曹 靚，田海燕，王 棟

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，工藝尺寸日漸縮減，集成電路內(nèi)部的晶體管密度不斷增大。在航天等領(lǐng)域，電路在空間應(yīng)用時(shí)單粒子效應(yīng)的影響也隨著工藝發(fā)展而愈加顯著。另外，隨著電路工作頻率的不斷提高以及工作電壓的降低，不但會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)器類電路發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)(SEU)，而且會(huì)使數(shù)字電路中的單粒子瞬態(tài)脈沖(SET)越來越嚴(yán)重[1-3]。

SET效應(yīng)是因宇宙空間里高能粒子沖擊電路而產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓或電流脈沖，對(duì)電路產(chǎn)生擾動(dòng)的效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致至少3種錯(cuò)誤：

（1）SET脈沖通過某些模擬電路會(huì)被放大，形成更強(qiáng)的錯(cuò)誤信號(hào)；

（2）SET脈沖被存儲(chǔ)器、觸發(fā)器、寄存器等捕獲，造成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)錯(cuò)誤；

（3）SET脈沖發(fā)生在時(shí)序邏輯中時(shí)，會(huì)使電路產(chǎn)生錯(cuò)誤節(jié)拍，導(dǎo)致電路時(shí)序紊亂。

圖1所示為SET效應(yīng)在0.18 μm CMOS電路中產(chǎn)生的脈沖[4]。SET效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖寬度是隨著電源電壓的降低而變大的，最大能到納秒級(jí)。而在SET加固方法上，傳統(tǒng)采用的時(shí)間冗余、保護(hù)門等方法會(huì)增加電路的面積與功耗，僅適合于小規(guī)模數(shù)字電路，對(duì)于超大規(guī)模集成電路如CPU、FPGA等，需要一種更高效的方法來減小SET效應(yīng)的影響。

圖1 0.18 μm工藝SET效應(yīng)產(chǎn)生擾動(dòng)的脈寬

本文基于帶自刷新功能的三模冗余觸發(fā)器[5]，提出一種抗SET脈沖的加固設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)并不需要對(duì)每一個(gè)輸入通路都進(jìn)行時(shí)間冗余或保護(hù)門等方法進(jìn)行加固，而是在其自刷新表決器上進(jìn)行改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SET效應(yīng)的加固。

2 帶自刷新功能的三模冗余設(shè)計(jì)

圖2所示的三模冗余觸發(fā)器，其特點(diǎn)為在3路并行觸發(fā)器每個(gè)帶反饋的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)里，均包含表決器設(shè)計(jì)，3路觸發(fā)器共包含6個(gè)表決反饋結(jié)構(gòu)，每個(gè)表決結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，互不干擾[5]。A、B、C、Q、Q0、Q1中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生SEU錯(cuò)誤，都會(huì)被另外兩路正確信號(hào)糾正，并且這個(gè)糾正過程是即時(shí)的，不需要等待時(shí)鐘或其他信號(hào)驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到SEU加固的目的。

圖2 帶自刷新功能的三模冗余設(shè)計(jì)

雖然該設(shè)計(jì)的觸發(fā)器可以針對(duì)SEU效應(yīng)進(jìn)行很好的加固，但是當(dāng)外部輸入信號(hào)如D、CLK還有置位/復(fù)位等通路上信號(hào)因SET效應(yīng)而產(chǎn)生干擾脈沖時(shí)，由于SET干擾信號(hào)可以同時(shí)影響3路存儲(chǔ)單元，該結(jié)構(gòu)就不能將其糾正，因此不具備SET加固效果。

3 傳統(tǒng)抗SET效應(yīng)加固設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的抗SET設(shè)計(jì)加固方法多采用時(shí)間冗余或保護(hù)門結(jié)構(gòu)[6]，如圖3和圖4所示。

圖3 時(shí)間冗余結(jié)構(gòu)加固

圖4保護(hù)門結(jié)構(gòu)加固

圖3 和圖4所示的加固結(jié)構(gòu)，其基本原理都是通過將原先的一路信號(hào)分成多路（一般2～3路），讓信號(hào)在增加的通路上傳播時(shí)增加一定的時(shí)間延遲（ΔT），在輸出端將原信號(hào)和增加了ΔT時(shí)間的信號(hào)進(jìn)行比較判斷，將SET脈沖產(chǎn)生的擾動(dòng)濾除。延遲ΔT的時(shí)間即為該結(jié)構(gòu)可以濾除的SET脈沖的最大寬度，在設(shè)計(jì)時(shí)需要確保ΔT足夠大，從而保證較好的加固效果。

