王海濱,侍 言,郭 剛,韓光潔

1(河海大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 常州 213022) 2(中國原子能科學(xué)研究院 國防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心,北京 102413)

1 引 言

隨著晶體管尺寸不斷減小,單粒子效應(yīng)(Single Event Effects,SEE)會(huì)造成集成電路嚴(yán)重的可靠性問題.單粒子效應(yīng)由質(zhì)子、中子、重離子等高能粒子撞擊電路的敏感區(qū)域而引起[1],這些粒子與硅材料相互作用,形成電子-空穴對(duì),通過漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被附近節(jié)點(diǎn)收集,從而導(dǎo)致組合邏輯電路出現(xiàn)單粒子瞬態(tài)(Single Event Transient,SET),存儲(chǔ)單元出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset,SEU),嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致電路的永久性損壞[2].為了克服單粒子效應(yīng)對(duì)存儲(chǔ)單元的影響,在電路工藝上可以采用FDSOI技術(shù),當(dāng)然也可以在架構(gòu)上采用錯(cuò)誤檢測和糾正技術(shù)(Error Detection and Correction,EDAC),由于觸發(fā)器遍布芯片各處,會(huì)導(dǎo)致不必要的硬件開銷[3].在前人的研究中,對(duì)觸發(fā)器采用電路級(jí)加固被證明是有效的,所提出的雙聯(lián)鎖存儲(chǔ)單元(Dual Interlocked Storage Cell,DICE)[4]和三模冗余觸發(fā)器(Triple Modular Redundancy D Flip-Flop,TMR DFF)可以有效的緩解單粒子翻轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的單節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)(Single Node Upset,SNU),并廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域.

然而,隨著芯片的集成度越來越高,節(jié)點(diǎn)電容和節(jié)點(diǎn)間距的減小,使得一個(gè)高能粒子的撞擊可能會(huì)影響多個(gè)電路節(jié)點(diǎn)[5],并導(dǎo)致雙節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)(Double Node Upset,DNU)和三節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)(Triple Node Upset,TNU).這對(duì)設(shè)計(jì)具有良好抗輻照性能的存儲(chǔ)模塊是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn),尤其在惡劣輻射環(huán)境中使用的關(guān)鍵部位[6].

針對(duì)上述問題,提出了一種可以對(duì)三節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)免疫的觸發(fā)器(Rectangle DFF),該觸發(fā)器的門控裝置由1個(gè)時(shí)鐘晶體管堆棧結(jié)構(gòu)組成,由于其傳輸信號(hào)的時(shí)間窗口期很小,可以對(duì)觸發(fā)器輸入上的SET進(jìn)行屏蔽;鎖存部分包括:6個(gè)傳輸反相器、12個(gè)交叉耦合反相器構(gòu)成兩個(gè)TPDICE(Triple Path Dual Interlocked Storage Cell)環(huán)形結(jié)構(gòu)和3個(gè)二輸入的C單元構(gòu)成的兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置.其中,兩個(gè)TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)分別可以做到SNU自恢復(fù),并且在出現(xiàn)TNU時(shí),還有冗余節(jié)點(diǎn)保留正確的數(shù)據(jù)并對(duì)其部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行恢復(fù),而對(duì)于上恢復(fù)不了的錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn),兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置可以對(duì)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)進(jìn)行屏蔽.因此,提出的觸發(fā)器能夠?qū)崿F(xiàn)3節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)免疫,具有更高的抗輻照性能.

1 已有的加固結(jié)構(gòu)

