CC BY
62
УДК 621.396
т/
БО! 10.21685/2307-4205-2017-3-11
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ В ДИНАМИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМАХ ПАМЯТИ В СРЕДЕ МАТЬАВ/ВШиЬШК
К. И. Хомутов, А. А. Шегал, А. А. Иофин, В. Э. Иванов
Введение
Хорошо известно, что для исследования поведения сложных объектов в условиях воздействия внешней среды широко используются методы математического или натурного моделирования [1-3]. В предлагаемой работе при изучении особенностей хранения информации в динамических микросхемах памяти, на основе которых реализуется оперативная память компьютера (ДБИС ОЗУ) [4], применяется программное обеспечение МайаЬ^шиПпк. Пакет 81шиПпк является составной частью системы моделирования МЛТЬЛБ и поставляется вместе с ней. Основа его работы - принципы визуально ориентированного программирования с использованием моделей, представленных в виде блоков, структурированных по разделам библиотеки [5].
Поставим задачу: с помощью специализированных блоков 8тиПпк построить модель байтовой ячейки динамической памяти, работающей в условиях естественного радиационного фона и провести сравнительный анализ помехоустойчивости хранения данных при отсутствии и использовании избыточного кода Хемминга [6].
Влияние альфа-частиц на надежность хранения информации в ОЗУ
Динамические микросхемы памяти обладают следующими особенностями:
- запоминающим элементом (ЗЭ) ДБИС ОЗУ является конденсатор Сз, образованный поликремниевой областью канального транзистора (рис. 1) [7]. Под этой областью создается потенциальная яма, которая пуста при хранении «1» и заполнена электронами при хранении «0»;
- ограниченное время хранения заряда запоминающим элементом. Через интервал времени, равный периоду регенерации ¿рег, информацию, хранимую в ЗЭ, необходимо восстанавливать (регенерировать). Наличие дефекта вызывает ток утечки, который может разрядить запоминающую емкость за время, меньшее ¿рег, что приведет к потере информации [4, 7, 8].
Рис. 1. Схема ячейки динамического ОЗУ: а - эквивалентная схема; б - МОП-структура: ЛВ - линии выборки; ЛЗС - линии записи-считывания
Содержащиеся в керамических корпусах микросхем остатки урана и тория излучают альфа-частицы [9, 10]. Попадания альфа-частиц в ЗЭ и разрядную шину выбираемого ЗЭ вызывают переход логического состояния «1» в «0». Попадания альфа-частиц в невыбранные разрядные шины и ЗЭ приводят к переходу логического «0» в «1». Попадания альфа-частиц в усилители считывания и схемы управления являются источниками сбоев обоих типов: перехода логического состояния «1» в «0» и логического «0» в «1».
лзс
ЛВ
б)
Для исправления ошибок хранения информации в ДБИС ОЗУ широко используются специальные корректирующие коды Хемминга, обнаруживающие и исправляющие однобитовые ошибки в «-разрядных словах [6]. Так, для 8-разрядного слова информации требуется четыре дополнительных контрольных бита (табл. 1).
Таблица 1
Распределение разрядов 12-битного слова
Номер бита 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Бит данных D8 d7 De D5 D4 D3 D2 D1
Контр.биты Рв Р4 Р2 Р1
Контрольные биты определяются по правилам, представленным формулой
P1=D1 ©D2 ©D4 ©D5 ©D7 ;
P2=D1 ©D3 ©D4 ©D6 ©D7 ;
P4=D2 ©D3 ©D4 ©D8 ;
P8=D5 ©D6 ©D7 ©D8 ,
где © - поразрядная логическая операция «исключающее или».
Процедура моделирования. На основе данных [3, 4, 7-10] в среде моделирования MATLAB/Simulink разработана имитационная модель битовой ячейки ДБИС ОЗУ, а также собрана байтовая ячейка памяти 8х1, защищенная избыточным кодом Хемминга.
В разработанной модели битовой ячейки ДБИС ОЗУ (рис. 2) используются типовые блоки пакета Simulink: логические блоки: И,ИЛИ, НЕ; памяти, порты ввода и вывода, триггерный блок. Модель имеет входы WL (линия выборки) и BL (линия записи), выход (OUT) работает как продолжение ЛЗС, через него осуществляется чтение бита. Наличие триггера, обозначенного Cs1, определяет модель как квазидинамическую ячейку, поскольку хранение данных зависит от изменения состояния триггера, а разряд конденсатора во время хранения не учитывается.
