CC BY
8УДК 621.382
Выявление многократных сбоев в микросхемах СОЗУ от воздействия отдельных заряженных частиц космического пространства
А.Б. Боруздина, А.И. Чумаков, А.В. Уланова, А.Ю. Никифоров ОАО «ЭНПО «Специализированные электронные системы» (г. Москва)
А.Г. Петров
Институт экстремальной прикладной электроники НИЯУ МИФИ
Рассмотрены условия формирования и методы выявления многократных сбоев в схемах статических оперативных запоминающих устройств от воздействия отдельных заряженных частиц космического пространства. Сформулированы задачи, решение которых необходимо для разработки бессбойной высоконадежной космической аппаратуры.
Ключевые слова: многократные сбои, многократные физические сбои, многократные логические сбои, статические оперативные запоминающие устройства, отдельные заряженные частицы.
Уменьшение проектных норм микросхем СОЗУ приводит к уменьшению внутренней эффективной емкости и напряжения питания ячейки памяти, размещению соседних элементов на расстояниях порядка единиц и долей микрометров [1, 2]. Вследствие этого уменьшаются как критический заряд, достаточный для сбоя бита памяти с соответствующими ему значениями пороговых линейных потерь энергии, так и возможность собирания заряда с трека отдельной ядерной частицы (ОЯЧ) несколькими соседними элементами.
Типовыми эффектами, проявляющимися при оценке радиационной стойкости СОЗУ к отдельным заряженным частицам (ОЗЧ) космического пространства, являются сбои информации и тиристорный эффект [1]. Сбои информации в СОЗУ, вызванные ОЯЧ, подразделяются на одиночные (однократные) и множественные (многократные).
Многократные сбои (МС) возникают в нескольких (двух и более) битах памяти от воздействия одной заряженной частицы, которые можно разделить на многократные физические сбои - сбои в физически соседних ячейках (multiple cell upset) и многократные логические сбои - сбои в одном логическом слове (single word multiple bit upset) [3]. По мере увеличения степени интеграции ИС число МС, возникающих в микросхемах от воздействия ОЗЧ, возрастает и становится больше, чем число одиночных сбоев (ОС) [4, 5]. Но методы, применение которых эффективно с точки зрения затраты ресурсов системы для коррекции ОС, не всегда эффективны в отношении МС [6, 7, 8]. Так, коды Хемминга и Хсяо, корректирующие одну и детектирующие двукратную ошибку (SEC-DED, single error correction - double error detection), могут быть неэффективны, если МС произошел в одном логическом слове.
Для коррекции МС требуется применение более сложных алгоритмов, например кода Рида - Соломона, использование которых требует схемотехнических и программ-
© А.Б. Боруздина, А.И. Чумаков, А.В. Уланова, А.Ю. Никифоров, А.Г. Петров, 2012
ных решений, отличных от решений, применяемых для реализации коррекции информации БЕС-ОЕС-кодами. Поэтому уже на этапе разработки микросхем СОЗУ и при дальнейшем применении их в аппаратуре необходимо иметь представление о вероятности возникновения МС в используемом технологическом базисе и о том, каковы доля МС от общего числа сбоев и частота их возникновения для заданных условий эксплуатации.
В практике проведения радиационных испытаний ИС СОЗУ часто оценивается только сечение одиночных сбоев на микросхему, т.е. считают только общее количество сбившихся ячеек, не выделяя среди них ячейки, входящие в МС. Учет МС позволит разделять сечения ОС и МС, а также проводить оценку сечения событий (под событием понимается прохождение трека частицы через микросхему, вызвавшее возникновение эффекта сбоя).
Исследованию МС посвящено достаточное количество работ [2-5, 9-11]. Однако изложенные методики выявления МС зачастую либо требуют апробации [9], либо налагают ограничения на условия проведения эксперимента (интенсивность потока, частота считывания информации и т.п.) [2, 10, 11].
В настоящей работе представлены краткий обзор существующих подходов и нерешенных задач выявления МС в СОЗУ от воздействия отдельных заряженных частиц и оценка возможности практического применения существующих методик идентификации ОС и МС, описанных в зарубежной литературе [2, 9, 10, 11].
Анализ причин и условий возникновения многократных сбоев. Вероятность возникновения МС в соседних ячейках от ОЯЧ и их кратность зависят от технологии производства и от линейных потерь энергии частиц [12]. Согласно [5] для СОЗУ с топологическими нормами 180 нм зависимость доли МС от увеличения кратности сбоя (числа бит, входящих в один сбой) убывает экспоненциально, а доля 2-битовых МС от общего числа сбоев не превышает 20% даже при энергии нейтронов порядка 170 МэВ (рис.1,а). Для топологических норм 130 нм число МС превышает число ОС при энергии нейтронов порядка 90 МэВ, (рис.1,б). Принято считать, что в этой области наступает насыщение зависимости сечений ОС от энергии нейтронов (протонов) [1]. Увеличение вклада МС приводит к отсутствию насыщения в этой области энергий, что делает необходимым проведение испытаний СОЗУ в области больших энергий частиц.