目前,主流的存儲(chǔ)電路加固是對(duì)鎖存器的加固,而主從式觸發(fā)器是由兩個(gè)鎖存器再加上時(shí)鐘門控裝置組成.所以,想要提高觸發(fā)器的抗輻照性能,重點(diǎn)是對(duì)鎖存部分進(jìn)行電路加固設(shè)計(jì).其中,C單元和DICE結(jié)構(gòu)是典型的鎖存電路加固結(jié)構(gòu).圖1展示了不同輸入的C單元[7]和DICE結(jié)構(gòu)示意圖.圖1(a)是二輸入和三輸入的C單元結(jié)構(gòu)示意圖,當(dāng)C單元的所有輸入值相同時(shí),輸出為輸入的反向值;若C單元的一個(gè)輸入因?yàn)槭艿絾瘟Ｗ佑绊懚槐M相同時(shí),輸出為高阻狀態(tài).圖1(b)是在C單元的基礎(chǔ)上加上鐘控裝置,只有在特定的時(shí)鐘下,C單元結(jié)構(gòu)才會(huì)正常工作,當(dāng)鐘控裝置關(guān)閉時(shí),C單元不工作從而減小功耗.DICE結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示,它利用一對(duì)冗余節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)SNU自恢復(fù),但是當(dāng)非相鄰的節(jié)點(diǎn)受到DNU時(shí)候會(huì)失效,即僅能從三分之一的 DNU 中自恢復(fù)[8].前人根據(jù)這兩個(gè)加固結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出一些經(jīng)典的鎖存器加固方案,如圖2所示,圖中開關(guān)所示為傳輸門,若開關(guān)旁邊為CLK,則說明傳輸門中PMOS晶體管的柵極連接CLK,NMOS 晶體管的柵極連接到 NCK;若開關(guān)旁邊為NCK,則反之.

圖1 抗輻照設(shè)計(jì)中常用的加固結(jié)構(gòu)Fig.1 Widely used components in radiation hardened designs

圖2 已有的加固鎖存器Fig.2 Previous hardened D-latch

圖2(a)為FERST鎖存器[9]的示意圖,它由兩個(gè)二輸入的C單元和反相器組成的互鎖反饋回路來穩(wěn)健的保存回路,同時(shí)在輸出階段,使用一個(gè)二輸入的C單元和保持器保持?jǐn)?shù)據(jù).FERST鎖存器可以對(duì)SNU免疫,但是當(dāng)出現(xiàn)DNU時(shí),會(huì)保留無效的數(shù)據(jù).圖2(b)為CLCT鎖存器[10],基于鐘控技術(shù),在鎖存模式下DICE沒有正反饋回路,防止了輸出節(jié)點(diǎn)中的電流競爭,且DICE和保存器中保留的數(shù)據(jù)被反饋到三輸入C單元的輸上,這可以防止由于SNU和DNU的出現(xiàn)導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)通過Q傳播.但是,它對(duì)保持器上的SNU和DICE上出現(xiàn)的DNU不能自恢復(fù),Q會(huì)出現(xiàn)高阻的狀態(tài).圖2(c)基于此對(duì)高阻抗敏感的問題進(jìn)行改進(jìn),通過三輸入C單元和基于鐘控的TPDICE驅(qū)動(dòng),對(duì)所有內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)不僅可以實(shí)現(xiàn)SNU自恢復(fù),而且可以完全容忍DNU[11].但是,以上提出的鎖存器不能對(duì)TNU免疫,圖2(d)的TNUCT[12]可以實(shí)現(xiàn)TNU免疫,將4個(gè)DICE結(jié)構(gòu)組成環(huán)形,單個(gè)DICE結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)SNU自恢復(fù),利用其他冗余節(jié)點(diǎn),在出現(xiàn)TNU時(shí)候,總有節(jié)點(diǎn)保留正確數(shù)據(jù),再通過3個(gè)C單元組成的錯(cuò)誤攔截結(jié)構(gòu)來阻止傳播,完全做到TNU的免疫.但是此設(shè)計(jì)面積開銷很大,如果改為D觸發(fā)器電路,會(huì)超過基準(zhǔn)的三模冗余觸發(fā)器.為此,提出一種面積開銷不超過三模冗余觸發(fā)器,且可以完全容忍TNU的觸發(fā)器電路.

