CC BY
83
ТАРАРАКСИН1 Александр Сергеевич; САВЧЕНКОВ2 Дмитрий Владимирович;
ПЕЧЕНКИН3 Александр Александрович
АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА NATIONAL INSTRUMENTS И ТЕХНОЛОГИЙ .NET
В статье рассматривается, автоматизация, испытаний интегральных схем на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц. Рассмотрена аппаратура, составляющая, испытательные комплексы, и архитектура управляющего их работой распределенного приложения, работающего на платформе .NET. Реализована интеграция, объектов .NETв проекты, написанные на LabView, для. управления, контрольно-измерительными средствами National Instruments.
Ключевые слова: автоматизация, радиационных испытаний, LabView, National Instruments, отдельные ядерные частицы, распределенное приложение, .NET.
This paper considers automation of single event effects radiation hardness assurance test. We consider equipment included, in test facility and architecture of distributed, application managing its operation. Integration of .NET objects is implemented, in LabView projects to manage and control National Instruments facilities.
Keywords: radiation hardness assurance, single event effect, LabView, National Instruments, distributed, application, .NET Framework, automation.
Испытания на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) используются для отбраковки интегральных схем (ИС), входящих в космическую аппаратуру, преимущественно по критерию отсутствия тиристорного эффекта (ТЭ), который является основным и наиболее опасным явлением, нарушающим нормальное функционирование ИС и потенциально способным привести к их катастрофическому отказу при воздействии отдельных ОЯЧ, к которым относятся тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) и высокоэнергичные протоны (ВЭП) космического пространства (КП) [1]. Испытания ИС на стойкость к воздействию ОЯЧ необходимы для отбраковки потенциально нестойких в целях повышения сроков активного существования космических аппаратов. В настоящее время такие испытания становятся все более востребованными. Испытания ИС на стойкость к ОЯЧ — это сложный технологический процесс, включающий в себя множество этапов и использующий большое количество разнообразного испытательного и из-
мерительного оборудования. Основным путем повышения производительности и снижения ошибок (из-за человеческого фактора) является автоматизация с использованием современных программных технологий. Специфика радиационных испытаний накладывает определенные требования на способы автоматизации, поэтому вначале рассмотрим средства испытаний и их особенности.
Аппаратура
В процессе испытаний используют источники излучения и контрольно-измерительную аппаратуру, куда входят источники питания (ИП), приборы для осуществления функционального контроля (ФК) испытываемой ИС, осциллографы, а также различные датчики, например, датчик температуры (рис. 1). Источниками излучения могут быть моделирующие (ускорители протонов, тяжелых ионов) (МУ) или имитирующие (лазерные) установки. Проведение испытаний на различных установках имеет свои особенности. При испытаниях на МУ целесообразно испытывать
1 - аспирант НИЯУ «МИФИ»;
2 - аспирант НИЯУ «МИФИ»; 3 - м. н. с. ОАО «ЭНПО «СПЭЛС».
сразу несколько образцов ИС. Большое количество возникающих ТЭ, отсутствие теплоотвода в вакууме, а также невозможность доступа к образцам во время сеанса облучения при проведении испытаний на МУ приводят в ряде случаев к необходимости контроля температурного режима образцов. При испытаниях на лазерных имитаторах необходимо контролировать энергию лазерного излучения, диаметр сечения падающего на поверхность кристалла ИС лазерного пучка, координаты этого пучка на кристалле и пр. Лазерные испытания имеют свою специфику, о ней будет сказано ниже.
ИП должен подавать на схему напряжение питания и отключать питание в случае возникновения тиристорного эффекта («парировать ТЭ»), производить подсчет количества ТЭ. Кроме того, ИП обеспечивает такие базовые функции, как установка ограничения тока, порогового уровня тока ТЭ, задержка включения питания ИС после парирования ТЭ и задержка выключения питания при возникновении ТЭ (для осуществления проверки функционирования
16.01.2012 13:26:45
Рис. 1. Обобщенная структурная схема испытательного комплекса
ИС в условиях ТЭ и сохранения работоспособности после выдержки в состоянии ТЭ заданное время). Как правило, при испытаниях на ускорителях ионов в вакуумную камеру устанавливают сразу несколько ИС, каждая из которых может обладать несколькими выводами питания с разными напряжениями. Это накладывает на ИП дополнительные требования, заключающиеся в возможности группировки каналов и при парировании ТЭ возможности отключать питание всех каналов, входящих в группу, соответствующую конкретной ИС. Аппаратура для осуществления ФК должна давать ответ на вопрос, нормально ли функционирует испытываемая ИС, и, возможно, предоставлять некоторую дополнительную информацию
о работе схемы в зависимости от функционального назначения ИС. Например, для микросхем памяти аппаратура ФК производит запись и считывание памяти и контролирует возникновение сбоев в ячейках памяти; для микропроцессоров ФК может заключаться в записи/считывании конфигурационных регистров и выполнении тестовой программы, для АЦП — в контроле, например, таких параметров, как интегральная/дифференциальная нелинейность характеристики преобразования и т.д. Так же, как и к источникам питания, к средствам функционального контроля предъявляется требование по масштабируемости. Для реализации ФК
цифровых схем хорошо подходят платы цифрового ввода-вывода фирмы National Instruments, построенные на основе FPGA. Большое количество разрядов, возможность установки нескольких плат в крейт обеспечивают возможность осуществления ФK сложных БИС а также масштабируемость средств ФK для работы с несколькими ИО Возможность реализации и выполнения программы функционального контроля непосредственно в установленной на плате FPGA позволяет в случае необходимости осуществлять ФK на большой частоте. Для некоторых таких плат предусмотрен модуль ввода-вывода, позволяющий изменять значения логических уровней, что дает возможность испытаний схем с разными напряжениями питания. Надо сказать, что при возникновении TЭ даже при отключении питания возможна подпитка тиристорной структуры по входам ИО Поэтому при парировании TЭ необходимо переводить входы ИC в состояние высокого импеданса, что означает необходимость синхронизации работы источника питания и аппаратуры функционального контроля. По этой причине в качестве источников питания целесообразно использование специализированных плат National Instruments, которые, как и платы ввода-вывода, имеют хорошую программную поддержку в среде LabView. Это позволяет разрабатывать в LabView единые программы для парирования T3
и осуществления ФК, а возможность установки всех этих плат в один крейт обеспечивает удобство организации испытательного комплекса.
