一种抗单粒子瞬态扰动触发器加固结构

提出了一种新型的电阻-电容抗辐射触发器加固结构(RC-DICE),并与DICE结构加固触发器、RDFDICE结构加固触发器进行了比较。测试电路利用0.18μm体硅CMOS工艺进行流片,单粒子验证试验在中国原子能科学研究院抗辐射应用技术创新中心进行。结果证明:新型抗辐射加固触发器在50 MHz工作频率下,单粒子翻转线性能量转移阈值≥37 MeV·cm~2/mg,能够满足航天应用的需求。     

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。     

0.13μm抗辐射SOI CMOS标准单元库建库流程研究与实现

基于0.13μm部分耗尽绝缘体上硅(SOI)互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺线,开发了全套0.13μm抗辐射SOI CMOS工艺的标准单元库。针对深亚微米SOI器件的辐射效应,在电路设计和版图设计上进行了加固,达到了比较好的抗辐射效果。对SOI标准单元库的建库流程的各方面做了比较深入的介绍,通过Hspice仿真验证单元库中加固D触发器(DFF)抗单粒子效应的能力并对不同加固方式的性能开销进行了对比。利用已建立的0.13μm抗辐射SOI CMOS标准单元库设计了测试芯片以验证库的可靠性。     

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。     

驱动能力对SOI SRAM单元单粒子效应的影响仿真

采用silvaco软件对抗辐射不同沟道宽度的PD SOI NMOS器件单元进行了三维SEU仿真,将瞬态电流代入电路模拟软件HSPICE中进行SRAM存储单元单粒子翻转效应的电路模拟。通过这种电路模拟的方法,可以得到SRAM存储单元的LET阈值。通过对比LET阈值的实际测量值,验证了这种方法的实用性,并对不同驱动能力的SRAM单元进行了翻转效应的对比。在NMOS和PMOS驱动比相同的情况下,沟道宽度越大,SRAM的翻转LET阈值反而越高。     

基于RHBD技术CMOS锁存器加固电路的研究

对基于RHBD技术CMOS D锁存器抗辐射加固电路设计技术进行了研究,并对其抗单粒子效应进行了模拟仿真.首先介绍了基于RHBD技术的双互锁存储单元(DICE)技术,然后给出了基于DICE结构的D锁存器的电路设计及其提取版图寄生参数后的功能仿真,并对其抗单粒子效应给出了模拟仿真,得出了此设计下的阈值LET,仿真结果表明:基于DICE结构的D锁存器具有抗单粒子效应的能力.     

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。     

0.18 μm SOI工艺抗辐照触发器性能研究

随着集成电路制造工艺尺寸不断减小、集成度不断提高,集成电路在太空环境应用中更容易受到单粒子辐照效应的影响,可靠性问题越发严重。特别是对高频数字电路而言,单粒子翻转效应(SEU)及单粒子瞬态扰动(SET)会导致数据软错误。虽然以往的大尺寸SOI工艺,具有很好的抗单粒子性能,但仍需要对深亚微米SOI电路进行辐照效应研究。文中通过对4种触发器链进行抗辐照设计,用0.18μm SOI工艺进行了流片验证,并与体硅CMOS工艺对比分析。1.8V电源电压条件下的触发器翻转阈值可以达到41.7MeV·cm2/mg,抗辐射性能比0.18μm体硅CMOS工艺提升了约200%。     

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。     

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%。     

The Element of Matching on an STG DICE Cell for an Upset Tolerant Content Addressable Memory

The TCAD simulation of charge collection from tracks of single nuclear particles directed along the normal to the logic matching element on STG DICE cells demonstrates their unique upset tolerance. The tracks used for simulation are directed normal to the microchip surface with the linear energy transfer (LET) ranging from 10 to 60 MeV cm²/mg. We investigate a 65-nm bulk CMOS logic matching element for use in content addressable memory and translation lookaside buffers. It is a matching element on an STG DICE cell with an exclusive OR logic element on two tristate inverters. The linear energy transfers in the range of 30–60 MeV cm²/mg on the tracks normal to the chip surface do not cause single event upsets in the STG DICE cell for LET = 60 MeV cm²/mg. In the output combinational logic of the matching element, short (up to 0.6 ns) noise voltage pulses for a LET ranging from 20 to 60 MeV cm²/mg can be found.     

基于RHBD技术的深亚微米抗辐射SRAM电路的研究

研究了目前业内基于抗辐射加固设计(RHBD)技术的静态随机存储器(SRAM)抗辐射加固设计技术,着重探讨了电路级和系统级两种抗辐射加固方式。电路级抗辐射加固方式主要有在存储节点加电容电阻、引入耦合电容、多管存储单元三种抗辐射加固技术;系统级抗辐射加固方式分别是三态冗余(TMR)、一位纠错二位检错(SEC-DED)和二位纠错(DEC)三种纠错方式,并针对各自的优缺点进行分析。通过对相关产品参数的比较,得到采用这些抗辐射加固设计可以使静态随机存储器的软错误率达到1×10-12翻转数/位.天以上,且采用纠检错(EDAC)技术相比其他技术能更有效提高静态随机存储器的抗单粒子辐照性能。     