2 加固的觸發(fā)器設(shè)計(jì)

2.1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理

圖3(a)為提出的Rectangle DFF電路設(shè)計(jì)圖,其中D為輸入信號(hào),Q為輸出信號(hào),CLK為時(shí)鐘信號(hào),NCK為反時(shí)鐘信號(hào).觸發(fā)器的鐘控裝置由文獻(xiàn)[13]提出的時(shí)鐘晶體管堆棧結(jié)構(gòu)組成,工作原理是利用CLK和NCK及其延遲節(jié)點(diǎn)構(gòu)建狹窄的時(shí)間窗來傳輸數(shù)據(jù),時(shí)間窗口位于CLK和CLKd的過渡期間,由CLK的正邊沿(0→1)觸發(fā),并在CLK變低之前保持穩(wěn)定;而鎖存部分由6個(gè)傳輸反相器、12個(gè)交叉耦合反相器構(gòu)成兩個(gè)TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)和3個(gè)二輸入的C單元構(gòu)成的兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置組成,不僅可以對(duì)TNU免疫,而且只有觸發(fā)時(shí)候數(shù)據(jù)才能傳輸進(jìn)來,避免其他時(shí)刻上組合邏輯電路中的SET脈沖進(jìn)入觸發(fā)器.

圖3 Rectangle D觸發(fā)器結(jié)構(gòu)Fig.3 Proposed rectangle DFF design

圖3(b)為Rectangle DFF電路的版圖設(shè)計(jì),首先,為了防止組合邏輯電路中的SET,采用保護(hù)環(huán)[14]和阱接觸[15]來保持電路阱電勢,降低SET脈沖寬度,減小觸發(fā)器上SEU的產(chǎn)生.而對(duì)于鎖存部分的版圖設(shè)計(jì),則是采用節(jié)點(diǎn)電荷共享[16]的思想和節(jié)點(diǎn)分離[17]方法進(jìn)行布局布線,對(duì)于電路中連接兩個(gè)TPDICE環(huán)的晶體管PM1′～PM6′、NM1′～NM6′用節(jié)點(diǎn)分離的方式進(jìn)行設(shè)計(jì);對(duì)于晶體管PM1～PM6、NM1～NM6,因?yàn)樗鼈儗儆谝粋€(gè)TPDICE環(huán)中,影響范圍小,則利用電荷共享的原理,將兩個(gè)同時(shí)受打擊的漏極節(jié)點(diǎn)放置在同一個(gè)方向,通過抵消PMOS晶體管收集的正電荷和NMOS晶體管收集的負(fù)電荷進(jìn)行加固.

當(dāng)CLK=0或CLK=1時(shí)候,時(shí)鐘晶體管堆棧結(jié)構(gòu)關(guān)閉,邏輯值無法傳輸,鎖存器不工作可以降低功耗.當(dāng)時(shí)鐘處于正邊沿時(shí),時(shí)鐘晶體管堆棧結(jié)構(gòu)打開,邏輯值傳輸?shù)絥1、n3、n5、n7、n9、Q.將邏輯值直接連接到Q,減小傳輸延遲;其余的5個(gè)節(jié)點(diǎn)通過交叉耦合反相器將邏輯值傳入到n2、n4、n6、n8、n10.6個(gè)交叉耦合反相器組成一個(gè)環(huán)形TPDICE結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)SNU自恢復(fù),DNU發(fā)生時(shí)仍有1對(duì)正確節(jié)點(diǎn).將如上構(gòu)建的兩個(gè)環(huán)形TPDICE中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接組成一個(gè)大的矩形,可以保證在出現(xiàn)TNU時(shí)候,仍有正確節(jié)點(diǎn),再利用C單元構(gòu)建的兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置阻斷錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的傳輸,使輸出Q保持正確;而當(dāng)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)同時(shí)出現(xiàn)在兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置和TPDICE結(jié)構(gòu)上時(shí),由于錯(cuò)誤攔截裝置的輸入不會(huì)同時(shí)翻轉(zhuǎn),并可以做到對(duì)錯(cuò)誤的屏蔽,輸出Q保持正確.綜上所述,Rectangle DFF可以很好的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并具有抗輻照性能.

2.2 抗單粒子翻轉(zhuǎn)的原理

本節(jié)將介紹觸發(fā)器在保持狀態(tài)下受到SNU、DNU、TNU的情況,并系統(tǒng)分析其抗輻照能力.

