Автоматизация проектирования сбоеустойчивых сложных функциональных блоков микроэлектроники к воздействию тяжелых ядерных частиц

• Автор: Смерек, Владимир Андреевич
• Шифр специальности: 05.13.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 132 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Современные средства автоматизированного проектирования электронной компонентной базы космического назначения
1.1. Анализ состояния и развития современной электронной компонентной базы космического назначения
1.2. Основные факторы космического пространства и физические явления в электронной компонентной базе
1.3. Средства автоматизированного проектирования ЭКБ и их возможности обеспечению сбоеустойчивости к воздействию ТЯЧ.

Постановка задача исследования

Выводы
2. Разработка методики проектирования и математического обеспечения для моделирования воздействия на схемотехническом уровне проектирования
2.1. Методика проектирования современной электронной компонентой базы специального назначения с учетом одиночных событий радиационного характера
2.2. Моделирование воздействия ТЯЧ в активных областях элементов микросхем при проектировании
2.3. Моделирование процессов, характерных для одиночных событий в КМОП
структурах
Выводы
3. Моделирование одиночных событий, методы защиты КМОП типовых элементов и алгоритмическая основа проектирования радиационно-стойких элементов
3.1. Оптимизация методов защиты сложных цифровых блоков от одиночных событий.

3.2. Определение вероятности безотказной работы при комплексной оптимизации элементов сложных функциональных блоков в САПР
3.3. Алгоритмическая основа моделирования и обеспечения защиты типовых КМОП
элементов в процессе проектирования
Выводы
4. Результаты внедрения и оценка адекватности и эффективности
разработанных программных средств
4.1. Особенности разработанного программного обеспечения и его внедрение в САПР сквозного проектирования
4.2. Практическая реализация методов защиты
4.3. Внедрение предложенных средств и оценка адекватности моделей
Выводы
Литература

Введение
Актуальность проблемы. Известно, что изделия микроэлектроники имеют самое широкое применение во всех отраслях промышленности, в том числе в космических летательных аппаратах. Их применение в условиях космоса стало возможным только при защите от целого ряда дестабилизирующих факторов, одним из которых является радиационное воздействие. В последнее время среди компонент космического излучения наибольшую актуальность приобрело воздействие тяжелых ядерных частиц (ТЯЧ).
Современный уровень развития микроэлектроники характеризуется резким уменьшением проектных норм, увеличением степени интеграции, внедрением новых передовых технологий, развитием новых методов проектирования с использованием макрофрагментов, которые получили название сложные функциональные блоки (СФ-блоки). В этих условиях радиационные эффекты от воздействия ТЯЧ стали носить доминирующий характер. Эти эффекты получили название одиночные события, вследствие случайного проявления, связанного со случайным прилетом частицы во времени. Они проявляются в отказах ячеек памяти, временного функционального отказа, тиристорного эффекта и необратимого отказа. В этих условиях разработчики ЭКБ космического применения уже не могли повысить производительность работы и функциональную полноту микросхем простым увеличением числа элементов за счет уменьшения проектных норм. Необходимы были специальные методы защиты.
Развитию таких методов уделялось значительное внимание, но в основном оно сводилось к структурной избыточности элементов и применению специальных методов защиты (коды Хемминга и т.п). Это работы сотрудников ФГУП «НИИЭТ» Ачкасова В.Н., Крюкова В.П., Потапова И.П., Конарева М.В., ОАО «НИИСИ РАН» Бетелина В.Б., Осипенко П.А., НПО «СПЕЛС» Никифорова А.Ю, Чумакова А.И. ФГУП «НИИП» Улимова В.Н., Таперо В.К., Емельянова В.В. и др. Дальнейшее развитие данной темы должно проходить в более детальном рассмотрении физических процессов и автоматизации оптимального сочетания различных

методов защиты. Ранее реализация методов защиты практически повсеместно сводилось к искусству конструктора проектировщика и поэтому обладало всеми недостатками «человеческого фактора». Решение этих задач достигалось, как правило, развитием одного метода в ущерб другому. В современных условиях перехода на глубоко субмикронные технологии возросла роль оптимального сочетания различных методов защиты, поэтому назрела необходимость обеспечить автоматизацию проектирования специальных микросхем, устойчивых к воздействию ТЯЧ. Для этого должны быть созданы специальные средства проектирования, которые позволили бы обеспечить защиту от возникновения одиночных событий с «максимальной независимостью от человеческого фактора». При этом важным условием реализации таких методов является комплексное сочетание методов защиты: структурной избыточности, применение кодов Хемминга, изменения частоты работы и т.п.
Таким образом, для создания радиационно-стойких микросхем космического назначения в области теории и разработки САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали своего решения.
Диссертация выполнена по программам работ Министерства образования и науки, Министерства промышленности и торговли, которые были реализованы в НИР и ОКР, выполняемых научно-образовательным центром ФБГОУ ВПО «ВГЛТА»: «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования радиационного воздействия и разработка первого варианта радиационно-стойких библиотек элементов», «Разработка средств проектирования микросхем в части моделирования физических процессов сложных транзисторных структур» и др., а также с грантами РФФИ 08-07-99006-р_офи «Развитие средств проектирования изделий микроэлектроники в части моделирования радиационных эффектов и создание на их основе микроконтроллера 1874ВЕ36 с высоким уровнем радиационной стойкости», 12-08-31439 «Средства проектирования и управления проектами электронной компонентной базы» в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научному направлению ФБГОУ ВПО (ВГЛТА)

снизить ошибки «человеческого фактора» и обеспечить безошибочность и сокращение временных и иных ресурсных затрат. Возможности зарубежных САПР позволяют проводить моделирование таких эффектов (во всяком случае, с проектными нормами 180 нм), однако эти исследования являются самым оберегаемым секретом производителей САПР. Поэтому приобретение таких средств фактически невозможно, так как производители САПР хотят сохранить лидерство, как в ближайшей, так и долговременной перспективе.
Следовательно, для создания радиационно-стойкой электронной компонентной базы требуется разработка собственных средств проектирования, свободных от вышеназванных недостатков и которые позволили бы приблизится к разрешению данной проблемы. При этом одним из ключевых моментов является разработка методов проектирования, моделей прогнозирования радиационных эффектов, алгоритмического и программного обеспечения.
На основании проведенного анализа и обозначенных проблем сформулированы цели и определены задачи диссертационного исследования:
1. Проанализировать современное состояние средств автоматизации проектирования ми кропроцессоров и СнК, установить основные существующие проблемы и определить пути их решения.
2. Разработать методику проектирования микропроцессоров КМОП СБИС космического назначения с учетом обеспечения сбоеустойчивости в процессе проектирования.
3. Обосновать структуру программных средств, которые позволяют учесть радиационные эффекты ТЗЧ и обеспечить сбоеустойчивость в процессе сквозного проектирования КМОП СБИС космического применения.
4. Разработать математические модели, позволяющие осуществить моделирование ОС в активных областях КМОП СБИС при воздействии ТЗЧ космического пространства.
5. Создать алгоритмы оптимизации сочетания различных методов защиты от сбоев с обеспечением необходимой отказоустойчивости при минимальном увеличении площади кристалла.