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。     

锁相环敏感模块的单粒子效应与设计加固

应用于航天工程的锁相环(PLL)电路遭受太空高能粒子轰击时会发生单粒子效应(SEE),引起电路失锁,对系统造成灾难性影响.分析了鉴频鉴相器(PFD)和分频器(DIV)模块的单粒子效应导致失锁的机理,运用改进的双互锁结构(DICE)的锁存器和冗余触发器电路分别对其进行设计加固(RHBD),基于0.35μm CMOS工艺设计了加固的锁相环电路.仿真结果表明,加固PLL可以对输入20～40 MHz的信号完成锁定并稳定输出320～ 640 MHz的时钟信号.在250fC能量单粒子轰击下加固后PFD模块不会造成PLL失锁,加固DIV模块的敏感节点数目降低了80％.     

一种自恢复容SEU锁存器的设计

随着集成电路工艺水平的不断提高、器件尺寸的不断缩小以及电源的不断降低,传统的锁存器越发容易受到由辐射效应引起的软错误影响。为了增强锁存器的可靠性,提出了一种适用于低功耗电路的自恢复SEU加固锁存器。该锁存器由传输门、反馈冗余单元和保护门C单元构成。反馈冗余单元由六个内部节点构成,每个节点均由一个NMOS管和一个PMOS管驱动,从而构成自恢复容SEU的结构。在45 nm工艺下,使用Hspice仿真工具进行仿真,结果表明,与现有的加固方案FERST[1]结构相比,在具备相同面积开销和单粒子翻转容忍能力的情况下,提出的锁存器不仅适用于时钟门控电路,而且节省了61.38%的功耗-延迟积开销。     

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。     

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。     

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%。     

一种带自刷新功能的三模冗余触发器设计

随着体硅CMOS电路工艺尺寸的不断缩小,数字电路在宇宙空间中受到的单粒子效应愈发严重。特别是触发器结构电路,单粒子效应中的单粒子翻转效应会造成触发器内部存储的数据发生错乱,影响电路正常工作。提出了一种带自刷新功能的三模冗余触发器设计,改进了传统三模冗余触发器设计只表决修正输出不刷新错误数据的不足。     

0.18μm工艺下单粒子加固锁存器的设计与仿真

在近年国际上出现的两种记忆单元DICE（DualInterlockedstoragecell）和GDICE（DICEwithguard—gates）基础上，设计了两种抗单粒子加固锁存器，称为DICE锁存器和GDICE锁存器，加工工艺为0.18μm。对这两种锁存器的改进减少了晶体管数量，降低了功耗，增强了抗单粒子瞬态（singleeventtransient，SET）能力。分别对比了两种锁存器的优缺点。建立了一种单粒子瞬态仿真模型。将该模型连接到锁存器的敏感点．仿真测试了这两种锁存器的抗单粒子翻转（singleeventupset，SEU）能力，得到一些对版图设计有意义的建议。通过比较得知：如果没有特殊版图设计，在单个敏感点被打翻时，DICE锁存器和GDICE锁存器的抗单粒子翻转能力比较强：而在两个敏感点同时被打翻时，抗单粒子翻转能力将比较弱。但如果考虑了特殊版图设计。那么这两种锁存器抗单粒子翻转的优秀能力就能体现出来。     

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。     

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。     

TCAD结合SPICE的单粒子效应仿真方法

为解决传统集成电路抗单粒子加固设计中存在的不足,利用TCAD及SPICE软件,探索出一种单粒子效应仿真与电路抗辐射加固设计相结合的方法。该方法通过TCAD软件的器件建模、仿真单粒子效应对器件的影响,得出器件在单粒子辐射条件下的3个关键参数。利用SPICE软件将此参数转化为模拟单粒子效应的扰动源,进而指导电路抗单粒子效应的加固设计工作。通过对一款SRAM的加固设计及辐射试验对比,证明了该方法的正确性和有效性,同时也为以后单粒子效应设计加固提供了依据。     

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...     

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...     

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。     

数字电路抗单粒子瞬态效应的最小尺寸设计

随着体硅CMOS电路工艺的不断缩小,数字电路在空间中使用时受到的单粒子效应越发严重。特别是高频电路,单粒子瞬态效应会使电路功能完全失效。提出了一种基于电路尺寸计算的抗单粒子瞬态效应的设计方法,主要思想是通过辐射对电路造成的最坏特性,设计电路中MOS管的尺寸,使电路在系统开销和降低软错误率之间达到一个平衡。从单粒子效应电流模型入手,计算出单粒子效应在电路中产生的电荷数,得出为抵消单粒子效应产生的电荷需要多大的电容,再折算到器件电容上,最终得到器件的尺寸。此工作为以后研制抗辐射数字电路奠定了基础,提供了良好的借鉴。     

基于时序优先的电路容错混合加固方案

为了有效降低容忍软错误设计的硬件和时序开销,该文提出一种时序优先的电路容错混合加固方案。该方案使用两阶段加固策略,综合运用触发器替换和复制门法。第1阶段,基于时序优先的原则,在电路时序松弛的路径上使用高可靠性时空冗余触发器来加固电路;第2阶段,在时序紧张的路径使用复制门法进行加固。和传统方案相比,该方案既有效屏蔽单粒子瞬态(SET)和单粒子翻转(SEU),又减少了面积开销。ISCAS89电路在45 nm工艺下的实验表明,平均面积开销为36.84%,电路平均软错误率降低99%以上。     

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。     

基于三模冗余结构的自刷新寄存器设计

设计了一种带自刷新功能的寄存器,该寄存器采用两级数据锁存结构,在第二级锁存结构中设计了一个选择电路。该选择电路采用三选二机制,用于三模冗余结构中取代常用寄存器,选择数据来自三模冗余结构的三路输出。有两路值相同,输出结果为该值,用于修正寄存器的输出值。在0.13μm工艺条件下用此结构设计的寄存器,面积为32.4μm×8.4μm,动态功耗0.072μW·MHz-1,建立时间0.1 ns,保持时间0.08 ns。该结构用于三模冗余结构中,可有效防止单粒子翻转效应(Single Event Upset,SEU)的发生。测试结果表明采用该结构的寄存器组成的存储单元三模冗余加固结构,在时钟频率1 GHz时,单粒子翻转错误率小于10-5。