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。     

低功耗容软错误的65 nm CMOS 12管SRAM单元

提出了一种具有软错误自恢复能力的12管SRAM单元。该单元省去了专用的存取管,具有高鲁棒性、低功耗的优点。在65 nm CMOS工艺下,该结构能够完全容忍单点翻转,容忍双点翻转的比例是64.29%,与DICE加固单元相比,双点翻转率降低了30.96%。与DICE、Quatro等相关SRAM加固单元相比,该SRAM单元的读操作电流平均下降了77.91%,动态功耗平均下降了60.21%,静态电流平均下降了44.60%,亚阈值泄漏电流平均下降了27.49%,适用于低功耗场合。     

抗单粒子翻转的双端口SRAM定时刷新机制研究

在空间辐射环境下,存储单元对单粒子翻转的敏感性日益增强。通过比较SRAM的单粒子翻转效应相关加固技术,在传统EDAC技术的基础上,增加少量硬件模块,有效利用双端口SRAM的端口资源,提出了一种新的周期可控定时刷新机制,实现了对存储单元数据的周期性纠错检错。对加固SRAM单元进行分析和仿真,结果表明,在保证存储单元数据被正常存取的前提下,定时刷新机制的引入很大程度地降低了单粒子翻转引起的错误累积效应,有效降低了SRAM出现软错误的概率。     

基于分离位线DICE结构的SRAM存储单元版图抗辐射设计

在SRAM加固设计中,存储单元的版图抗辐射设计起着重要的作用。基于分离位线的双互锁存储单元（DICE）结构,采用0.18μm体硅工艺,根据电路功能、结构和抗辐射性能,设计了一种新的NMOS隔离管的SRAM存储单元版图结构。根据分析结果,SRAM存储单元在确保存储单元功能的前提下,具备抗总剂量效应、抗单粒子翻转和抗单粒子闩锁效应,同时可实现单元面积的最优化。     

SRAM激光微束单粒子效应实验研究

结合器件版图,通过对2 k SRAM存储单元和外围电路进行单粒子效应激光微束辐照,获得SRAM器件的单粒子翻转敏感区域,测定了不同敏感区域单粒子翻转的激光能量阈值和等效LET阈值,并对SRAM器件的单粒子闭锁敏感度进行测试.结果表明,存储单元中截止N管漏区、截止P管漏区、对应门控管漏区是单粒子翻转的敏感区域;实验中没有测到该器件发生单粒子闭锁现象,表明采用外延工艺以及源漏接触、版图布局调整等设计对器件抗单粒子闭锁加固是十分有效的.     

电离总剂量辐射加固SRAM设计

在空间和核辐射环境下,电离总剂量辐射(TID)效应严重影响采用商用CMOS工艺的SRAM的可靠性和寿命.针对SRAM,设计了四种TID加固的存储单元,分析对比了四个加固单元对TID,单粒子闩锁、单粒子翻转三种SRAM中常见辐射效应的抵御水平以及加固单元的面积和速度.加固SRAM单元的抗TID水平得到极大提高,同时,抗单粒子效应水平、面积、速度也达到一定的要求.这些单元可用于实现基于商用CMOS工艺并具有高抗辐射性能的SRAM.     

一种双栅结构抗单粒子翻转加固SRAM存储单元

通过对单粒子效应以及抗单粒子翻转电路加固原理进行分析,提出一种基于双栅MOS结构的具有单粒子翻转加固能力的SRAM存储单元。该单元在实现抗单粒子翻转加固的同时具有快速翻转恢复、快速写入、低静态功耗的特点。基于0.18μm CMOS工艺进行电路仿真,结果显示该加固单元读/写功能正确,翻转阈值大于100 Me V·cm2/mg。可以预测,该电路应用于空间辐射环境下将有较好的稳定性。     

用SOI技术提高CMOS SRAM的抗单粒子翻转能力

提高静态随机存储器（SRAM）的抗单粒子能力是当前电子元器件抗辐射加固领域的研究重点之一。体硅CMOS SRAM不作电路设计加固则难以达到较好抗单粒子能力,作电路设计加固则要在芯片面积和功耗方面做出很大牺牲。为了研究绝缘体上硅（SOI）基SRAM芯片的抗单粒子翻转能力,突破了SOI CMOS加固工艺和128kb SRAM电路设计等关键技术,研制成功国产128kb SOI SRAM芯片。对电路样品的抗单粒子摸底实验表明,其抗单粒子翻转线性传输能量阈值大于61．8MeV／（mg／cm^2）,优于未做加固设计的体硅CMOS SRAM。结论表明,基于SOI技术,仅需进行器件结构和存储单元的适当考虑,即可达到较好的抗单粒子翻转能力。     