2.2.1 SNU免疫

根據(jù)設(shè)計(jì)的對(duì)稱性,節(jié)點(diǎn)n1、n3、n5、n7、n9為D的相同值;n2、n4、n6、n8、n10為D相反值;C單元堆棧中的n13、n14為D相反值.因此,對(duì)于SNU的分析,有13種可能發(fā)生方式,分為以下3種情況進(jìn)行說明.

第1種情況:當(dāng)SNU出現(xiàn)在TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)中,即節(jié)點(diǎn)n1～n10.以TPDICE1為例進(jìn)行說明,當(dāng)CLK處于上升沿時(shí)候,信號(hào)D輸入到節(jié)點(diǎn)n1、n3、n5,在由交叉耦合反相器傳入n2、n4、n6.當(dāng)D=0時(shí),n1=n3=n5=0,通過PM1′、PM2、PM3′將數(shù)據(jù)傳輸,n2=n4=n6=1;當(dāng)D=1時(shí),n1=n3=n5=1,通過NM1、NM2′、NM3將數(shù)據(jù)傳輸,n2=n4=n6=0.當(dāng)其任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生SNU,以D=0,n1=0為例,當(dāng)n1翻轉(zhuǎn)為1,通過NM1,n2=0,由于交叉結(jié)構(gòu),錯(cuò)誤不能繼續(xù)傳播;而n3=0、n6=1,通過PM2、NM1恢復(fù)n2=1,n1=0.其他單個(gè)節(jié)點(diǎn)的分析與其類似.綜上,TPDICE1和TPDICE2中的10個(gè)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)SNU自恢復(fù).

第2種情況:當(dāng)SNU出現(xiàn)在兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置中,即n13、n14.由于第1級(jí)的4個(gè)輸入n1、n9、n3、n7保持正確,可以恢復(fù)n13和n14,表明此種情況下,觸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)SNU自恢復(fù).

第3種情況:當(dāng)Q節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)SNU,雖然會(huì)使Q暫時(shí)翻轉(zhuǎn),但是由于TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)和兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置不會(huì)受到影響,所以Q在之后可以恢復(fù).

綜上所述,Rectangle DFF可以對(duì)電路出現(xiàn)的SNU免疫.

2.2.2 DNU免疫

觸發(fā)器對(duì)DNU免疫,一共有78種可能發(fā)生方式,可以概括為如下5種情況進(jìn)行分析.

第1種情況:當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)出現(xiàn)在TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)中,這種情況有4小類,第1類是TPDICE1和TPDICE2中各有一個(gè)節(jié)點(diǎn),即、、、、等35種可能發(fā)生方式.根據(jù)2.2.1中第1種情況分析,則該觸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)DNU的自恢復(fù).第2類是當(dāng)兩個(gè)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在TPDICE1或者TPDICE2的相鄰節(jié)點(diǎn)時(shí),即、、、、、.例如,當(dāng)D=1時(shí),n1=n3=n5=1,n2=n4=n6=0;若n1翻轉(zhuǎn)為0,n2翻轉(zhuǎn)為1,則通過PM1′和NM2,使n6=1,n3=0,而n4和n5仍然正確,通過PM3和NM2′可以對(duì)n3和n6進(jìn)行恢復(fù),雖然n1和n2仍不正確,但是觸發(fā)器仍可以通過兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置進(jìn)行過濾,保證Q上值正確.當(dāng)D=0時(shí),分析與上類似,Q仍保持正常值.第3類是當(dāng)一個(gè)TPDICE上間隔為1的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤,即、、、.由于TPDICE1和TPDICE2結(jié)構(gòu)相似,所以以TPDICE1為例,若D=1時(shí),n1=n3=1;若n1和n3被翻轉(zhuǎn)到0,則通過PM1′和PM2,使n6=n2=0,而n4=0,n5=1,則通過PM3和NM2′,可以恢復(fù)n6=0,n3=1.雖然n1和n2不可恢復(fù),但是通過兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置進(jìn)行過濾,輸出Q不會(huì)受到干擾.第4類是當(dāng)一個(gè)TPDICE上的間隔為2的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤,即、.以為例,當(dāng)D=1時(shí),n1=1,n4=0,當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),節(jié)點(diǎn)n1和n4通過PM1′和NM3′,使n6=1,n5=0,而n2和n3還是正確節(jié)點(diǎn),可以通過P1和N3使n1=1,n4=0,且n5和n6可由TPDICE2種n7和n10節(jié)點(diǎn)通過NM4′和PM6′恢復(fù),所以可以全部恢復(fù);而在D=0時(shí),若n1和n4翻轉(zhuǎn),通過分析,最后只有n2和n3節(jié)點(diǎn)不可恢復(fù),而通過兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置可以進(jìn)行過濾.

