32 nm CMOS工艺的单粒子多点翻转加固锁存器设计

随着集成电路工艺不断改进,电荷共享效应诱发的单粒子多点翻转已经成为影响芯片可靠性的重要因素.为此提出一种有效容忍单粒子多点翻转的加固锁存器:低功耗多点翻转加固锁存器(low power multiple node upset hardened latch,LPMNUHL).该锁存器基于单点翻转自恢复的双联互锁存储单元(...     

抗单粒子翻转的加固方法

集成电路受空间粒子辐射容易产生软故障.通过三模冗余、时间冗余和错误检测与纠正等电路结构设计加固方法可对其进行改善,有效增强其抗单粒子翻转的性能,有效防止因辐射产生的软故障.     

65nm CMOS工艺的低功耗加固12T存储单元设计

随着CMOS工艺尺寸的不断缩减,存储单元对高能辐射粒子变得更加敏感,由此产生的软错误和因电荷共享导致的双节点翻转急剧增多.为了提高存储单元的可靠性,提出一种由4个PMOS晶体管和8个NMOS晶体管组成的抗辐射加固12T存储单元,并由NMOS晶体管中的N_1和N_2以及N_3和N_4构成了堆叠结构来降低存储单元的功耗;其基于物理翻转机制避免了存储节点产生负向的瞬态脉冲,在存储节点之间引入的负反馈机制,有效地阻碍了存储单元的翻转.大量的HSPICE仿真结果表明,所提出的存储单元不仅能够完全容忍敏感节点的翻转,还能够部分容忍电荷共享引起的敏感节点对翻转;与已有的存储单元相比,所提出的存储单元的功耗、面积开销、读/写时间平均减小了18.28%, 13.18%, 5.76%和22.68%,并且噪声容限的值较大;结果表明该存储单元在面积开销、存取时间、功耗和稳定性方面取得了很好的折中.     

一种数字电路单粒子翻转试验系统设计

随着航空航天事业高速发展,抗辐射元器件的使用需求日益旺盛,作为抗辐射性能评估方法之一的单粒子翻转试验愈发体现出重要性。针对单粒子翻转试验条件的设定与优化,设计一种单粒子翻转试验系统。系统可适应绝大部分数字电路的试验需求,采用ARM与FPGA相结合的方式,使用独立设计的DB50分线装置,具备多路输入、多路输出、多路比较的功能。该试验系统驱动能力强、稳定性高,可更有效地进行各类数字电路单粒子翻转效应测试,有助于提高研究效率并缩短开发周期。     

新型RHBD抗多节点翻转锁存器设计

在纳米数字锁存器中,多节点翻转(multiple-node upset,MNU)正持续增加.虽然现有基于互连单元的抗辐射加固设计(radiation hardening by design,RHBD)的锁存器可以恢复所有MNU,但是需要更多的敏感节点和晶体管.为了在获得高可靠性的同时降低硬件开销,提出利用辐射翻转机制进...     

功率MOSFET抗单粒子加固技术研究

针对功率MOSFET的单粒子效应(SEE)开展了工艺加固技术研究,在单粒子烧毁(SEB)加固方面采用优化的体区掺杂工艺,有效降低了寄生双极晶体管(BJT)增益,抑制了单粒子辐照下的电流正反馈机制。在单粒子栅穿(SEGR)加固方面,通过形成缓变掺杂的外延缓冲层来降低纵向电场梯度,减弱了非平衡载流子在栅敏感区的累积,并开发了台阶栅介质结构提升栅敏感区的临界场强。实验结果表明,经过加固的功率MOSFET在满额漏源工作电压和15 V栅源负偏电压的偏置条件下,单粒子烧毁和栅穿LET值大于75 MeV·cm²/mg。在相同辐照条件下,加固器件的栅源负偏电压达到15～17 V,较加固前的7～10 V有显著提升。     

