基于容忍单粒子效应的集成电路加固方法研究

针对现有容忍单粒子效应的锁存器结构无法同时容忍单粒子翻转(SEU)、单粒子瞬态(SET),以及未考虑电荷共享导致的双节点翻转(DNU)问题,提出一种高可靠性的同时容忍SEU、SET和DNU的锁存器加固结构SRDT-SET。基于空间和时间冗余原理,该锁存器结构采用了多个输入分离的施密特触发器来构建高可靠性数据存储反馈环,同时内嵌多个施密特触发器。HSPICE仿真结果表明,SRDT-SET锁存器结构能够从SEU中在线自恢复,容忍的SET脉冲宽度更宽,并且能够有效容忍DNU,功耗-延迟综合开销不大,有效增强了SET脉冲的过滤能力。     

基于FPGA的微处理器SET敏感性评估方法

为了快速准确地的评估微处理器单粒子瞬态(single event transient,SET)软错误敏感性,文章提出了一种改进的基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)故障注入的软错误敏感性评估方法。该方法通过分析微处理器门级网表和时序文件,提取SET故障注入位置和传输延时信息,使用扫描链实现SET故障脉冲的注入,同时考虑了时窗屏蔽效应、逻辑屏蔽效应和电气屏蔽效应对SET故障脉冲传播的影响;并使用该方法对PIC16F54微处理器进行了故障注入。实验结果表明,基于该方法进行故障注入及软错误敏感性评估所需的时间比Isim软件仿真方法提高了约4个数量级。     

一种抗单粒子瞬态加固的压控延迟线设计

延迟锁相环中的压控延迟线是对单粒子事件（single event, SE）最敏感的子电路之一,其主要包括偏置电路和压控延时单元.利用双指数电流拟合3-D TCAD混合仿真中的单粒子瞬态（single-event transient, SET）电流,分析了压控延迟线对SE的敏感性.根据响应程度和电路结构的不同,对偏置电路进行了冗余加固;同时,对压控延时单元中提出了SET响应检测电路.在输入信号频率为1 GHz,电源电压1.2 V,入射粒子LET值为80 MeV·cm2/mg的条件下,Spice仿真表明:和未加固电路相比,偏置电压V_bn和V_bp在受到粒子轰击后,翻转幅度分别下降了75%和60%,消除了输出时钟信号中的丢失脉冲;设计出的检测电路能够将各种情况下有可能出现的SET响应指示出来,提高了输出时钟信号的可靠性.      

一种高性能低功耗的双节点翻转加固锁存器

随着半导体工艺尺寸的发展,时钟频率越来越高,临界电荷变得越来越小,电路节点之间的电荷共享效应变得愈加严重,因此导致多节点翻转(multiple node upsets,MNU)的几率变大。为了解决MNU的问题,文章提出了一种高性能低功耗的双节点翻转加固锁存器(HLDRL),当受到单粒子效应影响时,具有单节点翻转(single node upset,SNU)和双节点翻转(double node upsets,DNU)的自恢复能力。该锁存器由18个异构输入反相器组成,仿真实验结果显示该锁存器具有优良的容错性能,可以实现DNU的完全自恢复,而且对高阻态不敏感。与其他容忍DNU的锁存器相比,该锁存器具有较小的开销,延迟和功耗延迟积分别减小了46.83%和45.85%。     

一种容忍单粒子双节点翻转的锁存器设计

文章提出了一种新型的锁存器,采用双模冗余容错技术,能够同时容忍单粒子单节点翻转和单粒子双节点翻转。相比于同类型的加固设计,文中设计的结构延迟平均下降74.40%,功耗平均下降8.32%,功耗-延迟积(power-delay product,PDP)平均下降75.20%,面积平均减少15.76%;而且该锁存器的延迟对工艺、供电电压及温度的波动不敏感。     

功耗和面积优化的时域加固锁存器设计(英文)

提出了一种能抵抗单粒子翻转的时域加固锁存器.这种锁存器是在一般的锁存器中加入了3个能抵抗单粒子瞬态的延迟单元.它能有效的抵抗宽度小于△T的单粒子瞬态脉冲.与之前的结构相比,所提出的结构在功耗和面积上分别减少了38%和20%.最后,通过对比仿真结果证明了这种时域加固方法的有效作用.     