Часто для контроля условий при испытаниях необходимо использовать разнообразные датчики. Например, как было сказано выше, при испытаниях на ускорителях ионов часто возникает необходимость контроля температуры образцов. Для этого используются датчики температуры. Кроме того, потенциально возможно взаимодействие с регистрирующей аппаратурой ускорителя и автоматическая регистрация данных по флюенсу частиц и интенсивности пучка. В лазерных имитационных испытаниях часто используется так называемый блок контроля лазерного излучения, который предоставляет информацию об энергии и длительности лазерного импульса.
Работа всей этой аппаратуры должна быть синхронизована, причем особенно это важно для лазерных имитационных испытаний. Лазерные испытания имеют несколько этапов: сканирование кристалла ИС лазерным пучком и локализация чувствительных по ТЭ областей; получение зависимости пороговой энергии возникновения ТЭ от диаметра пятна, которое образует на кристалле падающий пучок; получение зависимости параметров импульса ионизационной реакции в цепи питания ИС от энергии лазер-
SPEC_2011_SPT-1.indd 15
Клиентское
приложение,
управляющее
автоматизацией
Прокси-о&ьект источника питания
Прокси-о&ьект
лазерного
имитатора
LabView
Сервер .NET Remoting
'------------------N
Объект источника питания
<—►
Крейт
National
Instruments
Сервер .NET Remoting
О&ьект лазерного имитатора (URI: «tcp//123.456.7.89:100/Laser.rem»)
Рис. 2. Упрощенная схема архитектуры распределенного приложения
автоматизации
ного излучения и, наконец, проверка прибору (ИП, лазерный имитатор, осциллограф и т.д.) соответствует объект,
живучести — выдержка ИС в состоянии ТЭ в течение заданных промежутков времени и последующая проверка ее работоспособности. И здесь уже необходима синхронизация работы ИП, лазерного имитатора, аппаратуры ФК и используемого для наблюдения импульса ионизационной реакции осциллографа.
Архитектура приложения
Для автоматизации испытаний вполне логично использовать программную объектную модель, в которой каждому
т.е. экземпляр определенного класса .NET [2]. Программа, автоматизирующая работу оборудования, построена из набора отдельных программ (сборок .NET), каждая из которых управляет своей частью аппаратуры (рис. 2). Также имеется головная программа-клиент, которая пользуется услугами программ, отвечающих за аппаратуру и предоставляющих главной программе доступ к своим объектам.
Надо заметить, что большое количество аппаратуры, а также условия проведения эксперимента зачастую не
позволяют подключить ее всю к одному компьютеру. Тогда оборудование распределяют между несколькими компьютерами, соединенными в сеть. Желательно, чтобы для главной программы-клиента объекты, предоставляемые другими программами, были прозрачны, т.е. обращение к их свойствам и методам происходило одинаково вне зависимости от того, находятся ли они на удаленной машине или на локальной. Такую прозрачность обеспечивает технология .NET Remoting [3]. Для примера рассмотрим случай удаленного взаимодействия с лазерным имитатором. На компьютере, к которому подключен лазерный имитатор, запускается приложение-сервер, которое создает объект лазерного имитатора и регистрирует его в инфраструктуре Remoting. Этому объекту также присваивается унифицированный идентификатор ресурса (URI), который, в частности, содержит в себе IP-адрес машины, на которой расположен объект и номер сетевого порта. Клиентское приложение запрашивает удаленный объект с помощью этого идентификатора (URI определен программно и потому заранее известен клиенту). В его адресном пространстве создается прокси-объект, который имеет те же методы и свойства, что и реальный объект, но при их вызове клиентом он обращается к удаленному объекту по сети. Этот объект выполняет требуемые действия и, опять же по сети, воз-
ChName Arr
?!
