基于增益单元的抗辐射嵌入式存储器研究

摘要

在空间环境中，高能粒子入射到半导体材料中产生大量电子-空穴对，引发总剂量效应和单粒子效应，使电子系统时刻面临辐射效应的威胁。单粒子效应使电子系统中的数据发生错误，导致控制系统和整个航天器发生故障。在航天器的电子系统中，占据芯片大部分面积的嵌入式存储器受单粒子效应的影响最为严重，是最脆弱的器件。
　　当前基于6T SRAM单元的嵌入式存储器的抗辐射加固普遍会导致存储器面积的大幅增加，最终使得电子系统的面积和成本大幅增加。另一方面，由于6T SRAM单元读写操作的比率特性，其数据稳定性随工艺的发展而迅速下降。传统的基于6T SRAM单元的抗辐射嵌入式存储器存在明显的不足。本文基于增益单元结构，对抗辐射嵌入式存储器进行了深入研究，取得的主要成果如下。
　　首先，提出一种基于增益单元的抗总剂量效应(TID)和单粒子闩锁(SEL)加固的4P eDRAM单元。通过对增益单元的特性分析以及TID效应和SEL效应的原理的分析，提出一种新的抗TID/SEL加固的嵌入式存储单元。对4P eDRAM单元进行了详细的分析，采用高阈值(H-VT)写访问管技术、负字线电压技术(NWL)、差分结构和电压上拉技术(VBT)来改进存储单元的读写性能和数据保持时间。该存储单元与逻辑兼容，可以采用标准CMOS工艺，具有较好的存储性能和较小的存储单元面积。
　　其次，提出双模冗余(DMR)和列向比特间隔(CDBI)相结合的抗单粒子翻转(SEU)和多位翻转(MCU)的加固技术。通过对4P eDRAM单元的SEU特性和MCU特性的研究，提出采用DMR技术对4P eDRAM单元实现抗DMR加固。研究了DMR加固后的HGC eDRAM单元的MCU特性，提出CDBI技术使HGC eDRAM单元中的二个子单元在物理上隔离，实现抗MCU加固。仿真结果证实，HGC eDRAM单元能够在线性能量传输值(LET)为120 MeV?cm2/mg的单粒子效应下，依然能够读出正确的数据，实现良好的抗SEU和MCU性能。对HGC eDRAM单元以及传统的基于6T SRAM单元的抗辐射加固方案进行了对比分析，结果表明HGC eDRAM单元能够实现良好的抗辐射加固性能，同时具有较小的存储单元面积。
　　第三，提出一种降低刷新功耗的自适应刷新周期(ARP)控制系统。研究了 HGC eDRAM的静态功耗和刷新功耗，根据温度和访问特性对 HGC eDRAM单元数据保持时间的影响，提出一种基于Replica技术的ARP控制系统。采用ARP控制系统，存储器在高温下以较高的频率进行刷新，在低温下以较低的频率进行刷新，降低了HGC eDRAM的刷新功耗。在65oC以下温度，相比于传统的固定刷新频率的方法，将刷新功耗降低99.72％。同时，ARP控制系统实现较低的探测误差和较小的探测功耗。
　　最后，提出一种基于分段交错的隐式刷新方法。为了解决传统的刷新方法导致外部访问产生较大的延迟，以及访问带宽可用率下降的问题，提出一种分段交错的隐式刷新方法。分段交错的刷新方法避免了外部访问和内部刷新的冲突，使外部访问能实时进行，降低了刷新周到的访问延迟，同时将访问带宽的可用率提高到100%。提出一种Dual-Port HGC eDRAM存储器，数据带宽增加100%，外部访问与内部刷新不发生冲突，访问带宽的可用率保持100%。针对分段交错的隐式刷新方法完成一行刷新需要二个时钟周期的问题，提出一种快速隐式刷新的方法。将完成整个存储器Bank刷新需要的时钟周期数降低约50%。对采用了隐式刷新方法的HGC eDRAM Bank进行了仿真验证。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 相关领域研究现状

1.3 本文的研究内容和组织结构

第2章 嵌入式SRAM的抗辐射加固和面积代价研究

2.1 SRAM单元的辐射效应

2.2 抗辐射加固技术

2.3 加固技术导致的面积代价

2.4 在深亚微米工艺中的读写稳定性与限制

2.5 本章小结

第3章 基于增益单元的抗TID/SEL加固的eDRAM单元

3.1 增益单元的特性

3.2 抗TID/SEL加固的eDRAM单元和优化技术

3.3 4P eDRAM存储单元的性能仿真

3.4 本章小结

第4章 4P eDRAM单元的抗SEU和MCU加固方法研究

4.1 4P eDRAM单元单粒子效应

4.2 双模冗余(DMR)+列向比特间隔(CDBI)加固技术

4.3 抗SEU和MCU性能仿真验证

4.4 HGC eDRAM单元存储密度

4.5 本章小结

第5章 基于Replica技术的自适应刷新周期控制系统

5.1 HGC eDRAM的刷新功耗

5.2 自适应刷新周期(ARP)控制系统

5.3 与现有技术的对比和代价限制

5.4 ARP控制系统追踪性能仿真

5.5 本章小结

第6章 基于分段交错的隐式刷新方法

6.1 传统的刷新方法和当前的隐式刷新技术

6.2 基于分段交错的隐式刷新方法

6.3 Dual-Port HGC eDRAM与快速隐式刷新方法

6.4 隐式刷新方法仿真验证

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 作者在攻读博士学位期间科研成果

附录2 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系