NLDMOS器件单粒子效应及Nbuffer加固

提出了一种漂移区具有Nbuffer结构的N型横向扩散金属氧化物半导体(NLDMOS)结构,以提高器件抗单粒子烧毁(single-event burnout, SEB)能力。通过TCAD仿真验证了该结构的电学和抗单粒子特征。在不改变器件性能的前提下,18 V NLDMOS SEB触发电压由22 V提高到32 V,达到理论最大值,即器件雪崩击穿电压。具有Nbuffer结构的NLDMOS器件可以抑制单粒子入射使得器件寄生三极管开启时的峰值电场转移,避免器件雪崩击穿而导致SEB。此外,对于18～60 V NLDMOS器件的SEB加固,Nbuffer结构依然适用。     

星载设备抗单粒子效应的设计技术初探

本文探讨了现代星载设备研制过程中遇到的抗辐射设计问题之一，即抗单粒子效应的设计问题，首先简单介绍高能粒子引起的单粒子效应－－单粒子翻转和单粒子锁定，在此基础上分别探讨了星载设备抗ＳＥＬ和抗ＳＥＵ的设计方法。     

一种抗单粒子翻转的D触发器

以互锁存储单元(DICE)结构为基础,采用0.35μm CMOS工艺,设计了一种具有抗单粒子翻转的带置位端的D触发器。通过将数据存放在不同节点以及电路的恢复机制,使单个存储节点具有抗单粒子翻转的能力。通过Spectre仿真,测试了触发器的抗单粒子翻转能力。在版图设计中采用增大敏感节点距离和MOS管尺寸的方法进一步提高了D触发器抗单粒子翻转的能力。     

一款抗单粒子效应的32位微处理的设计

随着半导体生产工艺的不断进步,以单粒子效应为主的软错误已经成为影响集成电路可靠性的主要因素之一。在当前生产工艺下,不但应用在航空航天,高能物理等环境下的集成电路需要针对性的保护设计,一般条件下应用的民用设计也需要考虑这方面的影响。本文通过一系列手段对一款32位嵌入式微处理器进行了加固,使其具备了抗单粒子效应的能力。通过模拟验证,与未加固的处理器对比,处理器加固后的错误率有了极大的下降,从而证明了加固方法的有效性。     

空间辐照环境下的FPGA可靠性设计技术

为了使基于SRAM结构的FPGA系统能够在空间辐照环境下稳定、安全、可靠地运行,FPGA软件的高可靠性设计便显得尤为重要。本文分析了空间辐照条件下FPGA发生故障的原因和机理,并结合实际设计的空间载荷项目,着重从软件方面提出了防范和解决的措施和方案。最后通过仿真和环境实验,验证了设计方案的可行性。     

FT51:一种容软错误高可靠微控制器

文中给出一种容软错误高可靠微控制器FT51.首先它具有基于异步电路的时空三模冗余结构,采用此结构可以对时序逻辑单事件翻转(SEU)和组合逻辑单事件瞬态(SET)进行防护.所有的片内存储器采用Hamming编码进行防护.针对现有控制流检测的不足,该设计采用了软硬件结合的控制流检测与恢复机制.FT51在HJTC0.25μm工艺下进行了实现,与未经加固的版本相比,其额外的面积开销为80.6%,额外的性能开销为19%～133%.文中还提出了一种微处理器可靠性评估框架,在此框架下通过模拟和理论推导证明:典型情况下FT51的故障检出和屏蔽率为99.73%.     