一种抗单粒子多节点翻转的存储单元

为解决纳米CMOS工艺下单粒子多节点翻转的问题,提出了一种加固存储单元(RH-12T)。在Quatro-10T存储单元基础上对电路结构进行改进,使存“0”节点不受高能粒子入射的影响,敏感节点对的数目是晶体管双立互锁(DICE)存储单元的一半。基于敏感节点对分离和SET缩减原理,进行了加固存储单元版图设计。在相同设计方法下,该存储单元的敏感节点间距是DICE存储单元的3倍。抗SEU仿真结果表明,该存储单元具备单节点翻转全加固能力。全物理模型单粒子瞬态仿真结果表明,该存储单元的线性能量转移 (LET)翻转阈值为DICE存储单元的2.8倍,能有效缓解单粒子多节点翻转的问题。     

基于130nm PD-SOI工艺存储单元电路的抗辐射加固设计

基于130 nm部分耗尽绝缘体上硅(SOI) CMOS工艺,设计并开发了一款标准单元库.研究了单粒子效应并对标准单元库中存储单元电路进行了抗单粒子辐射的加固设计.提出了一种基于三模冗余(TMR)的改进的抗辐射加固技术,可以同时验证非加固与加固单元的翻转情况并定位翻转单元位置.对双互锁存储单元(DICE)加固、非加固存储单元电路进行了性能及抗辐射能力的测试对比.测试结果显示,应用DICE加固的存储单元电路在99.8 MeV ·cm2 ·mg_1的线性能量转移(LET)阈值下未发生翻转,非加固存储单元电路在37.6 MeV·cm2·mg_1和99.8 MeV·cm2·mg_1两个LET阈值下测试均发生了翻转,试验中两个版本的基本单元均未发生闩锁.结果证明,基于SOI CMOS工艺的抗辐射加固设计(RHBD)可以显著提升存储单元电路的抗单粒子翻转能力.     

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。     

一种低功耗低延迟的容忍DNU锁存器设计

随着集成电路器件特征尺寸的进一步减小,锁存器内部节点之间的距离越来越短.由于内部节点间的电荷共享效应,器件在空间辐射环境中频繁发生单粒子翻转(SEU),受影响节点由单节点扩展到双节点.文章提出了一种新型的锁存器加固结构,利用C单元固有的保持属性,实现对单节点翻转(SNU)和双节点翻转(DNU)的完全容忍.HSPICE仿...     

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%。     

一种65 nm CMOS低功耗加固SRAM单元

提出了12管低功耗SRAM加固单元。基于堆叠结构,大幅度降低电路的泄漏电流,有效降低了电路功耗。基于两个稳定结构,可以有效容忍单粒子翻转引起的软错误。Hspice仿真结果表明,与相关加固结构相比,该结构的功耗平均下降31.09%,HSNM平均上升19.91%,RSNM平均上升97.34%,WSNM平均上升15.37%,全工作状态下均具有较高的静态噪声容限,表现出优秀的稳定性能。虽然面积开销平均增加了9.56%,但是,读时间平均下降14.27%,写时间平均下降18.40%,能够满足高速电子设备的需求。     

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。     

Low cost and highly reliable radiation hardened latch design in 65 nm CMOS technology

As a consequence of technology scaling down, gate capacitances and stored charge in sensitive nodes are decreasing rapidly, which makes CMOS circuits more vulnerable to radiation induced soft errors. In this paper, a low cost and highly reliable radiation hardened latch is proposed using 65 nm CMOS commercial technology. The proposed latch can fully tolerate the single event upset (SEU) when particles strike on any one of its single node. Furthermore, it can efficiently mask the input single event transient (SET). A set of HSPICE post-layout simulations are done to evaluate the proposed latch circuit and previous latch circuits designed in the literatures, and the comparison results among the latches of type 4 show that the proposed latch reduces at least 39% power consumption and 67.6% power delay product. Moreover, the proposed latch has a second lowest area overhead and a comparable ability of the single event multiple upsets (SEMUs) tolerance among the latches of type 4. Finally, the impacts of process, supply voltage and temperature variations on our proposed latch and previous latches are investigated.     