LabViewPowerSupply
?t
channels number
SEL
f Boolean
FPGAref
Ports
SELfk
Mode
f ComboBox
VCC Arr
PwrData
f Array
CurrentLim Arr
f Array
GraphsRef
ИТТІГ
Reg Event Callback Q
?!
SwitchOfffivent
VI Ref
User Parameter
SwitchOnEvent
VI Ref
User Parameter
SetVoltageEvent
VI Ref
User Parameter
SetCurrentRestrictionEvent
VI Ref
User Parameter
GetCurrentEvent
VI Ref
User Parameter
GetVoltageEvent
VI Ref
User Parameter
Рис. 3. Создание объекта ИП в проекте LabView
16.01.2012 13:26:45
вращает результат прокси-объекту, а тот, в свою очередь, — клиенту (рис. 2). Зачастую программы, управляющие оборудованием, реализованы на LabView, поэтому возникает необходимость встраивания их в описанную архитектуру. Эта задача решается внедрением объектов .NET в проекты на LabView (рис. 3). LabView позволяет загружать сборку .NET и создавать описанные в ней объекты и вызывать их методы, обращаться к полям и свойствам, а также подписываться на события [4]. На рис. 3 показана часть проекта LabView, в которой создается объект источника питания. Вся логика работы источника питания, подсчета и парирования ТЭ может быть реализована в самом объекте .NET, а для непосредственного управления источником питания National Instruments (задание напряжений, ограничения тока, включение и отключение каналов) через подписку на события могут вызывать-
ся подпрограммы, реализованные в LabView с использованием библиотечных функций поддержки соответствующих аппаратных средств.
Заключение
Tехнология .NET Remoting хорошо подходит для автоматизации производственных процессов, требующих синхронной работы оборудо-вания, со-
единенного в локальную сеть. В работе показана возможная реализация автоматизации испытаний на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц. Возможность создавать объекты .NET в таких средах разработки как Lab View позволяет включить в процесс автоматизации средства функционального контроля на основе модульных приборов National Instruments
Литература
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 2004. - 320 с.
2. Рихтер Дж. CLR via C#. Программирование на платформе Microsoft .NET Framework 2.0 на языке C#. Мастер-класс. -М.: Русская. Редакция, 2007. - 656 с.
3. Морган Сара, Райан Билл, Хорн Шеннон, Бломсма Марк. Разработка распределенных приложений на платформе Microsoft .Net Framework: Учебный курс Microsoft. - М.: Русская Редакция, 2008. - 608 с.
4. Трэвис Дж., Кринг Дж. LabView для всех. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 880 с.
ВАСИЛЬЕВ1 Алексей Леонидович, к.т.н.; ПЕЧЕНКИН2 Александр Александрович; ЧУМАКОВ3 Александр Иннокентьевич, д.т.н.; ЯНЕНКО4 Андрей Викторович, к.т.н.; АРТАМОНОВ5 Алексей Сергеевич, к.т.н.
ВЕРИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ИС НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНОЙ ГАММА-УСТАНОВКИ
Представлена методика калибровки лазерных имитационных испытаний микросхем по локальным одиночным ионизационным эффектам с использованием малогабаритной импульсной гаммы-установки. Проведена апробация методики, и показана возможность повышения, точности оценок эквивалентных значений линейных потерь энергии (ЛПЭ) для. микросхем, выполненных по различным, технологиям..
Technique of laser simulation, tests verification, using pulsed. X-ray simulator is presented. Approbation, technique is performed, and opportunity of improving the accuracy estimations equivalent LET for various IC's technologies is shown.
Широкое применение интегральных схем (ИС) в бор- которые в современных БИС могут достигать более 90%. Раз-товой аппаратуре космических аппаратов требует витый в настоящее времени способ учета этих эффектов по оценки их чувствительности к воздействию отдельных ядер- ионизационному отклику в цепи питания дает в ряде случаев ных частиц [1 — 3]. Эффективный метод оценки этой чувс- ощутимую погрешность из-за неопределенности в значениях твительности основан на применении сфокусированного некоторых электрофизических параметров подложки [7]. В лазерного излучения пикосекундной длительности [3 — 6]. настоящей работе предлагается развитие этого метода, осно-Одним из недостатков этого метода является необходимость ванного на дополнительных испытаниях по методике локаль-учета потерь лазерного излучения при его отражении слоя- ного облучения на импульсном ускорителе электронов в ре-ми металлизации, поглощении в слоях поликремния и т.п., жиме генерации гамма-излучения.
1 - с.н.с. «ОАО ЭНПО «СПЭЛС»;2 - м.н.с. «ОАО ЭНПО «СПЭЛС»;
3 — профессор НИЯУ «МИФИ»;4 - доцент НИЯУ «МИФИ»; 5 — доцент НИЯУ «МИФИ».
SPEC_2011_SPT-1.indd 17