临近空间单粒子效应的数值模型和电路模拟

针对临近空间单粒子效应进行了数值模型仿真和特征尺寸为0.1 μm的反相器电路的脉冲注入模拟研究。数值仿真结果表明器件临界电荷随着工作电压的降低而减小,敏感横截面随着临界电荷的降低而逐渐增大。临近空间微电子器件的单粒子翻转概率随敏感横截面增大而上升,但其又随临近空间高度的增加而下降。此外,利用SPICE软件脉冲注入模拟观察到了反相器电路的单粒子翻转现象。所得结论有助于深入研究临近空间的单粒子效应并为器件抗辐射加固提供了理论依据。     

基于SET/MOS混合结构的表决器电路的设计

基于单电子晶体管(SET)的库仑阻塞和库仑振荡效应,利用SET和MOS管的互补特性,提出了一种基于SET/MOS混合电路的新型表决器电路.利用HSPICE对所设计的表决器电路进行仿真验证,仿真结果表明SET/MOS混合电路能够实现表决器的功能.与传统CMOS电路相比,该SET/MOS混合电路使用的管子数目大大减少,功耗...     

1种能够抵抗双节点翻转的锁存器设计

提出了1种可以抵抗双节点翻转的锁存器.该锁存器的反馈回路由保护门、延迟单元以及3选2多数表决器构成.保护门的输出送入表决器进行表决,表决之后的值经过延迟单元之后再反馈给保护门.分析和仿真表明,当单粒子翻转的维持时间小于500 ps时,这种结构不仅可以抵抗双节点翻转,还能抵抗部分3节点翻转以及输入端口的单粒子瞬态.在0.18μm CMOS工艺下,锁存器的面积为186.12μm2,在时钟转换时间和数据转换时间都为0.008~1.5 ns时,锁存器的建立时间为1.165 63~1.328 71 ns.此外,用这种锁存器实现了1套标准单元库,并在此基础上设计了1种序列检测器电路,其面积和动态功耗分别是用3模冗余方法的83.06%和41.99%,是用5模冗余方法的53.99%和25.19%.     

一款抗单粒子瞬态加固的偏置电路

通过增加一个NMOP、PMOS和一个电阻组成的单粒子瞬态抑制电路,设计了一种新的抗单粒子瞬态加固的偏置电路,该偏置电路具有较高抗单粒子瞬态能力.为了证实其抗单粒子能力,基于SIMC 130 nm CMOS工艺设计了传统的及提出的抗单粒子瞬态两种结构的偏置电路.仿真结果表明,对于提出的加固偏置电路,由单粒子引起的瞬态电压和电流的变化幅值分别减小了约80.6%和81.2%;同时增加的单粒子瞬态抑制电路在正常工作状态下不消耗额外功耗,且所占用的芯片面积小,也没有引入额外的单粒子敏感结点.      

软错误缓解动态部分可重构的抗单粒子方案

随着基于静态随机存储器(static random-access memory,SRAM)型现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)广泛应用于航空航天领域,太空辐照环境下FPGA产生单粒子翻转(single event upset, SEU)问题的概率日益提高,从而导致FPGA出现单粒子闩锁现象引起功能紊乱。针对该问题,基于SRAM型FPGA的架构诱发SEU机理分析,对传统三模冗余(triple module redundancy, TMR)的方案进行改进,设计一种逻辑上采用TMR进行备份、系统上采用软错误算法缓解执行,同时采用局部纠错和动态可重构的方法进行抑制的方案。皮秒激光注入试验结果显示,采用所提供方案的FPGA较传统方案试验电流平稳,验证了该方案可以有效对SEU进行抑制。     

一种基于功能复用的容错扫描链电路结构

由于软错误已经成为影响芯片可靠性的主导原因,文章提出一种容忍软错误的高可靠BIST结构——TMR-CBILBO。通过构建三模冗余的容错扫描链电路结构,在触发器输出端插入表决器,可有效地防护单事件翻转,容忍瞬态故障引发的软错误。以多输入特征寄存器的功能复用为切入点,有效地降低容错设计的面积开销。在UMC 0.18μm工艺下针对ISCAS 89基准电路的实验结果表明,TMR-CBILBO的软错误率下降95.56%～98.21%,面积开销为71.68%～84.21%,性能开销为1.75%～4.39%。     

基于SET/MOS混合结构的奇偶校验码产生电路的设计

基于单电子晶体管(SET)的库仑振荡效应和多栅输入特性,利用SET和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS管)的互补特性,设计了基于SET/MOS混合电路的奇偶校验码产生电路.利用HSPICE对所设计电路进行仿真验证,结果表明,该电路能够实现产生奇偶校验码的功能.该SET/MOS混合电路的实现只需要1个PMOS管、1个N...     