第2種情況:當(dāng)TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn),在兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)時(shí),有20種情況.根據(jù)2.2.1中分析,TPDICE有一個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)時(shí)可以自恢復(fù),所以不管n13和n14哪個(gè)翻轉(zhuǎn),錯(cuò)誤不可繼續(xù)傳播到Q,且可以由第一級(jí)輸入恢復(fù).

第3種情況:當(dāng)TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn),Q翻轉(zhuǎn)時(shí),有10種情況.根據(jù)2.2.1中分析,TPDICE有一個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)時(shí)可以自恢復(fù),雖然Q節(jié)點(diǎn)暫時(shí)翻轉(zhuǎn),但通過n13和n14可以恢復(fù)Q上的值.

第4種情況:當(dāng)兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置中有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)時(shí),即.雖然輸出Q會(huì)短暫改變,由于其第1級(jí)輸入n1、n3、n7、n9未改變,進(jìn)而恢復(fù)n13、n14,Q也隨之恢復(fù)正常.

第5種情況:兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn),Q翻轉(zhuǎn)時(shí),有2種可能發(fā)生方式,即、.通過第一級(jí)輸入n1、n3、n7、n9可恢復(fù)n13或者n14,進(jìn)而恢復(fù)Q.

綜上分析,Rectangle DFF可以對(duì)電路出現(xiàn)的DNU免疫.

2.2.3 TNU免疫

在本節(jié)中,將對(duì)觸發(fā)器的TNU免疫分為6種情況進(jìn)行分析,共有286種可能發(fā)生方式.