NOT_BL_DURING WR Рис. 2. Модель битовой динамической ячейки памяти
Также были построены следующие модели:
- битовая ячейка с возможностью принудительной записи нуля или единицы при подаче импульса на входы ERR0 и ERR1. Так моделируется пролет альфа-частицы через каждую битовую ячейку;
- усилитель считывания, который представляет собой триггер, реагирующий на импульс, поступающий при чтении содержимого битовой ячейки. По стробу OE осуществляется защелкивание значения считанного бита;
- блок REFRESH, реализующий восстановление записанного в ячейке памяти бита после операции чтения. В общей схеме эксперимента этот блок помещается между генератором управляющих сигналов (RAS, WE, выбор строки WL) и ячейкой памяти. Схемы перечисленных выше
устройств объединены с помощью блока Subsystem в отдельные макроблоки: BitCell, SA и REFRESH, на основе которых собрана структура 8-разрядной ячейки динамического ОЗУ (рис. 3);
- генератор ошибок, имитирующий воздействие альфа частиц (рис. 4). Схема выполнена на основе библиотечного блока генератора случайной бинарной последовательности с распределением Бернулли [11]. Для распределения Бернулли задается вероятностьр - непоявления альфа частицы (событие «0»), соответственно, вероятность появления альфа частицы равна (1-р), где 0 < p < 1. Также используются 16 блоков Unbuffer, с помощью которых реализуется возможность появления ошибки в любом бите 16-разрядного слова, эмулированного в эксперименте. Поскольку для моделируемой 8-разрядной ячейки требуется четыре дополнительных контрольных бита (см. табл. 1) в модели генератора ошибок используются четыре заглушки (Terminator);
- генератор управляющих сигналов, в котором управляющие сигналы реализуются блоком Signal Builder (рис. 5). В модели используется только одна байтовая ячейка, поэтому можно обойтись без строба выбора столбца. По переднему фронту сигнала регистрации ошибки (EDS) выявляется несоответствие считанного и записанного битов данных. При проведении эксперимента количество несоответствий суммируется и определяется общее количество выявленных ошибок.
Рис. 3. Модель байтовой ячейки динамической памяти
Рис. 4. Модель генератора ошибок (а) и настройки блока генератора Бернулли (б)
Ells Edit ire jp signal нНр
Сгоир 1 Е05
ОЕ КАБ \Л/Е
¡S Я ' Л Ч» • I г. — J" Л 1:11111 8? ! ? ts a ► ii • „ iflii | и
Active Group: Group 1 - -! -1
Signals
Е05
ОЕ
ВА5
™
Name: [EDS
Index: 1
0.4 0.5 0.6
Time (sec)
B......... ... та
Т: [ 2 об
- Z HAS
ZWE
Рис. 5. Модель генератора управляющих сигналов (а), временные диаграммы его работы (б)
Схема проведения эксперимента. Из описанных выше блоков построена схема, с помощью которой исследуется влияние кодов Хэмминга на количество ошибок памяти, вызванное воздействием альфа-частиц. Помимо указанных выше блоков (см. рис. 3-5), в схеме эксперимента используются библиотечные функциональные блоки кодера и декодера Хемминга (16:12).
Эксперимент запускался с помощью разработанного га-файла (МайаЬ), текст которого представлен ниже (рис. 6).
errors = [0 0]; % Обнуление массивов ошибок errors_hamm = [0 0];
set_ _param( 'test_ _final/lN_ _bit0', 'Value', '1
set_ _param( 'test_ _final/lN_ _bit1', 'Value', '1
set_ _param( 'test_ final/lN_ _bit2', 'Value', '1
set_ _param( 'test_ _final/lN_ _bit3', 'Value', '1
set_ _param( 'test_ _final/lN_ _bit4', 'Value', '1
set_ _param( 'test_ _final/lN_ _bit5', 'Value', '1
set_ _param( 'test_ _final/lN_ _bit6', 'Value', '1
set_ _param( 'test_ _final/lN_ _bit7', 'Value', '1
%входные данные
% проверяем код 11111111b, отключаем генератор ложных единиц set_param('test_final/Bernoulli Binary Generator1l,lPl,l1l); % устанавливаем вероятность появления ошибок в генераторе ложных нулей set_param('test_final/Bernoulli Binary Generator0l,lPl,l0.99999l); for i = 1:1000% одна тысяча опытов % запуск моделирования
set_param('test_finall, 'SimulationCommand', 'start'); i% вывод номера текущего опыта в консоль MATLAB
pause(2);% задержка в 2 сек. - гарантия выполнения текущего опыта end
Рис. 6. Текст да-файла для запуска эксперимента
Использовались следующие параметры моделирования: время моделирования - 1 мкс, шаг моделирования - 1 нс.
