CC BY
16УДК 621.382.2+ 621.382.3
Диагностика независимых событий одиночных сбоев и тиристорных эффектов при испытаниях цифровых КМОП ИС
А.О. Ахметов, Д.В. Бобровский, О.А. Калашников, П.В. Некрасов ОАО «ЭНПО «Специализированные электронные системы» (г. Москва)
А.С. Тарараксин, А.В. Яненко Институт экстремальной прикладной электроники НИЯУ МИФИ
Изложен подход к развитию методики функционального и параметрического контроля цифровых КМОП ИС при испытаниях на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц, позволяющее повысить достоверность независимого детектирования одиночных сбоев и тиристорных эффектов.
Ключевые слова: одиночный сбой, тиристорный эффект, ПЛИС, микроконтроллер, отдельные ядерные частицы.
Одиночные радиационные эффекты (ОРЭ) возникают в цифровых интегральных схемах (ЦИС) при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) космического пространства и в основном проявляются в виде одиночных сбоев (ОС) и тиристорных эффектов (ТЭ), которые в КМОП ЦИС могут развиваться в катастрофические отказы (КО) [1].
В ходе радиационных испытаний ЦИС на стойкость к воздействию ОЯЧ необходимо определить параметры чувствительности ЦИС к основным ОРЭ (ТЭ и ОС). Специфика современных сложнофункциональных (СФ) ЦИС заключается в том, что традиционные методики функционального и параметрического контроля не позволяют однозначно определить, какой именно из ОРЭ зарегистрирован - ОС или ТЭ.
Одиночный ТЭ в КМОП ЦИС связан с включением паразитной тиристорной структуры и, как правило, проявляется в виде скачкообразного увеличения значений токов потребления ЦИС и/или нарушении их функционирования. Добавочный ток потребления, обусловленный ТЭ, может иметь значения от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер, что в силу больших плотностей тока или локального разогрева приводит к катастрофическому отказу [2]. Тиристорная структура имеет ^-образную ВАХ, поэтому для ее выключения требуется снижение напряжения питания ЦИС, вплоть до нуля (на этом свойстве основана методика парирования ТЭ).
Одиночные сбои при воздействии ОЯЧ проявляются в виде инверсии логического состояния элемента памяти, приводящей в СФ ЦИС к потере информации, нарушению работы микропрограммы, перехода ЦИС в запрещенное состояние, выход из которого возможен только выключением питания или аппаратным сбросом. В таких нештатных состояниях токи потребления СФ ЦИС могут существенно отличаться от типовых рабочих значений, как правило, в большую сторону. Таким образом, ОС в СФ ЦИС могут иметь внешнее проявление, сходное с ТЭ. В то же время резкое изменение токов потребления может быть связано со штатным изменением режима работы микропроцессорных ЦИС.
© А.О. Ахметов, Д.В. Бобровский, О.А. Калашников, П.В. Некрасов, А.С. Тарараксин, А.В. Яненко, 2012
Еще один пример - специфическое проявление ОС в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) типа БРОЛ, которые могут вызывать приращения тока потребления (от единиц до десятков миллиампер), вызванные включением дополнительных блоков в структуре ПЛИС, не задействованных в первоначальной конфигурации. В процессе облучения ПЛИС по мере накопления ОС в конфигурационной памяти зависимость тока потребления от времени представляет собой последовательность ступенчатых приращений (рис.1).
Рис.1. График изменения тока потребления и количества сбоев в конфигурационной памяти ПЛИС ХСУ300 от времени
В других типах СФ ЦИС (преобразователи интерфейсов, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи и др.) возможны ОС во внутренней регистровой памяти, которые могут приводить к неконтролируемым переходам в другие режимы работы, некорректному функционированию и, как следствие, к резким изменениям тока потребления.
Поведение СФ ЦИС при воздействии ОЯЧ предъявляет определенные требования к методикам их испытаний на стойкость. В ходе таких испытаний обычно контролируется ток потребления для выявления ТЭ и проводится контроль функционирования для выявления одиночных сбоев и катастрофических отказов.
Для большинства СФ ЦИС выполнение полного цикла функционального контроля (ФК) в течение ограниченного временного интервала (несколько секунд) не реализуемо, поэтому проводят контроль работоспособности основных блоков ЦИС, а также блоков, наиболее подверженных ОС [4]. Например, для ПЛИС с числом вентилей ~1 млн можно организовать ФК основных блоков и периодическое чтение конфигурационной памяти по интерфейсу 1ТЛО, а не реализовывать «прошивку», покрывающую 100% ресурсов ПЛИС. Ограничение полноты ФК не позволяет контролировать состояние всех ячеек памяти в СФ ЦИС, поэтому для многих типов КМОП ЦИС (микроконтроллеров, микропроцессоров, ПЛИС и др.) существующие подходы не позволяют однозначно определить тип ОРЭ (ОС или ТЭ) по контролю тока потребления и функционирования [5].