第1種情況:當(dāng)TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)中有3個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)時(shí),有5小類,第1類是3個(gè)節(jié)點(diǎn)只屬于TPDICE1或者只屬于TPDICE2中,且3個(gè)節(jié)點(diǎn)相鄰,有4種可能發(fā)生方式,即、、、.例如,當(dāng)D=1時(shí),n1=n3=1,n2=0,若n1、n2、n3翻轉(zhuǎn),則節(jié)點(diǎn)n1通過PM1′將n6翻轉(zhuǎn)為1,而保存正確值的n4和n5可以通過PM3和NM2′,使n3=1、n6=0.雖然n1和n2節(jié)點(diǎn)無法恢復(fù),可以通過兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置進(jìn)行過濾,保證觸發(fā)器輸出正確.第2類是若翻轉(zhuǎn)的3個(gè)節(jié)點(diǎn)只屬于TPDICE1或者只屬于TPDICE2中,且其中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相鄰,剩下的一個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他相鄰的兩個(gè)中任一間隔為1,4種可能發(fā)生方式分別為、、、.例如,當(dāng)D=1時(shí),n1=1,n2=n4=0,若此3個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn),則通過PM1′、NM2、NM3′,將n3、n5、n6全部翻轉(zhuǎn).由于n5和n6也屬于TPDICE2,所以節(jié)點(diǎn)n7和n10通過NM4′和PM6′恢復(fù)n5、n6,雖然n1～n4不能恢復(fù),但兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置的一級(jí)輸入未同時(shí)翻轉(zhuǎn),Q仍然正確;而D=0時(shí),n1、n2、n4會(huì)導(dǎo)致n3翻轉(zhuǎn),而n5和n6的正確數(shù)據(jù)通過PM3′、NM1′恢復(fù)n4和n1,其他節(jié)點(diǎn)經(jīng)過攔截,Q仍正確.第3類是翻轉(zhuǎn)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)位于TPDICE1(TPDICE2),另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位于TPDICE2(TPDICE1),且兩個(gè)為相鄰節(jié)點(diǎn),即、、、等,共56種可能發(fā)生方式.例如,當(dāng)D=1時(shí),n1=n7=1,n2=0,若此3個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn),根據(jù)2.2.2的第1種情況的第2類中所述,n1和n2若翻轉(zhuǎn)無法恢復(fù),由于TPDICE2可以實(shí)現(xiàn)SNU自恢復(fù),則n7可以恢復(fù),而兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置的第1級(jí)節(jié)點(diǎn)未同時(shí)翻轉(zhuǎn),觸發(fā)器在本種情況下可以對(duì)TNU免疫.第4類是翻轉(zhuǎn)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)位于TPDICE1(TPDICE2),另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位于TPDICE2(TPDICE1),且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間隔為1,即、、、等,共42種可能發(fā)生方式.例如,當(dāng)D=1時(shí),n1=n3=n7=1,若此3個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn),根據(jù)2.2.2的第1種情況的第3類所述,最后會(huì)導(dǎo)致n1和n2不可恢復(fù),而n7在TPDICE2中可自恢復(fù),可以兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置進(jìn)行過濾.第5類是翻轉(zhuǎn)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)位于TPDICE1(TPDICE2),另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位于TPDICE2(TPDICE1),且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間隔為2,即、、、等,共14個(gè).例如,當(dāng)D=1時(shí),n1=n7=1,n4=0,若此3個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn),根據(jù)2.2.2的第1種情況的第4類所述,TPDICE1和TPDICE2可以自恢復(fù),觸發(fā)器所有節(jié)點(diǎn)最終正確.當(dāng)D=0時(shí)候,根據(jù)2.2.2的第1種情況的第4類所述,n2和n3不可恢復(fù),但是兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置可以進(jìn)行過濾.由此得知,觸發(fā)器在本種情況下的5小類全部對(duì)TNU免疫.

第2種情況:當(dāng)TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn),另一個(gè)在兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置中,即、、、等,共90種可能發(fā)生方式.首先對(duì)于TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)中的翻轉(zhuǎn),根據(jù)2.2.2中的分析,在最糟糕的情況下,只會(huì)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不能恢復(fù),一共6種情況,即、、、、、.但是兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置的第1級(jí)輸入不會(huì)同時(shí)翻轉(zhuǎn),所以兩級(jí)輸入也不會(huì)同時(shí)翻轉(zhuǎn),Q上的值會(huì)保持.例如,在最糟糕的情況下,即翻轉(zhuǎn),由于n1和n9屬于同一個(gè)C單元的輸入,會(huì)導(dǎo)致n13暫時(shí)翻轉(zhuǎn),進(jìn)而Q翻轉(zhuǎn);但是n1和n9同屬不同的TPDICE環(huán),所以電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)n1和n9的自恢復(fù),而且連接n14的C單元輸入并未翻轉(zhuǎn),所以通過C單元結(jié)構(gòu),可以恢復(fù)n13和n14,再恢復(fù)Q.

第3種情況:當(dāng)TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn),另一個(gè)在Q上,即、、、等,共45種可能發(fā)生方式.根據(jù)2.2.3中第2類情況的分析,兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置的一級(jí)輸入不會(huì)同時(shí)翻轉(zhuǎn),則n13和n14不會(huì)翻轉(zhuǎn),從而恢復(fù)Q的值.

第4種情況:當(dāng)TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn),在兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置中n13和n14同時(shí)翻轉(zhuǎn),即、、等,共10種可能發(fā)生方式.由2.2.1分析,TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)有SNU自恢復(fù)能力,則兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置的一級(jí)輸入會(huì)恢復(fù)正確,從而改變n13和n14,Q雖然短暫翻轉(zhuǎn),但是會(huì)恢復(fù)正常.