После проведения 1000 опытов получены результаты моделирования в виде вектора ошибок в рабочей области Simulink - Workspace (рис. 7).
Workspace ©
Name ¿~ Value
;U errors lxl struct
;|] errors_hamm lxl struct
2 errorsjast [0 6 0 2 1 0 5 13]
5 errors last hamm [0 0 0 1 2 0 1 1]
Si 1000
Stout 1000x1 double
Рис. 7. Результаты моделирования
Каждый элемент вектора - сумма накопленных несоответствий между записанным и считанным битом по всему эксперименту. В векторе errors фиксируются ошибки хранения 8-разрядного слова без применения кода Хэмминга, в переменной errors_hamm - накопленные ошибки хранения с применением помехозащищенного кодирования. Поскольку коды Хэмминга позволяют исправлять одиночные ошибки, в векторе errors_last_hamm представлены ошибки большей разрядности. Полученный результат позволяет судить об эффективности применения кода Хэмминга в системах хранения информации: количество ошибок в векторе errors last в 5,4 раза превышает количество ошибок, накопленное в векторе errors last _hamm.
Выводы и рекомендации. На базе программного комплекса Matlab/Simulink впервые построена модель ячейки динамической памяти на фоне естественного радиационного излучения и исследовано влияние помехоустойчивого кода Хемминга на надежность хранения информации. Предлагаемая модель может быть использована для исследования работы тестов, контролирующих работу ОЗУ, а также изучения влияния повышенного радиационного фона, особенно в космическом пространстве на надежность работы динамических микросхем памяти.
Библиографический список
1. Острейковский, В. А. Теория систем : учебник / В. А. Острейковский. - М. : Высш. шк., 1997. - 240 с.
2. Полтавский, А. В. Концепция принятия решений при создании сложных технических систем / А. В. Полтавский, А. С. Жумабаева, Н. К. Юрков // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2016. - Т. 1. - С. 8-12.
3. Чаусов, М. В. Учебная модель функционирования статического оперативного запоминающего устройства / М. В. Чаусов, С. С. Смирнов, С. М. Чаусова // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. - 2010. - № 2 (22). - URL: https://www.isuct.ru/e-publ/snt/sites/ru.epubl. snt/files/2010/
4. Столингс, У. Структурная организация и архитектура компьютерных систем : пер. с англ. / У. Стол-лингс. - 5-е изд. - М. : Вильямс, 2002. - 896 с.
5. Дьяконов, В. П. MATLAB R2007/2008/2009 для радиоинженеров / В. П. Дьяконов. - М. : ДМК Пресс, 2010. - 976 с.
6. Орлов, С. А. Организация ЭВМ и систем : учебник для вузов / С. А. Орлов, Б. Я. Цилькер. - 2-е изд. -СПб. : Питер, 2011. - 688 с.
7. Угрюмов, Е. П. Цифровая схемотехника : учеб. пособие для вузов / Е. П. Угрюмов. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб. : БХВ-Петербург, 2010. - 816 с.
8. SIEMENS HYB 3164(5)800AJ/AT(L) 8Mx8-DRAM Datasheet // Semiconductor Group. - 2009. - URL: http://pdf.dzsc.com/20090603/200903051124143712.pdf.
9. Зебрев, Г. И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах высокой степени интеграции / Г. И. Зебрев // НИЯУМИФИ. - 2010. - URL: http://www.researchgate.net/profile/Gennady_Zebrev/publication/268277455 Radiation Effects in Silicon High Scaled Integrated Circuits in Russian/links/
10. Огнев, И. В. Надежность запоминающих устройств / И. В. Огнев, К. Ф. Сарычев. - М. : Радио и связь, 1988. - 454 с.
11. Надежность технических систем : справочник / под ред. И. А. Ушакова. - М. : Радио и связь, 1985. - 608с.