Особенности поведения СФ КМОП ЦИС при воздействии ОЯЧ нашли отражение в предлагаемой методике проведения их испытаний на стойкость к воздействию ОЯЧ.
В ходе подготовки к испытаниям на основе предварительного анализа ЦИС необходимо определить наиболее чувствительные блоки, в которых могут возникать ОРЭ для разработки алгоритмов наиболее эффективного ФК. Исходя из типовых значений рабочих токов потребления определяются следующие:
- 1пор - пороговый ток потребления для регистрации ОРЭ: значение тока ЦИС в процессе функционирования, скачкообразное превышение которого интерпретируется как ОС или ТЭ; значение порогового тока потребления устанавливается на уровне 110-150% от значения максимального тока потребления ЦИС в процессе ФК;
- /огр - ограничение на ток потребления ЦИС, задаваемое источником питания для предотвращения выхода ЦИС из строя при возникновении ТЭ; ограничения на ток потребления устанавливаются на уровне 200-300% от значения максимального тока потребления ЦИС при проведении ФК.
При определении значений токов тиристорных структур ограничение источника питания /огр устанавливается на уровне, превышающем максимальный ток тиристорных структур.
В ходе эксперимента (при облучении образца ЦИС) осуществляется регистрация ОРЭ (изменений в токе потребления и функционировании), которые затем разделяются на ОС и ТЭ. В случае если ОРЭ классифицируется как ТЭ, проводится его парирование: кратковременное отключение питания ЦИС. Алгоритм контроля параметров ЦИС при проведении испытаний представлен на рис.2.
Для достоверной регистрации ОРЭ в ходе эксперимента необходимо установить плотность потока ОЯЧ таким образом, чтобы частота возникающих ОС или ТЭ была, как минимум, в два раза меньше частоты цикла контроля ЦИС с учетом времени парирования ТЭ. Это условие определяет возможность различия двух событий во времени. Учитывая реальные характеристики моделирующих установок, время выполнения цикла контроля СФ ЦИС приходится минимизировать даже за счет частичной потери полноты ФК.
Признаками возникновения ОРЭ от воздействия ОЯЧ являются изменение тока потребления Icc ЦИС или функциональный сбой, в том числе обратимая потеря работоспособности. Возникновение ошибок ФК в процессе облучения без значимого (Icc > 1пор) изменения тока потребления ЦИС интерпретируется как ОС. После регистрации ОС рекомендуется переводить ЦИС в начальное состояние. В случае если эта процедура занимает значительное время (от нескольких секунд), допускается продолжать облучение с накоплением сбоев, при котором необходимо учитывать возможный рост тока потребления ЦИС (например, в ПЛИС, см. рис.1) и корректировать значение порогового тока на соответствующее значение.
При скачкообразном превышении тока потребления ЦИС значений порогового тока нельзя однозначно интерпретировать это событие как ОС или ТЭ. Для определения типа эффекта предлагается следующая последовательность действий:
- возврат ЦИС в первоначальное состояние аппаратным сбросом (сигнал RESET) или реконфигурацией («прошивка» ПЛИС, запись конфигурационных регистров ЦИС и др.);
- контроль тока потребления ЦИС - если он вернулся в исходное состояние, то одиночное событие интерпретируется как ОС, если нет - как ТЭ.
Если для ЦИС с аппаратным сбросом (микропроцессор, микроконтроллер) процесс восстановления начального состояния требует времени, существенно меньше 1 с, то для других видов ЦИС он может занимать значительно большее время. Например, программирование современных ПЛИС (семейств Virtex 5-7, Stratix) или перезапись больших объемов памяти может занимать от нескольких единиц до нескольких десятков секунд.
Рис. 2. Алгоритм методики детектирования, разделения и парирования эффектов
при воздействии ОЯЧ
Если быстрая (< 1 с) реконфигурация ЦИС невозможна, признаком ТЭ может служить его срыв - резкое снижение тока потребления ЦИС при плавном уменьшении напряжения питания. Отсутствие характерного перегиба на ВАХ свидетельствует о вероятном отсутствии ТЭ (рис.3).
Возможность использования такого критерия ТЭ необходимо проверять до проведения облучения (например, с использованием лазерных имитаторов ОЯЧ [6]), так как в некоторых случаях ВАХ тиристорных структур не имеет резких перегибов, которые могли бы автоматически распознаваться и интерпретироваться как срыв ТЭ.
