纳米数字电路软错误率分析关键技术研究

摘要

半导体制造技术的持续发展，使得如今的纳米尺寸集成电路中晶体管尺寸、供电电压和关键电荷持续减小，由于集成电路已广泛应用于生产生活中，因此对由空间辐射效应引发的集成电路可靠性问题提出严峻的挑战。纳米尺度下，芯片规模指数级增长，晶体管对中子和高能粒子辐射更加敏感，芯片遭受软错误影响的机率也大幅提高，高能粒子入射可能同时影响两个或多个物理相连的节点，产生单粒子多瞬态(single event multiple transients，SEMT)，由SEMT导致的电路失效也变得愈发不可忽视，软错误已成为导致集成电路失效的重要原因之一。
　　为了有效评估辐照环境中不同电路对软错误的敏感程度，本文针对纳米工艺集成电路的软错误率分析技术进行研究，基于概率计算方法，提出一种考虑SEMT的数字电路软错误率评估方法，能够有效指导集成电路容错设计，降低集成电路设计成本。主要研究内容与创新点如下:
　　1、详细介绍了软错误的相关概念、电路可靠性影响因素与本文研究成果。并对软错误的产生原理、传播特性以及不同的计算方法进行了详尽地分析。重点阐述了考虑SET或SEMT的数字电路软错误率评估技术，并分析了各方法的优缺点。深入学习了位于逻辑门级的集成电路中软错误的产生与传播特性。在现有的软错误率评估技术基础上，实现了一种考虑SEMT的数字电路软错误率评估方法。
　　2、针对基于输入向量的电路软错误率评估方法存在向量空间不完备，评估速度较慢的问题，实现一种基于概率的数字电路软错误率评估模型。使用“四值逻辑”与信号概率对SEMT脉冲的产生与传播过程进行精确的建模，有效地减少了计算复杂度，提高了软错误率(soft error rate, SER)评估速度。
　　3、面对集成电路在生产生活中的广泛应用性，集成电路的可靠性问题已变得愈加不容忽视。为了有效评估集成电路的软错误率，提出一种精确的考虑SEMT的数字电路软错误率计算方法。该方法通过解析电路门级网表提取产生SEMT故障的位置对;使用双指数电流源模型模拟粒子轰击电路的过程进行故障注入，利用提出的SEMT脉冲复合模型对SEMT脉冲进行复合以转变为复合的SET脉冲，并将该复合脉冲继续向下游传播;在脉冲的传播过程中，使用SEMT脉冲屏蔽模型对脉冲在数据通路上传播过程中受到的逻辑屏蔽、电气屏蔽与时窗屏蔽效应进行评估，当脉冲最终传播至电路输出端时使用提出的SER计算方法评估电路总体软错误率。实验结果表明，与同类方法相比，本文方法更为精确;与基于统计的蒙特卡罗方法相比，相对误差仅为2％，因而能够有效地指导集成电路容错设计。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 研究的对象

1．3 国内外研究现状

1．4 本文研究工作

1．4．1 研究内容

1．4．2 主要创新点

1．5 论文组织结构

第二章 软错误理论基础

2．1 软错误产生机理

2．1．1 空间辐射环境

2．1．2 软错误形成机理

2．2 软错误分类

2．2．1 单粒子效应

2．2．2 单粒子多节点效应

2．3 软错误传播与计算

2．3．1 软错误三种屏蔽效应

2．3．2 电路软错误

2．4 集成电路软错误率评估方法

2．4．1 存储电路软错误率

2．4．2 逻辑电路软错误率

2．4．3 芯片软错误率

2．5 系统的开发环境与技术细节

2．5．1 Visual C++6．0概述

2．5．2 STL概述

2．6 本章小结

第三章 考虑单粒子多瞬态的电路软错误率计算模型

3．1 瞬态脉冲产生模型

3．1．1 单指数模型

3．1．2 双指数模型

3．1．3 UGC模型

3．2 故障概率模型

3．2．1 信号概率

3．2．2 四值逻辑

3．3 单粒子多瞬态脉冲屏蔽模型

3．3．1 逻辑屏蔽模型

3．3．2 电气屏蔽模型

3．3．3 时窗屏蔽模型

3．4 单粒子多瞬态脉冲复合模型

3．4．1 SEMT故障位置对的提取

3．4．2 SEMT故障脉冲的注入

3．4．3 SEMT故障脉冲的复合

3．5 基于概率的电路软错误率计算

3．5．1 电路失效概率计算

3．5．2 电路总体软错误率计算

3．6 本章小结

第四章 考虑单粒子多瞬态脉冲的电路软错误率评估实现

4．1 考虑SEMT的电路软错误率评估总体框架

4．2 考虑SEMT的电路软错误率评估流程

4．3 电路解析与分级

4．4 SEMT故障脉冲的传播

4．4．1 电路状态更新

4．4．2 数据通路提取

4．5 考虑SEMT的电路软错误率评估

4．6 实验结果及分析

4．6．1 实验环境

4．6．2 电路失效概率评估结果

4．6．3 电路软错误率评估结果

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况