第5種情況:當(dāng)TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn),在兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置中n13和n14有一個(gè)翻轉(zhuǎn),Q翻轉(zhuǎn),即、、、、共20種可能發(fā)生方式.Q雖然也會(huì)暫時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤,但由2.2.1分析,TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)有SNU自恢復(fù)能力,則兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置的一級(jí)輸入會(huì)恢復(fù)正確,從而恢復(fù)n13或n14,再恢復(fù)Q的正確值.

第6種情況:當(dāng)兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置中n13和n14兩個(gè)同時(shí)翻轉(zhuǎn),Q翻轉(zhuǎn),即.由于TPDICE環(huán)形結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)未翻轉(zhuǎn),則通過兩級(jí)錯(cuò)誤攔截裝置可以恢復(fù)n13、n14,進(jìn)而恢復(fù)Q.

綜上所述,Rectangle DFF能夠做到對(duì)電路中出現(xiàn)的 SNU、DNU和TNU的免疫.

3 仿真設(shè)置與結(jié)果分析

3.1 仿真設(shè)置

本文采用40nm CMOS技術(shù)對(duì)Rectangle DFF進(jìn)行設(shè)計(jì),仿真條件為標(biāo)稱電壓1.1V、溫度為27℃、時(shí)鐘頻率為250MHz,并采用SPECTRE仿真工具驗(yàn)證觸發(fā)器的對(duì)SNU、DNU、TNU的免疫能力.在此次模擬中,用于鎖存的PMOS晶體管的W/L=4,NMOS晶體管的W/L=3.

3.2 仿真結(jié)果

本文采用雙指數(shù)電流源來模擬高能粒子入射電路節(jié)點(diǎn)所引起的瞬態(tài)電流[18],公式(1)給出注入電荷的表達(dá)式[19].在仿真時(shí),設(shè)置注入的總電荷為0.1pC.

(1)

波形圖中的標(biāo)記代表在該節(jié)點(diǎn)該時(shí)刻注入故障.如圖4所示,在保持期的不同時(shí)刻對(duì)Rectangle DFF的不同節(jié)點(diǎn)注入一個(gè)電荷,來驗(yàn)證不同情況下容忍SNU翻轉(zhuǎn)的能力.圖4(a)所示為SNU的第一種情況,在Q=0時(shí),分別在4ns,5ns,6ns,12ns,13ns依次對(duì)節(jié)點(diǎn)n1,n3,n5,n7,n9注入正向脈沖,在Q=1時(shí),分別在8ns,9ns,10ns,16ns,17ns依次對(duì)節(jié)點(diǎn)n1,n3,n5,n7,n9注入負(fù)向脈沖,可見輸出Q的邏輯值正確.圖4(b)驗(yàn)證了第2種和第3種情況,在Q=0時(shí),4ns,5ns分別對(duì)節(jié)點(diǎn)n13,n14注入負(fù)向脈沖,6ns對(duì)Q注入正向脈沖;在Q=1時(shí),8ns,9ns分別對(duì)節(jié)點(diǎn)n13,n14注入正向脈沖,10ns對(duì)Q注入負(fù)向脈沖,所有翻轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)都可以自恢復(fù)到初始狀態(tài).

圖4 SNU容錯(cuò)仿真波形Fig.4 Simulation results of SNU injected

如圖5所示,在保持期的不同時(shí)刻對(duì)Rectangle DFF的不同節(jié)點(diǎn)注入兩個(gè)電荷,來驗(yàn)證在5種情況下容忍DNU翻轉(zhuǎn)的能力.圖5(a)驗(yàn)證了第1種情況,分別在4ns、5ns、6ns、12ns對(duì)、、、進(jìn)行注錯(cuò)驗(yàn)證,分別從屬2.2.2的第1種情況的的4種分支,從波形圖可以看出,Q保持正確的邏輯值.圖5(b)驗(yàn)證其他4種情況,分別在9ns、10ns、13ns、14ns對(duì)、、、進(jìn)行注錯(cuò)驗(yàn)證,分別對(duì)應(yīng)2.2.2中的第2種情況～第4種情況,仿真結(jié)果與分析一致,Q保持正確邏輯值.

