一种新颖高效抗SEU/SET锁存器设计

随着工艺技术的发展,集成电路对单粒子效应的敏感性不断增加,因而设计容忍单粒子效应的加固电路日益重要.提出了一种新颖的针对单粒子效应的加固锁存器设计,可以有效地缓解单粒子效应对于电路芯片的影响.该锁存器基于DICE和C单元的混合结构,并采用了双模冗余设计.SPICE仿真结果证实了它具有良好的抗SEU/SET性能,软错误率比M.Fazeli等人提出的反馈冗余锁存器结构减少了44.9%.与经典的三模冗余结构比较,面积开销减少了28.6%,功耗开销降低了超过47%.     

一种低开销的抗SEU锁存器

随着微电子技术的不断进步,集成电路工艺尺寸不断缩小,工作电压不断降低,节点的临界电荷越来越小,空间辐射引起的单粒子效应逐渐成为影响芯片可靠性的重要因素之一。针对辐射环境中高能粒子对锁存器的影响,提出了一种低开销的抗SEU锁存器(LOHL)。该结构基于C单元的双模冗余,实现对单粒子翻转的防护,从而降低软错误发生的概率。Spice模拟结果显示,与其他相关文献中加固锁存器相比,LOHL在电路面积、延迟和延迟-功耗积上有优势。     

一种容SEU的新型自恢复锁存器

针对单粒子翻转(SEU)的问题,提出了一种容SEU的新型自恢复锁存器。采用1P-2N单元、输入分离的钟控反相器以及C单元,使得锁存器对SEU能够实现自恢复,可用于时钟门控电路。采用高速通路设计和钟控设计,以减小延迟和降低功耗。相比于HLR-CG1,HLR-CG2,TMR,HiPer-CG锁存器,该锁存器的功耗平均下降了44.40%,延迟平均下降了81%,功耗延迟积(PDP)平均下降了94.20%,面积开销平均减少了1.80%。     

适用于纳米工艺的SET/SEU加固触发器设计

针对触发器在纳米级工艺下容易受空间辐射中单粒子效应的影响而产生软错误的情况,基于CPSH触发器结构,研究了一种对单粒子效应中SET/SEU加固的延时采样软错误防护(DSSEP)触发器结构.该触发器由延时采样单元、输入传输单元、软错误鲁棒存储锁存器和反相输出单元组成.延时采样单元对来自其他逻辑电路的输出数据进行采样,采样数据经输入传输单元写入软错误鲁棒存储锁存器,并通过一个反相输出单元输出.仿真结果表明,DSSEP触发器具有很好的SET/SEU加固能力.经过比较和分析,证明DSSEP触发器与具有同样SET/SEU加固能力的保护门触发器(GGFF)相比,在晶体管数目和传播延时方面仅为GGFF的62％和33％.     

一种低开销的三点翻转自恢复锁存器设计

随着集成电路特征尺寸的不断缩减,在恶劣辐射环境下,纳米级CMOS集成电路中单粒子三点翻转的几率日益增高,严重影响可靠性。为了实现单粒子三点翻转自恢复,该文提出一种低开销的三点翻转自恢复锁存器(LC-TNURL)。该锁存器由7个C单元和7个钟控C单元组成,具有对称的环状交叉互锁结构。利用C单元的阻塞特性和交叉互锁连接方式,任意3个内部节点发生翻转后,瞬态脉冲在锁存器内部传播,经过C单元多级阻塞后会逐级消失,确保LC-TNURL锁存器能够自行恢复到正确逻辑状态。详细的HSPICE仿真表明,与其他三点翻转加固锁存器(TNU-Latch, LCTNUT, TNUTL, TNURL)相比,LC-TNURL锁存器的功耗平均降低了31.9%,延迟平均降低了87.8%,功耗延迟积平均降低了92.3%,面积开销平均增加了15.4%。相对于参考文献中提出的锁存器,LC-TNURL锁存器的PVT波动敏感性最低,具有较高的可靠性。     

一种低开销的三点翻转自恢复锁存器设计

随着集成电路特征尺寸的不断缩减,在恶劣辐射环境下,纳米级CMOS集成电路中单粒子三点翻转的几率日益增高,严重影响可靠性.为了实现单粒子三点翻转自恢复,该文提出一种低开销的三点翻转自恢复锁存器(LC-TNURL).该锁存器由7个C单元和7个钟控C单元组成,具有对称的环状交叉互锁结构.利用C单元的阻塞特性和交叉互锁连接方式,任意3个内部节点发生翻转后,瞬态脉冲在锁存器内部传播,经过C单元多级阻塞后会逐级消失,确保LC-TNURL锁存器能够自行恢复到正确逻辑状态.详细的HSPICE仿真表明,与其他三点翻转加固锁存器(TNU-Latch,LCTNUT,TNUTL,TNURL)相比,LC-TNURL锁存器的功耗平均降低了31.9％,延迟平均降低了87.8％,功耗延迟积平均降低了92.3％,面积开销平均增加了15.4％.相对于参考文献中提出的锁存器,LC-TNURL锁存器的PVT波动敏感性最低,具有较高的可靠性.     