Quantitative analysis and optimization techniques for on-chip cache leakage power

On-chip L1 and L2 caches represent a sizeable fraction of the total power consumption of microprocessors. In nanometer-scale technology, the subthreshold leakage power is becoming one of the dominant total power consumption components of those caches. In this study, we present optimization techniques to reduce the subthreshold leakage power of on-chip caches assuming that there are multiple threshold voltages, V/sub T/'s, available. First, we show a cache leakage optimization technique that examines the tradeoff between access time and subthreshold leakage power by assigning distinct V/sub T/'s to each of the four main cache components-address bus drivers, data bus drivers, decoders, and static random access memory (SRAM) cell arrays with sense amplifiers. Second, we show optimization techniques to reduce the leakage power of L1 and L2 on-chip caches without affecting the average memory access time. The key results are: 1) two additional high V/sub T/'s are enough to minimize leakage in a single cache-3 V/sub T/'s if we include a nominal low V/sub T/ for microprocessor core logic; 2) if L1 size is fixed, increasing L2 size can result in much lower leakage without reducing average memory access time; 3) if L2 size is fixed, reducing L1 size may result in lower leakage without loss of the average memory access time for the SPEC2K benchmarks; and 4) smaller L1 and larger L2 caches than are typical in today's processors result in significant leakage and dynamic power reduction without affecting the average memory access time.     

基于毛刺阻塞原理的低功耗双边沿触发器

当输入信号存在毛刺时,双边沿触发器的功耗通常会显著增大,为了有效降低功耗,提出一种基于毛刺阻塞原理的低功耗双边沿触发器。在该双边沿触发器中,采用了钟控CMOS技术C单元。一方面,C单元能有效阻塞输入信号存在的毛刺,防止触发器锁存错误的逻辑值。另一方面,钟控CMOS技术可以降低晶体管的充放电频率,进而降低电路功耗。相比其他现有双边沿触发器,该双边沿触发器在时钟边沿只翻转一次,大幅度减少了毛刺引起的节点冗余跳变,有效降低了功耗。与其他5种双边沿触发器相比,该双边沿触发器的总功耗平均降低了40.87%~72.60%,在有毛刺的情况下,总功耗平均降低了70.10%~70.29%,仅增加22.95%的平均面积开销和5.97%~6.81%的平均延迟开销。     

Low Power Design of Precomputation-Based Content-Addressable Memory

Content-addressable memory (CAM) is frequently used in applications, such as lookup tables, databases, associative computing, and networking, that require high-speed searches due to its ability to improve application performance by using parallel comparison to reduce search time. Although the use of parallel comparison results in reduced search time, it also significantly increases power consumption. In this paper, we propose a Block-xor approach to improve the efficiency of low power precomputation-based CAM (PB-CAM). Through mathematical analysis, we found that our approach can effectively reduce the number of comparison operations by 50% on average as compared with the ones-count approach for 32-bit-long inputs. In our experiment, we used Synopsys Nanosim to estimate the power consumption in TSMC 0.35-mum CMOS technology. Compared with the ones-count PB-CAM system, the experimental results show that our proposed approach can achieve on average 30% in power reduction and 32% in power performance reduction. The major contribution of this paper is that it presents theoretical and practical proofs to verify that our proposed Block-xor PB-CAM system can achieve greater power reduction without the need for a special CAM cell design. This implies that our approach is more flexible and adaptive for general designs.     

适用于无源射频标签的低功耗单栅非挥发性存储器

针对低成本、低功耗无源射频电子标签,采用SMIC 0.18μm标准CMOS工艺设计实现了单栅、576bit的非挥发性存储器.存储器单元基于双向Fowler-Nordheim隧穿效应原理并采用普通的pMOS晶体管实现;编程/擦写时间为10ms/16bit.芯片实现块编程和擦写功能,通过提出一种新型的敏感放大器而实现了读功耗的优化.在电源电压为1.2V,数据率为640kHz时,读操作平均消耗电流约为0.8μA.