纳米CMOS集成电路抗辐射加固锁存器设计研究

摘要

随着CMOS工艺的不断进步，晶体管特征尺寸不断缩小，供电电压不断下降，节点电容不断减小，导致电路节点的逻辑状态发生翻转所需要的关键电荷量不断降低。集成电路对宇宙中的高能中子和封装材料衰变产生的α粒子引起的单粒子效应愈发敏感。工艺的缩减导致相邻晶体管间的间距不断缩小，高能粒子入射后电离产生的电荷会因电荷共享效应被多个节点收集，引起电路中多个节点同时发生翻转，称这种现象为单粒子多节点翻转。进入纳米工艺尺度后，单粒子多节点翻转已经成为导致电路失效的主要原因之一。此外，已有的针对单粒子翻转的加固方案对电荷共享引起的多节点翻转已经失效，因此对多节点翻转加固技术的研究需求迫切。为提升电路对多节点翻转效应的加固能力，本文深入学习了纳米尺度下CMOS集成电路的单粒子效应加固技术，提出了一种高效的高可靠性的多节点翻转加固方案，本文主要工作和创新点如下:
　　从辐射效应引起的可靠性问题着手，分析了工艺节点缩减对单粒子效应的影响，指出电荷共享已经成为单粒子失效的主要原因之一。详尽介绍了引起电路失效的主要模式——单粒子效应的相关基础知识，其中重点阐明了引起单粒子效应的辐射环境、单粒子效应的分类以及单粒子翻转和电荷共享的产生机理。然后在此基础上分析了不同层次下对单粒子效应的建模和仿真方法。
　　以缓解单粒子效应引起的软错误为目的，总结归纳了国内外抗单粒子效应的加固方案。深入学习了电路级的单粒子翻转、单粒子瞬态以及电荷共享引起的多节点翻转的设计加固方案，并分析了已有加固方案的优缺点。根据多节点翻转加固技术的现状和已有方案的不足，本文提出一种新颖的高可靠性的多节点翻转加固锁存器方案。
　　本文提出的加固锁存器采用多个冗余的C单元搭建一个双模冗余的内部互锁结构，当辐射粒子入射导致锁存器内部任意两个节点同时发生翻转，内部互锁结构都能将翻转的节点恢复到原本正确的状态。详尽的HSPICE仿真实验结果表明，与已有的加固锁存器比较，本文提出的加固锁存器不仅具有优秀的双节点翻转自恢复的能力，还在锁存器加固能力、面积、延时、功耗开销之间取得良好的平衡。大量的蒙特卡洛实验验证了本文提出的加固锁存器对工艺、电压和温度的波动相对不敏感，性能较为稳定。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究课题的背景及意义

1．1．1 空间辐射引发的可靠性问题

1．1．2 工艺缩减对单粒子效应的影响

1．2 国内外研究现状

1．2．1 产生机理的研究

1．2．2 模拟和建模技术的研究

1．2．3 加固技术的研究

1．3 本文的研究内容和组织结构

1．3．1 本文的研究内容

1．3．2 本文的组织结构

第二章 单粒子效应基础知识

2．1 辐射环境和辐射效应

2．1．1 辐射环境

2．1．2 辐射效应

2．2 单粒子效应的分类

2．3 单粒子效应产生机制

2．3．1 SEU／SET的产生机制

2．3．2 电荷共享的产生机制

2．4 单粒子效应的建模和仿真

2．4．1 器件级模拟

2．4．2 电路级模拟

2．4．3 器件／电路混合模拟

2．5 本章小结

第三章 单粒子效应加固技术介绍

3．1 工艺加固

3．2 系统加固

3．3 版图加固

3．4 电路设计加固

3．4．1 标准静态锁存器

3．4．2 SET的加固方案

3．4．3 SEU的加固方案

3．4．4 MNU的加固方案

3．5 本章小结

第四章 本文提出的单粒子效应加固方案

4．1 本文提出的加固结构

4．1．1 设计思想和加固结构

4．1．2 容错原理

4．2 仿真实验

4．2．1 故障注入

4．2．2 泄露电流对提出锁存器的影响

4．3 加固设计的比较

4．3．1 性能比较

4．3．2 PVT波动分析

4．4 本章小结

第五章 总结和展望

5．1 全文总结

5．2 研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况