一种低开销加固锁存器的设计

针对单粒子翻转问题,设计了一种低开销的加固锁存器。在输出级使用钟控C单元,以屏蔽锁存器内部节点的瞬态故障;在输出节点所在的反馈环上使用C单元,屏蔽输出节点上瞬态故障对电路的影响;采用了从输入节点到输出节点的高速通路设计,延迟开销大幅降低。HSPICE仿真结果表明,相比于FERST,SEUI,HLR,Iso-DICE锁存器,该锁存器的面积平均下降23.20%,延迟平均下降55.14%,功耗平均下降42.62%。PVT分析表明,该锁存器的性能参数受PVT变化的影响很小,性能稳定。     

一种高性能低功耗SEU免疫锁存器

为了缓解瞬态故障引发的软错误,提出一种对单粒子翻转完全免疫的加固锁存器。该锁存器使用4个输入分离的反相器构成双模互锁结构,使用具有过滤瞬态故障能力的C单元作为输出级,采用快速路径设计和钟控设计以提升速度和降低功耗。Hspice仿真结果表明,该电路结构没有未加固节点,所有节点都具有自恢复能力,适用于门控时钟电路。相比于SIN-LC,Cascode ST,FERST,TMR和SEUI加固等类型的锁存器,该锁存器的延迟、功耗、功耗延迟积平均下降82.72%,25.45%,84.24%。此外,该电路结构受工艺角、供电电压和温度扰动的影响较小。     

基于DICE结构的SRAM抗辐照加固设计

存储单元的加固是SRAM加固设计中的一个重要环节。经典DICE单元可以在静态情况下有效地抗单粒子翻转,但是动态情况下抗单粒子翻转能力较差。提出了分离位线的DICE结构,使存储单元在读写状态下具有一定的抗单粒子效应能力。同时,对外围电路中的锁存器采用双模冗余的方法,解决锁存器发生SEU的问题。该设计对SRAM进行了多方位的加固,具有很强的抗单粒子翻转能力。     

两个低开销抗单粒子翻转锁存器

提出了两个抗单粒子翻转(SEU)的锁存器电路SEUT-A和SEUT-B。SEU的免疫性是通过将数据存放在不同的节点以及电路的恢复机制达到的。两个电路功能的实现都没有特殊的器件尺寸要求,所以都可以由小尺寸器件设计完成。提出的结构通过标准的0.18μm工艺设计实现并仿真。仿真结果表明两个电路都是SEU免疫的,而且都要比常规非加固的锁存器节省功耗。和传统的锁存电路相比,SEUT-A只多用了11%的器件数和6%的传输延时,而SEUT-B多用了56%的器件数,但获得了比传统电路快43%的速度。     

基于C单元反馈回路的容SEU锁存器设计

随着电子技术的不断发展,集成电路的特征尺寸不断缩小,导致电路对宇宙高能粒子引发的单粒子翻转愈发敏感。提出了一种对单粒子翻转完全免疫的抗辐射加固锁存器。该锁存器利用具有过滤功能的C单元构建反馈回路,并在锁存器末端使用钟控C单元来阻塞传播至输出端的软错误。HSPICE仿真结果显示,在与TMR锁存器同等可靠性的情况下,该锁存器面积下降50%,延迟下降92%,功耗下降47%,功耗延迟积下降96%。     

纳米级低开销SEU免疫型XC Domino动态门

在纳米级工艺条件下,高速运算单元核心部件XC Domino动态门面临严重的软错误问题.本文提出一种适用SEU类软错误容错设计的免疫型XC Domino动态门,此免疫型动态门借鉴了锁存器单元稳定结构,对于动态门的输出端实施P-type扩散区隔离以完成SEU的防护.通过Spectre电路仿真,验证了SEU免疫型动态门能够实现对于高达2倍Vdd振幅电压脉冲干扰的SEU类软错误容错；另外,与传统XC Domino动态门容错设计方案相比,免疫型动态门能够降低13.64％的门延时,并能在减少47.37％面积开销的同时降低75.54％功耗开销.     

32nm CMOS工艺三点翻转自恢复锁存器设计

CMOS工艺的特征尺寸不断缩减,电荷共享效应诱发的单粒子三点翻转成为研究热点.本文提出了一种单粒子三点翻转自恢复的抗辐射加固锁存器:Hydra-DICE(Dual Interlocked Storage Cell).该锁存器基于24个同构的交叉耦合单元(Cross-Coupled Elements,CCE)排列成阵列结构.当内部任意三个节点同时发生单粒子翻转时,该锁存器都可以自行恢复到正确的逻辑值.与具有等效三点自恢复能力的TNURL(Triple Node Upset Self-Recoverable Latch)锁存器相比,该Hydra-DICE锁存器面积开销降低50％,延迟降低48.28％,功耗降低25％,功耗延迟积降低61.21％.仿真结果表明,该加固锁存器在容错性能、面积开销、延迟和功耗方面取得了很好的折中.     

