【摘要】：納米節(jié)點工藝下,集成電路的單粒子效應(yīng)(Single Event Effect,SEE)出現(xiàn)如下五個方面的變化和挑戰(zhàn):1)新工藝、新材料引入新的輻射損傷機理;2)發(fā)生單粒子效應(yīng)臨界電荷量降低;3)單粒子瞬態(tài)(Single event transient,SET)效應(yīng)更加顯著;4)電荷共享加劇,多位翻轉(zhuǎn)(multiple bit upset,MBU)的比例持續(xù)增加;5)地面環(huán)境中的錯誤率持續(xù)增加。這些變化使得芯片對單粒子輻射的敏感程度大大增強,單粒子效應(yīng)已經(jīng)成為危害芯片可靠性的最大挑戰(zhàn)之一。本課題針對當(dāng)前芯片在單粒子效應(yīng)下可靠性所面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對目前現(xiàn)有研究方法存在的缺陷,分別對芯片的邏輯單元和存儲單元展開了以下研究:(1)利用單粒子效應(yīng)敏感電路單元分布具有稀疏性的特性,采用壓縮感知(Compressed Sensing,CS)理論中非相關(guān)觀測的方法對芯片邏輯區(qū)域的單粒子效應(yīng)敏感單元進行探測研究。結(jié)合壓縮感知理論和可測性設(shè)計(Design For Test,DFT)方法,建立了芯片內(nèi)邏輯單元的非相關(guān)觀測模型。為了加強觀測的隨機性,我們采用0-1分布的伯努利隨機矩陣作為觀測矩陣,并將壓縮感知中隨機觀測矩陣的概念轉(zhuǎn)化成可測性設(shè)計方法中對測試節(jié)點的有效選取,從而以觀測矩陣的系數(shù)控制測試向量的生成,最終以掃描測試的方式實現(xiàn)隨機觀測。(2)研究在理想情況下和噪聲情況下的芯片內(nèi)部單粒子敏感單元的高精度重構(gòu)和定位方法。采用基追蹤(Basis Pursuit,BP)算法和基追蹤去噪(Basis Pursuit De-Noising,BPDN)算法研究0-1整數(shù)分布的原始信號的重構(gòu)方法,研究重構(gòu)準(zhǔn)確率與觀測次數(shù),觀測矩陣密度,稀疏度,噪聲密度和噪聲幅值之間的關(guān)系,并找到準(zhǔn)確重構(gòu)需要的邊界觀測條件。最后,以一款包含16467個門電路的AES(Advanced Encryption Standard)密碼芯片為例,對其進行單粒子效應(yīng)敏感單元探測的仿真實驗,實驗結(jié)果驗證了本文提出的探測和重構(gòu)方法的正確性。(3)利用數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性提出一種面向芯片存儲區(qū)中多位錯誤(Multiple Bits Upset,MBU)的定位和修復(fù)的新方法。該方法采用內(nèi)積作為相關(guān)性的度量標(biāo)準(zhǔn),從不同的維度對數(shù)據(jù)的相關(guān)性進行分析,構(gòu)建了基于相關(guān)性表示的錯誤檢測和修復(fù)模型。本文提出的方法以塊為單位執(zhí)行編碼和譯碼,以字為單位執(zhí)行檢測和糾正,因此該方法可以糾正一位或者多位錯誤。經(jīng)分析對比,該方法的糾錯能力較強,冗余開銷和算法復(fù)雜度較低。最后設(shè)計了一套基于SRAM芯片的單粒子探測系統(tǒng),采用重離子~(86)Kr~(26+)作為輻照源對該糾檢錯方法進行了可行性驗證。本課題的開展能夠促進我國單粒子效應(yīng)機理研究與抗輻射加固技術(shù)研究,對我國的空間科學(xué)、國防安全和信息安全具有重要的意義。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN47
【圖文】：

質(zhì)子、重粒子、alpha 粒子等其他種類的高能離子是宇航器件運行環(huán)境中常見的輻射源，這些高能粒子可以入射半導(dǎo)體器件敏感區(qū)并產(chǎn)生大量電荷，這些電荷可以改變電路的邏輯狀態(tài), 甚至損壞集成電路的性能，使整個電路系統(tǒng)不能工作在正常狀態(tài)下，嚴(yán)重的可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。經(jīng)研究統(tǒng)計：超過 71%的宇航電子器件發(fā)生的故障與電子器件工作的輻射環(huán)境有關(guān)，其中由單粒子效應(yīng)引起的故障總數(shù)占總故障數(shù)目的 55%。單粒子效應(yīng)已經(jīng)成為空間輻射環(huán)境中危害集成電路可靠性的最嚴(yán)重因素之一（王長河，1998；王天琦，2016）。由單粒子效應(yīng)引起的錯誤分為軟錯誤和硬錯誤，軟錯誤可以通過復(fù)位和重啟來恢復(fù)電路的狀態(tài)，但是在電路持續(xù)工作狀態(tài)會嚴(yán)重影響電路當(dāng)前的功能，致使電子系統(tǒng)發(fā)生錯誤（陳榮梅，2017）11。近地球空間輻射環(huán)境中的輻射源主要包括地球輻射帶、銀河宇宙射線、大氣二級粒子、太陽宇宙射線等（BentonandBenton，2001；Barth，2004；Zhou，et al.，2008），如圖 1.1 所示。

面向數(shù)字 SoC 芯片的單粒子效應(yīng)探測技術(shù)研究近年來，隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展，對宇航電子系統(tǒng)的性能和數(shù)據(jù)處理要求也不斷提高，同時伴隨衛(wèi)星向小型化、微型化和高集成化方向的發(fā)展集成電路是宇航電子系統(tǒng)的必然選擇。納米工藝節(jié)點的到來加劇了單粒子集成電路的影響，使得單粒子效應(yīng)已經(jīng)成為宇航集成電路所面臨最主要的靠性問題。已有研究表明隨著工藝尺寸縮小，大氣中存在的粒子也會對地作的集成電路產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致其發(fā)生軟錯誤（Baranwal，etal.，2015）。近年米工藝節(jié)點下的集成電路單粒子效應(yīng)已經(jīng)成為國際上集成電路輻射可靠最大的研究熱點（Artola，etal.，2015；Kchaou，etal.，2018；Kiddie，et15；Tang，et al.，2014）。.1 單粒子效應(yīng)

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號：2717235