基于FPGA的ASIC芯片抗辐射性能评估系统

针对航天电子控制系统对集成电路的抗辐射需求,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的全新架构的专用集成电路(ASIC)抗辐射性能评估系统。该系统基于FPGA高性能、高速度、高灵活性和大容量的特性,不仅具备传统芯片评估系统的能力,还具备精确判定失效事件发生时刻、被测ASIC时序、内部状态及大致的内部路径位置的能力。对该系统进行单粒子翻转(SEU)辐射试验,试验结果表明,在81.4 MeV·cm²·mg^-1的线性能量转移阈值下,该系统能自动判别没有发生SEU事件。目前,该系统已成功应用于自研高可靠性ASIC芯片抗辐射性能的评估。     

一种抗电离干扰的高速串行驱动器

针对工业界高速串行接口(SerDes)发射级的驱动器在电离干扰条件下受到单粒子效应(SEE)干扰导致传输出错的问题,分析了经典高速SerDes驱动器结构受SEE干扰的机理,提出了一种采用密勒补偿的互补电流源全差分驱动电路结构,能够显著抑制单粒子效应在驱动器敏感节点上引起的扰动,改善高速SerDes抗SEE干扰的能力。基于所提出的驱动器结构设计了一款3.125 Gbit/s的高速SerDes收发器,并在130 nm部分耗尽型(PD)绝缘体上硅(SOI)CMOS工艺下完成了流片。在SEE的干扰条件下的测试结果显示,该驱动器的单粒子瞬态能量阈值显著高于经典结构驱动器,达到21.9MeV·cm^2·mg^-1,可应用于星载计算机高速数据传输。     

Upset-resilient RAM on STG DICE memory elements with the spaced transistors into two groups

The first experimental test of new DICE memory cells with the transistors spaced into two groups (Spaced Transistor Groups DICE—STG DICE), composed on a 65-nm CMOS static RAM proved their high upset resilience. The STG DICE memory cells have two communication wires between the two groups of transistors that made it possible to use the striping of groups of transistors to increase the distances between sensitive nodes of cells up to 2.32–3.09 μm at a small increase in cell area. The blocks of 65-nm 128 × 32-bit CMOS RAM cache and 32 × 64-bit multiport RAM based on the STG DICE cells are characterized by upset thresholds lying in the range of 3.55–4.05 nJ of the laser pulse energy with a pulse duration of 70 ps and diameter of the spot of 3.5 μm. These threshold values exceed the upset thresholds of 65-nm CMOS RAM on 6T memory cells by factors of 20 for RAM cache and 3.5 for multiport RAM. In STG DICE RAM multiple upsets are absent in contrast to RAM based on 6T-cells.     

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。     

一种低功耗抗辐照加固256kb SRAM的设计

设计了一个低功耗抗辐照加固的256kbSRAM。为实现抗辐照加固，采用了双向互锁存储单元（DICE）构以及抗辐照加固版图技术。提出了一种新型的灵敏放大器，采用了一种改进的采用虚拟单元的自定时逻辑来实现低功耗。与采用常规控制电路的SRAM相比，读功耗为原来的11％，读取时间加快19％。     

Simulation of Single Event Effects in STG DICE Memory Cells

TCAD simulation of single event effects in memory cells with transistors spaced into two groups (spaced transistor groups—STG DICE) is carried out on the set of test tracks passing through the drains of mutually sensitive CMOS transistors from one group and between the two groups at depths of 50–850 nm from the chip surface. When the charge from the track affects only one group of transistors, no upsets occur; in this case, the duration of the unsteady state is described by a linear function with a coefficient of 1.3–2.4 ps/(MeV cm²/mg) for tracks 50–350 nm deep and a coefficient of 11–12 ps/(MeV cm²/mg) for tracks 450–850 nm deep, with the linear energy transfer on the tracks ranging from 1 to 60 MeV cm²/mg in both cases. An upset of the logical state of the STG DICE cell can occur when the particle tracks follow the line connecting the two groups of transistors and when angular deviations from it are in the range of 40°. With the track normal to the chip surface, an upset can occur when the linear energy transfer exceeds 50–60 MeV cm²/mg.     

一种超低功耗、容错的静态随机存储器设计

为了减轻辐射环境中静态随机存储器（SRAM）受单粒子翻转（SEU）的影响以及解决低功耗和稳定性的问题,采用TSMC 90nm工艺,设计了一款可应用于辐射环境中的超低功耗容错静态随机存储器。该SRAM基于双互锁存储单元（DICE）结构,以同步逻辑实现并具有1KB（1K×8b）的容量,每根位线上有128个标准存储单元,同时具有抗SEU特性,提高并保持了SRAM在亚阈值状态下的低功耗以及工作的稳定性。介绍了这种SRAM存储单元的电路设计及其功能仿真,当电源电压VDD为0.3V时,该SRAM工作频率最大可达到2.7MHz,此时功耗仅为0.35μW;而当VDD为1V时,最大工作频率为58.2MHz,功耗为83.22μW。     

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.