改进DICE结构的D触发器抗SEU设计

基于DICE结构主-从型D触发器的抗辐照加固方法的研究,在原有双立互锁存储单元(DICE)结构D触发器的基础上改进电路结构,其主锁存器采用抗静态、动态单粒子翻转(SEU)设计,从锁存器保留原有的DICE结构。主锁存器根据电阻加固与RC滤波的原理,将晶体管作电阻使用,使得电路中存在RC滤波,通过设置晶体管合理的宽长比,使其与晶体管间隔的节点的电平在SEU期间不变化,保持原电平状态,从而使电路具有抗动态SEU的能力。Spectre仿真结果表明,改进的D触发器既具有抗动态SEU能力,又保留了DICE抗静态SEU较好的优点,其抗单粒子翻转效果较好。     

基于SRL结构的抗辐射SRAM单元设计

在空间辐射环境中,单粒子翻转(SEU)效应严重影响了SRAM的可靠性,对航天设备的正常运行构成极大的威胁。提出了一种基于自恢复逻辑(SRL)结构的新型抗辐射SRAM单元,该单元的存储结构由3个Muller C单元和2个反相器构成,并采用读写线路分开设计。单粒子效应模拟实验结果表明,该单元不仅在静态存储状态下对SEU效应具有免疫能力,在读写过程中对SEU效应同样具有免疫能力。     

5管SRAM单元的抗辐射性能研究

利用3D TCAD仿真,在45 nm 体硅工艺下,对5管SRAM单元和传统6管SRAM单元的抗辐射性能进行了对比研究。结果表明,5管SRAM单元的敏感面积更小,由该单元构成的SRAM阵列更难发生多位翻转。提出了一种带额外保护环的5管SRAM单元抗辐射加固策略,这种加固策略没有面积开销,模拟结果证实了该加固策略的有效性。     

一种新型抗多节点翻转加固锁存器

在纳米锁存器中,由电荷共享效应导致的多节点翻转(MNU)正急剧增加,成为主要的可靠性问题之一。尽管现有的辐射加固锁存器能够对MNU进行较好的容错,但是这些加固锁存器只依赖于传统的冗余技术进行加固,需要非常大的硬件开销。基于辐射翻转机制(瞬态脉冲翻转极性)设计了一种新型抗MNU锁存器。该锁存器可有效减少需保护的节点数(敏感节点数)和晶体管数,因此可减少电路的硬件开销。由于至少存在2个节点可以保存正确的值,因此任何单节点翻转(SNU)和MNU都可以被恢复容错。基于TSMC 65 nm CMOS工艺进行仿真,结果显示,设计的加固锁存器的电路面积、传播延迟和动态功耗分别为19.44μm²,16.96 ps和0.91μW。与现有的辐射加固锁存器相比,设计的锁存器具有较小的硬件开销功耗-延迟-面积乘积(PDAP)值,仅为300.02。     

一种新型低冗余抗多节点翻转的加固D锁存器设计

在航空航天等高辐射领域中,电荷共享效应引起的多节点翻转(Multiple-Node Upset,MNU)在D锁存器中愈发频繁,其可严重影响电子系统的功能。虽然目前现有的抗MNU加固D锁存器能够对MNU进行容错恢复,但是其硬件开销非常大。为解决这一问题,本文设计了一种新型低冗余抗MNU的加固D锁存器。在TSMC 65nm CMOS工艺下对该锁存器时序及容错功能进行的仿真验证结果表明,与现有抗MNU锁存器相比,本文构造的加固锁存器不仅可恢复MNU,而且具有面积更小、功耗更低、传输时间更短的优点。     

民用机载电子硬件的SEU效应FPGA仿真测试研究

针对民用机载电子硬件的现场可编程门阵列(FPGA)芯片高使用频率和长时间运行的特点,以及联邦航空管理局(FAA)等提出的审查条例对单粒子翻转效应(SEU)的防护要求,介绍了民用机载电子硬件的SEU效应评估研究的必要性。并且从民用机载电子硬件主流的三模冗余容错电路入手,设计了SEU效应仿真测试电路。将冗余系统与多时钟沿触发相结合,提高了系统的检错能力。对冗余系统进行仿真SEU故障注入,通过与参照单元的比较,可对SEU效应引起的失效的发生进行仿真测试。     

一种基于三联锁结构的单粒子翻转加固锁存器

本文提出了一种基于三联锁结构的单粒子翻转加固锁存器。该锁存器使用保护门和反相器在其内部构建三路反馈,以此获得对发生在任一电路节点上的单粒子效应的自恢复能力,有效抑制由粒子轰击半导体引发的电荷沉积带来的影响。本文在详细分析已报道的三种抗辐射锁存器结构可靠性的基础上,针对其在单粒子效应作用下,或单粒子效应和耦合串扰噪声的共同作用下依然可能发生翻转的问题,指出本文提出的锁存器可通过内部的三联锁结构对上述问题进行有效的消除。所有结论均得到电路级单粒子效应注入仿真结果,以及基于经典串扰模型模拟串扰耦合和单粒子效应共同作用的仿真结果的支持和验证。