Поведение СФ ЦИС при воздействии ОЯЧ имеет также ряд других особенностей, которые необходимо учитывать в методике контроля их параметров в процессе облучения. В частности, необходимо иметь в виду, что повышение температуры кристалла ЦИС может привести к изменению параметров ее чувствительности к ТЭ и, как следствие, к снижению достоверности получаемых данных. Причинами повышения температуры в ходе испытаний могут быть:
- возрастание тока потребления ЦИС в процессе облучения (например, ток потребления ПЛИС из-за накопления ошибок в конфигурационной памяти);
- частые ТЭ с большим значением тока потребления;
- накопление дозы (особенно при облучении протонами).
В ходе облучения необходимо контролировать температуру кристалла ЦИС. При значительном увеличении значений температуры или постоянного тока потребления следует возвращать ЦИС в исходное состояние, при необходимости приостанавливая облучение. В случае если возник ТЭ или другие необратимые изменения в ЦИС, то ее возврат в исходное состояние средствами ФК без выключения питания невозможен. После включения питания производится полный цикл контроля с проверкой тока потребления и функционирования, при этом надо учитывать температуру ЦИС. Если несколько попыток парирования ТЭ не приводят к восстановлению работоспособности, то фиксируется катастрофический отказ ЦИС.
При воздействии ОЯЧ разные ОРЭ в СФ КМОП ЦИС могут иметь схожие проявления. Разработанная методика детектирования, разделения и парирования позволяет эффективно проводить испытания ЦИС на стойкость к воздействию ОЯЧ с учетом специфики проявления одиночных сбоев и тиристорных эффектов. Предложенный алгоритм позволяет автоматизировать процесс проведения эксперимента.
Литература
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. - М.: Радио и связь. -2004. - 320 с.
2. Laser-induced latchup screening and mitigation in CMOS devices / D. McMorrow, S. Buchner, M. Baze et al. // IEEE Trans. on Nuclear Science. - Vol. 53. - 2006.- Р. 1819-2006.
3. Максфилд К. Проектирование на ПЛИС. Курс молодого бойца. - М.: Додэка-XXI. - 2007. - 408 с.
4. Некрасов П.В. Особенности функционального контроля микропроцессоров при радиационных испытаниях // Петербургский журнал электроники. - 2009. - № 1. - С. 44-50.
5. Бобровский Д.В. Методы и средства прогнозирования стойкости ПЛИС к воздействию радиационных факторов космического пространства. Автореф. диссерт. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. -М.: НИЯУ МИФИ. - 2011. - 118 с.
6. Лазерные имитаторы «пико» для испытаний электронной компонентной базы на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц / А.Н. Егоров, О.Б. Маврицкий, А.И. Чумаков и др. // Спецтехника и связь. - 2011. - № 4-5. - С. 8-14.
Статья поступила 26 апреля 2012 г.
Ахметов Алексей Олегович - младший научный сотрудник ОАО «ЭНПО СПЭЛС» (г. Москва). Область научных интересов: радиационная стойкость интерфейсных СБИС, одноплатных компьютеров и периферийных модулей. E-mail: ahmet@spels.ru
Бобровский Дмитрий Владимирович - кандидат технических наук, научный сотрудник ОАО «ЭНПО СПЭЛС» (г. Москва). Область научных интересов: стойкость ПЛИС и БМК к радиационным факторам космического пространства.
Калашников Олег Арсеньевич - кандидат технических наук, доцент, руководитель НТК-2 ОАО «ЭНПО СПЭЛС» (г. Москва). Область научных интересов: эффект накопленной дозы в цифровых КМОП ИС, развитие методов и средств функционального контроля цифровых СБИС при радиационных испытаниях.
Некрасов Павел Владимирович - кандидат технических наук, руководитель группы ОАО «ЭНПО СПЭЛС» (г. Москва). Область научных интересов: стойкость микропроцессоров и микроконтроллеров к радиационным факторам космического пространства.
Тарараксин Александр Сергеевич - инженер ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: развитие методов и средств испытаний изделий микроэлектроники на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц по локальным радиационным эффектам.
Яненко Андрей Викторович - кандидат технических наук, ведущий специалист ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: исследование радиационной стойкости электронной компонентной базы при воздействии отдельных ядерных частиц по локальным радиационным эффектам.
s— Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника» -N
С тематическими указателями статей за 1996 - 2011 гг., аннотациями и содержанием последних номеров можно ознакомиться на нашем сайте:
Г 1 http://www.miet. ru/structure/s/894/e/12142/191
Ч_ _У