從上述兩種結(jié)構(gòu)的工作原理來看，使用時(shí)需要在系統(tǒng)的每個(gè)關(guān)鍵路徑上加入上述結(jié)構(gòu)，如果電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號(hào)路徑較多，必然會(huì)給電路帶來極大的額外面積和功耗，這對(duì)于大規(guī)模集成電路而言是難以接受的。并且，上述兩種結(jié)構(gòu)都還需要加入其他的輔助設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也會(huì)增加面積和功耗。

4 抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)的自刷新三模冗余觸發(fā)器設(shè)計(jì)

在圖2所示的自刷新三模冗余觸發(fā)器基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)SET加固采用的時(shí)間冗余、保護(hù)門結(jié)構(gòu)的加固思路，對(duì)圖4結(jié)構(gòu)中圓圈標(biāo)識(shí)的表決器進(jìn)行改進(jìn)。通過在表決器輸入的3路信號(hào)中的非自身反饋的2個(gè)通路上分別引入ΔT和2ΔT的延時(shí)來對(duì)SET干擾進(jìn)行濾除，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于該設(shè)計(jì)直接針對(duì)單元存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行，所以不需要對(duì)每一路輸入信號(hào)進(jìn)行加固，比較適于在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號(hào)較多的情況下進(jìn)行加固應(yīng)用。其工作原理在于，雖然外部SET干擾信號(hào)會(huì)同時(shí)輸入并行的3個(gè)存儲(chǔ)單元，但在存儲(chǔ)的反饋環(huán)路上由于ΔT和2ΔT的存在，信號(hào)不會(huì)同時(shí)進(jìn)行表決。因此，小于ΔT時(shí)間的干擾脈沖將不會(huì)被存儲(chǔ)下來，觸發(fā)器存儲(chǔ)的信息不會(huì)因此被改寫，從而在SEU加固的同時(shí)達(dá)到SET加固的目的。

圖5 抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)的自刷新三模冗余觸發(fā)器設(shè)計(jì)

5 仿真驗(yàn)證

仿真工具采用Hspice，仿真模型選用中芯國(guó)際0.18 μm工藝進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果如圖6所示。圖6中d為觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入信號(hào)，q為數(shù)據(jù)輸出，ck為驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，set為觸發(fā)器置位信號(hào)，clr為觸發(fā)器復(fù)位信號(hào)。從仿真結(jié)果看，設(shè)計(jì)的抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)的自刷新三模冗余觸發(fā)器對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生的干擾脈沖可以通過延時(shí)表決結(jié)構(gòu)進(jìn)行濾除，濾除的最大脈沖寬度達(dá)到2.6 ns，如圖7所示，達(dá)到了抗單粒子瞬態(tài)脈沖加固需求。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用該觸發(fā)器結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)電路經(jīng)單粒子試驗(yàn)，在輻射環(huán)境下，以10 MHz工作頻率、2000級(jí)觸發(fā)器量級(jí)的邏輯功能進(jìn)行工作，可達(dá)到37 MeV·cm2/mg下無邏輯錯(cuò)誤。試驗(yàn)結(jié)果證明加固效果明顯。

圖6 抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)的自刷新三模冗余觸發(fā)器功能仿真圖

圖7 抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)的自刷新三模冗余觸發(fā)器濾波延時(shí)

7 總結(jié)

隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步、工作頻率的增加以及工作電壓的降低，大規(guī)模集成電路在空間應(yīng)用時(shí)對(duì)單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)越來越敏感。在SET加固方法上，傳統(tǒng)采用的時(shí)間冗余、保護(hù)門等方法已不適用于大規(guī)模數(shù)字電路。為此，本文提出了一種基于帶自刷新功能的三模冗余觸發(fā)器進(jìn)行改進(jìn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，通過在三模冗余觸發(fā)器的每一個(gè)存儲(chǔ)反饋回路中的表決器輸入的3路信號(hào)中，將其中非自身反饋的2個(gè)通路上分別引入ΔT和2ΔT的延時(shí)來對(duì)SET干擾進(jìn)行濾除。該方法為抗輻射大規(guī)模集成電路的抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)加固設(shè)計(jì)提供了新的思路。