов статической памяти для оперативных запоминающих устройств повышенной сбоеустойчивости.
Достижение указанной цели обеспечено решением следующих задач: - Оценка сбоеустойчивости суб-65-нм КМОП 6-транзисторных ячеек памяти.
Обоснование схемотехники и топологии суб-65-нм КМОП двухфазной ячейки памяти с повышенной устойчивостью к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц.
Разработка рекомендаций по проектированию топологий двухфазных суб-65-нм КМОП ячеек памяти с повышенной помехоустойчивостью при минимальных дополнительных затратах по площади и максимальном быстродействии.
Обеспечение достоверного чтения данных в КМОП ОЗУ на двухфазных ячейках памяти как в стационарных, так и нестационарных состояниях при воздействии одиночных ядерных частиц.
Научная новизна диссертации
1.Обосновано, что КМОП ячейки памяти, заявляемые в настоящее
время как сбоеустойчивые, включая ячейки DICE с традиционной
топологией, не могут обеспечить заметного повышения
сбоеустойчивости по сравнению с шести-транзисторными ячейками при проектных нормах 65 нм и менее.
2. Предложены конструктивно-топологические варианты базовых
элементов памяти с использованием чередования групп транзисторов из
разных ячеек памяти, что обеспечило как минимизацию площади, так и
максимальное быстродействие ячеек памяти в разных базовых элементах
памяти по объемной КМОП технологии с проектными нормами 65 нм и
28 нм, так и оптимальное соотношение этих параметров.
3. Обоснована возможность чтения данных ячеек памяти DICE в
нестационарном состоянии ячейки, вызванном эффектом воздействия
одиночной ядерной частицы.
Практическая значимость диссертации
-
Спроектированы и изготовлены блоки статических ОЗУ по технологии объемный КМОП 65 нм на основе базовых элементов памяти, содержащих четыре ячейки памяти с чередованием групп транзисторов и расстояниями 2.3-3.4 мкм между парами взаимно чувствительных к сбоям узлов с минимизацией площади ячеек.
-
Результаты экспериментального исследования блоков КМОП ОЗУ на основе предложенных базовых элементов памяти, так и традиционных 6-транзисторных ячеек памяти, выполненных на общем кристалле, показали, что ОЗУ на базовых элементах памяти имеют порог сбоя по энергии импульса лазерного излучения как минимум в 10 раз выше и в них отсутствуют кратные сбои ячеек. Кратность сбоев в ОЗУ на 6-транзисторных ячейках составляет 20-21 при энергии воздействия 4.0 нДж, являющейся лишь пороговой энергией сбоя для предложенных базовых элементов памяти.
3. Результаты работы использованы при проектировании кэш ОЗУ по
объемной КМОП технологии 65 нм в составе микросхем
микропроцессоров 1890ВМ8Я и 1890ВМ9Я в рамках ОКР «Процессор-5» и «Процессор-6», и в ОКР «Обработка-10» по технологии КНИ КМОП 0.25 мкм. Разработанные топологии используются в НИИ системных исследований РАН при разработке заказных блоков СОЗУ повышенной сбоеустойчивости.
Положения, выносимые на защиту
1. Предложены конструктивно-топологические варианты построения
накопителей сбоеустойчивых КМОП кэш ОЗУ на основе групп
транзисторов, объединяемых в столбцовые либо строчные матрицы,
образующие ячейки DICE с минимизированным количеством шин связи,
что обеспечило снижение площади, занимаемой накопителями на
кристалле микросхемы.
2. Предложен оригинальный четырех-входовый считывающий
усилитель для блоков памяти КМОП ОЗУ на ячейках DICE,
позволяющий осуществить чтение данных в нестационарном состоянии
ячеек, вызванном воздействием одиночной ядерной частицы на одну из
двух групп транзисторов ячейки памяти.
3. Методика проектирования топологии накопителей сбоеустойчивых
КМОП кэш ОЗУ, выполненных по объемной КМОП технологии с
проектными нормами 65 нм и 28 нм на основе групп транзисторов
однопортовых ячеек памяти DICE, направленная на минимизацию
площади при заданном быстродействии.
Апробация диссертации
Результаты работы доложены на всероссийских научно-технических
конференциях: «Электроника, микро- и наноэлектроника» (2012 г.,
2013 г.), «Проблемы разработки перспективных микро- и
наноэлектронных систем (МЭС)» (2012г., 2014 г.), «Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость-2014», на конференциях «Научная сессия НИЯУ МИФИ» (2012 г. – 2015 г.), «Курчатовская молодёжная научная школа» (2011 г., 2014 г., 2015 г.)
Публикации
Общее число работ, опубликованных по теме диссертации – 24 (в период с 2011 г. по 2015 г.) в том числе 10 в журналах перечня ВАК, включая 2 в журнале, индексируемом в базе данных Scopus, 8 работ опубликованы без соавторов. Получены 2 патента Российской Федерации на изобретения. Получено свидетельство о государственной регистрации топологии.
Структура и объем диссертации