一种基于SET/CMOS电路的二阶低通滤波器

在研究单电子晶体管(single electron transistor，SET)I-V特性的基础上，依据分区处理法，设计了一个SET、积分器电路，并采用级联方法实现了一个SET／CMOS二阶低通滤波器。仿真结果表明，该滤波器的幅频特性增益比采用其它方法描述SET I-V特性所构成的滤波器的幅频特性增益高出1倍多。     

高速低功耗CMOS动态锁存比较器的设计

提出一种高速低功耗动态锁存比较器,电路包含预放大器、锁存比较器和SR锁存器3部分.采用一种新的锁存比较器复位电路,该电路仅由一个P沟道金属氧化物半导体(PMOS)管构成,实现电荷的再利用,减小了延迟,降低了功耗.SR锁存器输入端口的寄生电容为锁存比较器的负载电容,对SR锁存器的输入端口进行改进,避免由于锁存比较器的负载电容失配导致的输入失调电压偏移的问题.电路采用TSMC 0.18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺实现.结果表明:电源电压为1.8V,时钟频率为1GHz时,比较器精度达0.3mV;最大输入失调电压为8mV,功耗为0.2mW;该比较器具有电路简单易实现、功耗低的特点.     

0.18um SOI器件技术抗SET设计加固方法

本文介绍0.18um SOI器件技术中SET（Single Event Transient）的原理模型及设计加固方法,并结合工艺具体参数利用TCAD仿真工具进行了模拟仿真。探讨SET在0.18um SOI器件技术中的微观机理,提出0.18um SOI工艺SET设计加固方法。本文重点在于器件和电路级的探讨与加固,尤其是器件物理结构上的SET机理模型及加固设计。     

一种基于三维堆叠技术的高可靠性Cache结构

针对三维集成电路的软错误问题，分析了高能粒子进入三维堆叠芯片中的运行轨迹和特性，在分析高速缓冲存储器（Cache）中各部分软错误易感性的基础上，提出了一种基于三维堆叠技术的高可靠性Cache结构R3D Cache，利用三维堆叠芯片的层间屏蔽效应，以较小的面积和性能开销大幅降低了其软错误率.结果表明，所提出的R3D Cache结构能够以0.52%~4.17%的面积开销，将Cache的软错误率降低到原来的5%，而所带来的性能开销可以忽略.     

基于CVSL结构的组合逻辑选择性加固方案

随着集成电路工艺进入微纳尺度,组合逻辑电路的软错误率不断增加,电路的可靠性受到严重威胁。传统的逻辑门加固结构通常会带来较大的面积开销。文章采用具有鲁棒容错性能的级联电压开关逻辑(cascade voltage switch logic,简称CVSL)门单元,提出"CVSL门对"结构对电路输出端进行选择性加固,以较小面积开销实现电路容错性能的大幅提升。Hspice仿真实验表明"CVSL门对"结构具有良好的容忍故障脉冲性能。ISCAS-89基准电路实验结果表明,被加固电路软错误防护率达90%以上,仅带来12.54%的面积开销,比CWSP单元加固法节省46.57%,比三模冗余结构加固法节省91.78%。     

纳米级集成电路的软错误问题及其对策

介绍了纳米级集成电路中软错误的发生机制、发展趋势以及评估技术,概括了软件、电路和体系结构以及工艺器件级软错误的缓解对策,并针对软错误问题相关研究的发展提出几点建议.
     

超导电感储能脉冲输出电路设计及其关键问题

针对电感脉冲输出容易产生高电压,而且一般的断路开关也不易快速切断大电流这两个问题,提出了用模块化技术和脉冲变压器降低断路开关的开断电流,用金属氧化锌阀片(MOV)保护超导电感上的过电压的技术方案.以超导电感脉冲输出的单模块电路为对象,重点分析了氧化锌避雷器(由MOV组成)的U1mA(MOV通过1 mA电流时两端的电压)对脉冲输出波形的影响,提出了U1mA的选择原则.同时讨论了断路开关的开断时间对脉冲输出的影响.实验验证了此单模块电路的脉冲输出效果.