圖5 DNU容錯(cuò)仿真波形Fig.5 Simulation results of DNU injected

如圖6所示,在保持期的不同時(shí)刻對(duì)Rectangle DFF 的不同節(jié)點(diǎn)注入3個(gè)電荷,來驗(yàn)證在6種情況下容忍翻轉(zhuǎn)的能力.圖6(a)驗(yàn)證了第1種情況,分別在16ns、17ns、18ns、20ns、21ns對(duì)、、、、進(jìn)行注錯(cuò)驗(yàn)證,分別從屬2.2.3的第1種情況的5種分支,從波形圖可以看出,Q保持正確的邏輯值.圖6(b)驗(yàn)證其他5種情況,分別在22ns、24ns、25ns、26ns、28ns對(duì)、、、、進(jìn)行注錯(cuò)驗(yàn)證,分別對(duì)應(yīng)2.2.3中的第2種情況～第5種情況,可以看到輸出Q依然保持正確邏輯值.

圖6 TNU容錯(cuò)仿真波形Fig.6 Simulation results of TNU injected

3.3 性能比較

本節(jié)將Rectangle DFF與基準(zhǔn)的三模冗余觸發(fā)器進(jìn)行比較,主要從觸發(fā)器加固性能、面積、延遲、功耗和功耗延遲積等方面比較.為了實(shí)驗(yàn)公平性,比較的觸發(fā)器都使用相同的寬長比,采用40nm CMOS體硅工藝,1.1V供電電壓,250MHz時(shí)鐘頻率,溫度為27℃.

首先對(duì)加固性能進(jìn)行比較,從表1中可以看出,三模冗余觸發(fā)器不具備容忍DNU和TNU的能力,因?yàn)樗?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)D觸發(fā)器和三選二投票器構(gòu)成.由于標(biāo)準(zhǔn)D觸發(fā)器未做加固處理,對(duì)SNU沒有容忍性,而三選二投票器也僅僅只能容忍SNU,對(duì)于翻轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)也無法做到自恢復(fù).而Rectangle DFF可以利用兩個(gè)TPDICE環(huán)做到SNU自恢復(fù),并且可以容忍DNU和TNU,所以Rectangle DFF比三模冗余觸發(fā)器更可靠.

表1 觸發(fā)器加固性能比較Table 1 Reliability comparisons among filp-flop

然后對(duì)兩者開銷進(jìn)行比較,從表2的第2列比較兩者面積,雖然Rectangle DFF為了容忍單粒子多點(diǎn)翻轉(zhuǎn),需要較多的晶體管構(gòu)建高可靠路徑,但可以看出所提出的觸發(fā)器晶體管數(shù)目小于三模冗余觸發(fā)器的晶體管數(shù)目.三模冗余觸發(fā)器是經(jīng)過所有晶體管才將Q送出,延遲較大,由于Rectangle DFF在觸發(fā)時(shí)將輸入D通過反相器傳輸?shù)捷敵鯭,所以延遲僅為TMR的56%.在功耗上,由于Rectangle DFF 為脈沖觸發(fā),會(huì)造成較大的功耗開銷,其功耗為三模冗余觸發(fā)器的1.75倍,但Rectangle DFF功率延遲積仍比TMR下降2%.綜上分析,Rectangle DFF總開銷優(yōu)于三模冗余觸發(fā)器.

表2 觸發(fā)器開銷比較Table 2 Overhead comparisons among filp-flop

4 結(jié) 語

隨著CMOS工藝的進(jìn)一步發(fā)展,需要改進(jìn)觸發(fā)器電路設(shè)計(jì),以使其工作在惡劣的輻照環(huán)境中.基于40nm CMOS體硅工藝,提出了一種對(duì)單粒子三節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)免疫的觸發(fā)器(Rectangle DFF).該設(shè)計(jì)由2個(gè)TPDICE組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)和3個(gè)C單元組成,兩級(jí)攔截裝置可以有效地屏蔽電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的單粒子錯(cuò)誤.與三模冗余觸發(fā)器電路相比,Rectangle DFF的面積開銷降低15%,延遲降低44%,功率延遲積降低2%.