DICE型D触发器三模冗余实现及辐照实验验证

分析了三模冗余(TMR)型D触发器和双互锁存储单元(DICE)型D触发器各自的优点和缺点,基于三模冗余和双互锁存储单元技术的(TMRDICE)相融合方法,设计实现了基于双互锁存储单元技术的三模冗余D触发器。从电路级研究了TMRDICE型D触发器抗单粒子翻转的性能,与其他传统类型电路结构的D触发器进行了抗单粒子翻转性能比较,并通过电路仿真和辐照实验进行了验证。仿真结果表明,TMRDICE型D触发器的抗单粒子翻转性能明显优于传统的普通D触发器、TMR型D触发器和DICE型D触发器。辐照实验结果表明,TMRDICE型D触发器具有最小的翻转截面。     

DICE加固结构触发器的重离子实验研究

摘 要：基于0.18μm工艺平台,对双互锁存储单元（Double Interlocked Storage Cell,DICE）结构的触发器电路进行重粒子试验,重点验证单粒子效应（Single Event Effect,SEE）中的单粒子翻转（Single Event Upset,SEU）对体硅CMOS工艺器件及电路的影响。对比分析不同频率、不同驱动能力、不同版图结构和不同电压这四种情况下的辐照数据,验证电路抗辐照性能的有效性。实验结果表明：在实际工作中合理考虑DICE触发器的工作频率、工作电压、版图面积、节点驱动等因素,可满足航空航天应用的需求。     

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。     

一种双节点翻转加固的RS触发器

随着IC集成度的不断提高,电路中单粒子引起的多节点翻转现象愈加频繁。为了解决该问题,提出了一种可对两个电压节点翻转完全免疫的RS触发器电路。基于双互锁存储单元结构,设计了一个冗余度为4的前置RS触发器。将不相邻的两个输出节点连接到一个改进型C单元电路中,屏蔽了错误电压,最终输出电压不受单粒子翻转的影响。该RS触发器采用0.25 μm 2P4M 商用标准CMOS工艺实现。对RS触发器中任意两个电路节点同时分别注入两个单粒子事件,进行了抗单粒子翻转的可靠性验证。Spectre仿真结果表明,该RS触发器能完全对两个单粒子事件免疫。与已发表的辐射加固触发器相比,该触发器采用的晶体管个数减少了20.8%,功耗降低了21.3%。     

基于异步保存及互锁存储单元的抗SEE触发器设计

利用Muller_C单元,设计一种异步保存及互锁存储单元结构,该结构采用状态锁存机制和增加节点电容方法,能有效防止单粒子翻转效应的发生,同时也可提高电路抗单粒子瞬变和多节点扰动效应的能力。在0.18μm工艺条件下用此结构设计的D触发器,面积为1 422μm2,动态功耗为0.42mW,建立时间为0.2ns,保持时间为0.03ns。实验结果表明:利用触发器链验证电路,在时钟频率为20 MHz时,单粒子LET翻转阈值为31MeV·cm2/mg,比双互锁存储单元结构的抗单粒子能力提高40%。     

单粒子翻转加固锁存器分析与辐照试验验证

对目前基于软错误屏蔽、施密特触发及双互锁单元结构的几种单粒子翻转加固锁存器进行分析,并从面积、延时、功耗和抗单粒子翻转能力等方面进行综合比较。着重剖析了DICE结构的多节点翻转特性,研究了敏感节点隔离对抗单粒子翻转能力的影响,设计了测试芯片,并进行了辐照试验验证。辐照试验结果表明,相比于其他加固锁存器结构,DICE结构的单粒子翻转阈值最高,翻转截面最低,功耗延时积最小。当敏感节点隔离间距由0.21 μm增大到2 μm时,DICE结构的单粒子翻转阈值增大157%,翻转截面减小40%,面积增大1倍。在DICE结构中使用敏感节点隔离可有效提高抗单粒子翻转能力,但在具体的设计加固中,需要在抗辐照能力、面积、延时和功耗之间进行折中考虑。     

高可靠微处理器的设计

随着集成电路特征尺寸的降低,由空间射线引起的单粒子效应(single event effect,SEE)愈发严重.首先从工艺、版图、电路和系统四个层次考虑,介绍了一些常见的加固方法,然后采用基于仿真的故障注入工具分析了一款微处理器各个模块的故障敏感度,根据统计数据,采用基于DICE的加固D触发器替换原来的触发器和在微处理器关键模块采用冗余算法的两种方法加固了微处理器.     

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。     

抗辐射数字电路加固技术研究

文章对电路抗辐射的机理进行了研究,提出了几种提高数字电路抗辐射能力的方法:通过工艺控制减小辐射后的背栅阈值电压漂移,通过版图增加体接触、采用环型栅等结构提高单元的抗辐射能力,通过对电路关键节点的加固提高整体电路的抗辐射能力。为了验证加固方法的可靠性,设计了一款电路进行抗总剂量、抗瞬态剂量率、抗中子辐射、抗单粒子辐射等多种试验。通过辐照试验结果可以看到,采用抗辐照方法设计的电路具有较强的抗辐照能力,为今后抗辐照电路的研制和开发奠定了坚实的基础。     

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.