【摘要】：納米節(jié)點(diǎn)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(gè)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(jī)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(cuò)誤率持續(xù)增加。這些變化使得芯片對(duì)單粒子輻射的敏感程度大大增強(qiáng),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(duì)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(duì)目前現(xiàn)有研究方法存在的缺陷,分別對(duì)芯片的邏輯單元和存儲(chǔ)單元展開(kāi)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(cè)的方法對(duì)芯片邏輯區(qū)域的單粒子效應(yīng)敏感單元進(jìn)行探測(cè)研究。結(jié)合壓縮感知理論和可測(cè)性設(shè)計(jì)(Design For Test,DFT)方法,建立了芯片內(nèi)邏輯單元的非相關(guān)觀測(cè)模型。為了加強(qiáng)觀測(cè)的隨機(jī)性,我們采用0-1分布的伯努利隨機(jī)矩陣作為觀測(cè)矩陣,并將壓縮感知中隨機(jī)觀測(cè)矩陣的概念轉(zhuǎn)化成可測(cè)性設(shè)計(jì)方法中對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的有效選取,從而以觀測(cè)矩陣的系數(shù)控制測(cè)試向量的生成,最終以掃描測(cè)試的方式實(shí)現(xiàn)隨機(jī)觀測(cè)。(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(hào)的重構(gòu)方法,研究重構(gòu)準(zhǔn)確率與觀測(cè)次數(shù),觀測(cè)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(cè)條件。最后,以一款包含16467個(gè)門電路的AES(Advanced Encryption Standard)密碼芯片為例,對(duì)其進(jìn)行單粒子效應(yīng)敏感單元探測(cè)的仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的探測(cè)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(chǔ)區(qū)中多位錯(cuò)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(duì)數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行分析,構(gòu)建了基于相關(guān)性表示的錯(cuò)誤檢測(cè)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(cè)和糾正,因此該方法可以糾正一位或者多位錯(cuò)誤。經(jīng)分析對(duì)比,該方法的糾錯(cuò)能力較強(qiáng),冗余開(kāi)銷和算法復(fù)雜度較低。最后設(shè)計(jì)了一套基于SRAM芯片的單粒子探測(cè)系統(tǒng),采用重離子~(86)Kr~(26+)作為輻照源對(duì)該糾檢錯(cuò)方法進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。本課題的開(kāi)展能夠促進(jìn)我國(guó)單粒子效應(yīng)機(jī)理研究與抗輻射加固技術(shù)研究,對(duì)我國(guó)的空間科學(xué)、國(guó)防安全和信息安全具有重要的意義。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：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(yùn)行環(huán)境中常見(jiàn)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(gè)電路系統(tǒng)不能工作在正常狀態(tài)下，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。經(jīng)研究統(tǒng)計(jì)：超過(guò) 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(zhǎng)河，1998；王天琦，2016）。由單粒子效應(yīng)引起的錯(cuò)誤分為軟錯(cuò)誤和硬錯(cuò)誤，軟錯(cuò)誤可以通過(guò)復(fù)位和重啟來(lái)恢復(fù)電路的狀態(tài)，但是在電路持續(xù)工作狀態(tài)會(huì)嚴(yán)重影響電路當(dāng)前的功能，致使電子系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)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(jí)粒子、太陽(yáng)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(cè)技術(shù)研究近年來(lái)，隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)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(shí)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(diǎn)的到來(lái)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(wèn)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(huì)對(duì)地作的集成電路產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致其發(fā)生軟錯(cuò)誤（Baranwal，etal.，2015）。近年米工藝節(jié)點(diǎn)下的集成電路單粒子效應(yīng)已經(jīng)成為國(guó)際上集成電路輻射可靠最大的研究熱點(diǎn)（Artola，etal.，2015；Kchaou，etal.，2018；Kiddie，et15；Tang，et al.，2014）。.1 單粒子效應(yīng)

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號(hào)：2717235