基于错误传播分析的SDC脆弱指令识别方法

单粒子软错误是高辐照空间环境下影响计算可靠性的主要因素.随着芯片晶体管数的快速增长,单粒子软错误的威胁日益严重.结果错误（silent data corruption, SDC)是单粒子软错误造成的一种故障类型.由于SDC是隐蔽传播的,SDC的检测是单粒子软错误防护的难点.寻找SDC脆弱指令是目前检测SDC的重要途径.现有方法需要进行巨量的错误注入,时间代价巨大.首先根据数据关联图建立了指令的数据依赖关系,研究了函数间和函数内部错误传播过程;进而推导出判定SDC脆弱指令的充分条件,提出了SDC脆弱指令识别方法,该方法在错误注入中依据充分条件推测潜在的SDC脆弱指令.实验表明,在保证较高准确率和覆盖率的前提下,时间代价显著减少.     

SER-Tvpack:基于软错误率评估的SRAM型FPGA的装箱算法

为了提高基于SRAM的FPGA(SFPGA)上的容软错误能力,提出了一种基于软错误率(soft error rate,SER)评估的装箱算法SER-Tvpack.通过结合软错误率的两个组成部分错误传播率(error propagation probability,EPP)和节点错误率(node error rate,NER),得到软错误评估标准SER的估算值,并将该值作为可靠性因子加入到代价函数中指导装箱过程,以减少装箱后可编程逻辑块(configuration logic block,CLB)之间互连的软错误率,从而提高设计的可靠性.对20个MCNC基准电路(最大基准电路集)进行实验,结果表明,与基准时序装箱算法T-Vpack及已有的容错装箱算法FTvpack相比较,软故障率分别减少了14.5%和4.11%.而且,与F-Tvpack比较,在仅增加0.04%的面积开销下,减少了2.31%的关键路径的时延,提供了较好的时序性能.     

一种基于不变量的软错误检测方法

软错误是高辐照空间环境下影响计算可靠性的主要因素,结果错误(silent data corruption,简称SDC)是软错误造成的一种特殊的故障类型.针对SDC难以检测的问题,提出了一种基于不变量的检测方法.不变量是运行时刻保持不变的程序特征.在软错误发生后,由于程序受到影响,不变量一般不再满足.根据该原理,在源代码中插入以不变量为内容的断言,利用发生软错误后断言报错来检测软错误.首先,根据错误传播分析确定了检测位置,提取了检测位置的不变量;定义了表征不变量检测能力的渗透率,在同一检测位置依据渗透率将不变量转化为断言.通过错误注入实验,验证了该检测方法的有效性.实验结果表明:该检测方法具备较高的检出率和较低的检测代价,为星载系统的软错误防护提供了新的解决思路.     

基于错误传播分析的软件脆弱点识别方法研究

在太空环境中,软件系统经常受到各种辐射现象的影响.在此类环境下,寻找软件脆弱点主要是考虑环境扰动对该软件的影响.文中提出了一种由环境扰动引入的软件脆弱点的分析方法.首先在对软件系统模块化的基础上,通过在两个层面上分析错误在软件中的生成及其传播过程,给出寻找软件脆弱点的理论框架,随后进一步给出该框架中一些参数的实验估计方法,最后给出该框架在某卫星光纤陀螺捷联航姿控制系统上的应用.应用结果令人满意.     

双立互锁单元单粒子效应加固方法研究

经典双立互锁单元主从型触发器存在由逆向驱动引起的单粒子翻转情况。为此,通过在主从两级之间插入缓冲器阻断反向驱动路径来解决该问题。对一款双立互锁加固芯片进行地面重粒子实验,实验结果显示,改进型双立互锁单元触发器不仅能消除单粒子功能中断,而且能减少单粒子翻转情况。     

飞行器FPGA检测点优化设置方法

,针对诱发宇宙空间环境下航空航天飞行器工作异常和故障的FPGA单粒子效应,分析了FPGA电路的特点,从空间和时间维度上,提出基于“运算单元 存储器/触发器”进行FPGA电路层次模块的划分;结合节点所在位置的重要性、节点与其它节点的关联程度以及节点本身的单粒子软错误翻转概率,提出了重要度分析模型,从而建立基于重要度排序的对测试点设置优化方法。测试实验表明,该方法是一种可行的检测点优化设置方法。