Рис.1. Зависимость доли МС от кратности сбоя при разной энергии нейтронов для микросхем СОЗУ с минимальными размерами элементов 180 нм (а) и 130 нм (б)
Основной механизм, приводящий к возникновению многократных физических сбоев, обусловлен собиранием заряда с трека заряженной части, которая проходит в непосредственной близости от нескольких чувствительных областей разных ячеек памяти [3, 12]. Этот механизм очень чувствителен к углу падения частицы: с ростом угла падения увеличивается не только доля МС, но и их кратность (рис.2).
Для оценки критического заряда, приводящего к сбою в ячейке памяти, чаще всего применяется модель двойного экспоненциального импульса [13]. Учет полученной формы импульса на этапах схемотехнического моделирования в симуляторах SPICE позволяет оценить вероятность возникновения сбоев в элементе схемы. Для прогнозирования возникновения МС необходимо применять подобное моделирование с получением количественных оценок критического заряда и параметров двухэкспоненциального импульса тока в соседних чувствительных областях.
Эффективным способом защиты микросхем от многократных логических сбоев является пространственное разнесение ячеек памяти, относящихся к одному логическому слову. Однако многократные логические сбои могут происходить при прохождении трека частицы через управляющую схему во время ее работы или возникновения ОС в управляющих регистрах [12]. Например, попадание частицы в дешифратор во время выполнения цикла записи или считывания информации может привести к сбою группы слов в накопителе (строки/столбца). Такое поведение наблюдалось для ИС типа
о
A82DL1632UG-70UF при значениях линейных потерь энергии 15, 69 и 80 МэВ-см /мг при облучении частицами Ar, Kr и Xe в процессе проведения испытаний на ускорителе ионов «У-400М» в ОИЯИ (г. Дубна). Методика выявления многократных сбоев от попадания частицы в периферийные узлы ИС в литературе рассмотрена неполно.
Методики выявления многократных сбоев. Решение задачи разделения ОС и МС сводится к выявлению числа сбившихся ячеек памяти (бит) за каждое событие. Анализ карты сбоев, полученной в результате проведения эксперимента на воздействие ОЗЧ, не позволяет определить кратность событий, так как невозможно установить число частиц, попавших в накопитель, и место их падения. Поэтому если на финальной карте наблюдаются, например, четыре соседние сбившиеся ячейки, это могут быть как четыре ОС, так и МС с четырьмя сбившимися битами (или любая другая комбинация).
Широко распространенный подход к оценке вклада МС в общее число событий описан в работах [2, 10, 11]. При проведении эксперимента в режиме реального времени проводится анализ физической карты памяти и в случае выявления сбоев информация в микросхеме корректируется (перезаписывается) и эксперимент продолжается. При этом частота считывания должна быть настолько высока, чтобы только одно событие происходило между двумя считываниями. Такое ограничение гарантирует, что при наблюдении n сбоев в соседних ячейках на карте памяти можно утверждать, что произошел n-кратный МС. Однако применение данного подхода имеет ограничения, связанные с большой трудоемкостью.
Рис.2. Влияние угла падения ОЗЧ на число сбившихся бит, входящих в один МС, в микросхемах СОЗУ с минимальным размером элементов 45 нм
При оценке вклада МС в [2, 10, 11] проводится анализ карты сбоев, сформированной на основе заранее известного алгоритма топологического распределения ячеек по накопителю. Однако для микросхем, применяемых в аппаратуре, не всегда заведомо известно физическое распределение ячеек. Для решения этой проблемы требуется применение специальной методики, позволяющей связать логическую и физическую адресации микросхемы.
В работе [14] упоминается методика, основанная на анализе карты сбоев от лазерных источников, но не приводятся конкретные алгоритмы, параметры полей излучений лазерных источников, физические и технические ограничения на области применения данной методики.
Проведенный анализ условий возникновения многократных сбоев в ИС СОЗУ от воздействия ОЯЧ подтверждает необходимость учета данного эффекта при проектировании космической аппаратуры. Однако для эффективного выявления МС необходимо усовершенствовать известные методические и аппаратно-программные средства проведения эксперимента в следующих направлениях:
- обеспечение возможности получения количественных оценок критического заряда, формы и/или амплитуды импульса тока, приводящих к возникновению многократных сбоев от ОЗЧ, для последующего учета в программах SPICE-моделирования;
- доработка методики выявления МС на основе существующих лазерных имитационных методов с обязательным определением физической адресации СОЗУ и выявлением логических МС от попадания ОЗЧ в периферийные узлы схемы;
- обеспечение увеличения частоты тестирования испытываемых микросхем при проведении испытаний на ускорителях тяжелых заряженных частиц (протонов) и на лазерных имитаторах, формирования карты сбоев и проведения оперативного анализа полученных данных непосредственно в ходе экспериментальных исследований эффективности методов выявления МС по [9].