Хомутов Константин Игоревич магистрант,
Институт радиоэлектроники и информационных
технологий - РТФ,
Уральский федеральный университет
им. первого Президента России Б. Н. Ельцина
(620002, Россия, г. Екатеринбург, ул. Мира, 32)
Е-mail: a.a.shegal@ urfu.ru
Шегал Анна Айзиковна
кандидат технических наук, доцент,
кафедра радиоэлектроники и связи,
Институт радиоэлектроники и информационных
технологий - РТФ,
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
(620002, Россия, г. Екатеринбург, ул. Мира, 32)
E-mail: a.a.shegal@ urfu.ru
Иофин Александр Аронович кандидат технических наук, заместитель главного конструктора, АО «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь»
(623409, Россия, Свердловская область, г. Каменск-Уральский, ул. Пионерская, 8) E-mail: tehdep630@yandex.ru
Иванов Вячеслав Элизбарович
доктор технических наук, профессор,
кафедра радиоэлектроники и связи,
Институт радиоэлектроники и информационных
технологий - РТФ,
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
(620002, Россия, г. Екатеринбург, ул. Мира, 32)
E-mail: v.e.ivanov@urfu.ru
Khomutov Konstantin Igorevich
master degree student,
Institute of Radioelectronics
and Information Technologies - RTF,
Ural Federal University named after the first President
of Russia B. N. Yeltsin
(620002, 32 Mira street, Ekaterinburg, Russia)
Shegal Anna Ayzikovna
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of radio electronics and communications,
Institute of Radioelectronics and Information Technologies - RTF,
Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin
(620002, 32 Mira street, Ekaterinburg, Russia) Iofin Alexander Aronovich
candidate of technical sciences, deputy chief designer, JSC «Ural Design Bureau «Detal» (623409, 8 Pionerskaya street, Kamensk-Uralsky, Sverdlovsk Region, Russia)
Ivanov Vyacheslav Elizbarovich doctor of technical sciences, professor, sub-department of Radio electronics and communications,
Institute of Radioelectronics and Information Technologies - RTF,
Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin
(620002, 32 Mira street, Ekaterinburg, Russia)
Аннотация. Показано, что при изучении особенностей хранения информации в динамических микросхемах памяти, на основе которых реализуется оперативная память компьютера, широко применяется программное обеспечение МаНаЬ^шиЬпк. Пакет Б1ти1шк является составной частью системы моделирования МЛТЬЛБ и поставляется вместе с ней. Основа его работы - принципы визуально ориентированного программирования с использованием моделей, представленных в виде блоков, структурированных по разделам библиотеки. Решена задача: с помощью специализированных блоков Б1ти1тк построить модель байтовой ячейки динамической памяти, работающей в условиях естественного радиационного фона и провести сравнительный анализ помехоустойчивости хранения данных при отсутствии и использовании избыточного кода Хемминга. Впервые построена модель ячейки динамической памяти на фоне естественного радиационного излучения и исследовано влияние помехоустойчивого кода Хемминга на надежность хранения информации. Предлагаемая модель используется для исследования работы тестов, контролирующих работу ОЗУ, а также изучения влияния повышенного радиационного фона, особенно в космическом пространстве на надежность работы динамических микросхем памяти.
Ключевые слова: надежность, моделирование, ячейка динамической памяти, МаЙаЬ/БтиНпк, помехоустойчивое кодирование, радиационный фон.
Abstract. It is shown that, when examining the characteristics of the storage of information in dynamic memory chips based on the sale of computer memory widely used software Matlab/Simulink. Batch Simulink is an integral part of the MATLAB simulation systems and comes along with it. The basis of his work is visually-oriented programming principles using models presented in the form of blocks, structured by sections of the library. The problem with the help of specialized units to build a model cell byte Simulink dynamic memory running under conditions of natural background radiation and a comparative analysis of noise in the absence of data storage and Use redundant code Hamming. First model of dynamic memory cells on natural background radiation and the influence of noise on reliability of Hamming code information. The proposed model is used to study the work of controlling the test work RAM, as well as the impact of elevated radiation levels, especially in outer space on dynamic reliability of memory chips.
Key words: reliability, modeling, dynamicmemory cell, Matlab / Simulink, error - correctional coding, radiation background.
УДК 621.396
Хомутов, К. И.
Моделирование надежности хранения данных в динамических микросхемах памяти в среде МаШЬ/81шиНпк / К. И. Хомутов, А. А. Шегал, А. А. Иофин, В. Э. Иванов // Надежность и качество сложных систем. - 2017. - № 3 (19). - С. 73-79. БО! 10.21685/2307-4205-2017-3-11.