Литература
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 2004. - 319 с.
2. Bajura M.A, Boulghassoul Y., Naseer R. Models and Algorithmic Limits for an ECC-Based Approach to Hardening Sub-100-nm SRAMs // IEEE Trans. Nucl. Sci. - 2007. - Vol. 54. - № 4. - Р. 935-945.
3. ECSS-E-HB-10-12A, 17. - December 2010.
4. Monte Carlo prediction of heavy ion induced MBU sensitivity for SOI SRAMs using radial ionization profile / M. Raine, G. Hubert, M. Gaillardin et al. // IEEE Trans. Nucl. Sci. - 2011. - Vol. 58. - № 6. -Р. 2607-2613.
5. Yahagi Y., Yamaguchi H., Ibe E., Kameyama H. A novel feature of neutron-induced multi-cell upsets in 130 and 180 nm SRAMs// IEEE Trans. Nucl. Sci. - 2007. - Vol. 54. - № 4. - Р. 1030-1036.
6. Краснюк А.А., Петров К.А. Особенности помехоустойчивого кодирования в радиационно-стойких ОЗУ // Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010: сб. науч. тр. - М.: НИЯУ МИФИ, 2010. - Т. 1. -С. 184-188.
7. Петров К.А. Методика оценки характеристик схем для исправления кратных ошибок в ОЗУ // Молодежь и Наука: сб. науч. тр. - М.: НИЯУ МИФИ, 2011. - Ч. 1. - С. 51, 52.
8. Tausch H.J. Simplified birthday statistics and hamming EDAC // IEEE Trans. Nucl. Sci. - 2009. -Vol. 56. - № 2. - C. 474-478.
9. Reviriego P., Maestro J.A. A technique to calculate the MBU distribution of a memory under radiation suffering the event accumulation problem // RADECS. - 2008. - Workshop - Р. 393-396.
10. Chugg A.M., Moutrie M.J., Burnell A.J., Jones R. Statistical technique to measure the proportion of MBU's in SEE Testing // IEEE Trans. Nucl. Sci. - 2006. - Vol. 53. - № 6. - P. 3139-3144.
11. Neutron induced single-word multiple-bit upset in SRAM / K. Johansson, M. Ohlssonl, N. Olsson et al. // IEEE Trans. on Nuclear Science. - 1999. - Vol. 46. - Issue 6. - P. 1427-1433.
12. Investigation of single- ion multiple-bit upsets in memories on board a space experiment / S. Buchnerli, A. Campbell, T. Meehan et al. // RADECS - 1999. - Workshop. - P. 218-254.
13. Naseer R. Critical charge characterization for soft error rate modeling in 90 nm SRAM. Circuits and Systems // ISCAS. - 2007. - P. 1879-1882.
14. Falguere D., Petit S. Statistical method to extract mbu without scrambling information // IEEE Trans. Nucl. Sci. - P. 920-923. - Vol. 54. - № 4. - 2007.
Статья поступила 26 апреля 2012 г.
Боруздина Анна Борисовна - инженер ОАО «ЭНПО СПЭЛС» (г. Москва). Область научных интересов: методы и средства исследования стойкости микросхем памяти (ОЗУ, ПЗУ, флэш и т.д.) к воздействию радиационных факторов космического пространства и к дозовому воздействию.
Чумаков Александр Иннокентьевич - доктор технических наук, профессор, технический директор ОАО «ЭНПО СПЭЛС» (г. Москва). Область научных интересов: разработка методов моделирования доминирующих радиационных эффектов в изделиях электронной техники, методическое обеспечение испытаний и исследований их стойкости к воздействию радиационных факторов.
Уланова Анастасия Владиславовна - кандидат технических наук, доцент ОАО «ЭНПО СПЭЛС» (г. Москва). Область научных интересов: исследования стойкости микросхем памяти к воздействию радиационных факторов, разработка методов и средств проведения испытаний, методическое обеспечение проведения испытаний микросхем памяти к воздействию радиационных факторов. E-mail: avulan@spels.ru
Никифоров Александр Юрьевич - профессор, генеральный директор ОАО «ЭНПО СПЭЛС» (г. Москва). Область научных интересов: исследования радиационной стойкости и разработка радиационно стойких интегральных преобразователей информации, изделий наноэлектроники и микромеханики, методическое обеспечение проведения испытаний изделий электронной техники на воздействие радиационных факторов.
Петров Андрей Григорьевич - научный сотрудник НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: методы и средства исследования стойкости микросхем памяти (СОЗУ, ДОЗУ, флеш) к воздействию радиационных факторов космического пространства и к дозовому воздействию.
