Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления Соискатель: Боруздина Анна Борисовна Научный руководитель: Уланова Анастасия Владиславовна к.т.н, доцент каф.3 НИЯУ МИФИ Актуальность Многократными сбоями (МС) называются сбои, возникшие в нескольких ячейках памяти (2-х и более) от воздействия одной ядерной частицы (ОЯЧ). Виды МС Методы коррекции Физические МС Логические МС Не требуют специальной Требуют применения корректирующих кодов, коррекции: достаточно позволяющих исправлять блоки сбившихся применения SED-DED кодов ячеек памяти Одна частица сбивает один бит Одна частица сбивает несколько бит. Кратность МС – сколько бит сбилось от одной частицы 1. Уменьшение проектных норм приводит к росту чувствительности к эффекту МС: необходимость учета эффекта при испытаниях; 2. Отсутствие методик регистрации эффекта при проведении экспериментальных исследований; 3. Повышение надежности разрабатываемых систем коррекции ошибок для КА путем подтверждения стойкости к эффекту логических МС 2 Актуальность Условие для регистрации МС: только один сбой (ОС или МС) может происходить между двумя соседними циклами считывания • Необходимость уменьшения плотности потока частиц до единиц частиц/с – не выполнимое требование для основных испытательных стендов в России; • Увеличение времени проведения эксперимента. Задачи, которые должны решать методики: 1. Оценка чувствительности к МС для разработки аппаратуры; 2. Оценка чувствительности к МС для проектирования изделий. Функции методик: 1. Предварительная оценка чувствительности к МС (на этапе проектирования микросхемы); 2. Экспериментальное определение чувствительности к логическим и физическим МС. 3 Состояние исследования по проблеме Проблематика Зарубежные авторы Российские авторы Определение понятия и параметров чувствительной области к эффекту МС, экспериментальные исследования S. Buchner, M. Raine, А.И. Чумаков G. Hubert, P. Roche, (НИЯУ МИФИ), D. Giot, G. Gasiot и пр. Г.И. Зебрев (НИЯУ МИФИ) Развитие методических средств регистрации МС D. Falguère, S. Petit, A. Chugg, P. Reviriego, J.A. Maestro В.В. Емельянов (ФГУП НИИП) Проведение эксперимента согласно зарубежным методикам осложняется рядом причин: • требуется проведение эксперимента с низкой частотой возникновения сбоев; • применимы только для случая кратности сбоев менее 2; • недостаточно подробно описаны в литературных источниках. 4 Цель диссертации Целью диссертации являлась разработка научно обоснованных методических и технических средств выявления эффектов многократных сбоев в микросхемах статических оперативных запоминающих устройств при воздействии отдельных ядерных частиц (тяжелых заряженных частиц и протонов). Указанная цель достигалась решением следующих задач: • Разработка инженерной модели возникновения МС в физически соседних ячейках СОЗУ; • Разработка, верификация и внедрение в практику методик оценки сбоеустойчивости СОЗУ с учетом МС; • Разработка аппаратно-программных средств исследований и испытаний СОЗУ на стойкость к эффектам МС при воздействии ОЯЧ с учетом критичных режимов • Апробация разработанных методических средств приведении экспериментальных исследований СОЗУ. при 5 Результаты, выносимые на защиту: 1. Инженерная модель возникновения МС в физически соседних ячейках памяти. 2. Методика экспериментальных исследований МС в физически соседних ячейках микросхем СОЗУ, позволяющая сокращать время проведения эксперимента. 3. Методики экспериментальных исследований МС в микросхем СОЗУ, относящихся к одному логическому блоку. ячейках 4. Базовый алгоритм проведения экспериментальных исследований чувствительности микросхем СОЗУ к эффекту МС при воздействии ОЯЧ. 5. Аппаратно-программный комплекс, отличающийся возможностью количественного учета эффекта МС с определением кратности сбоя в режиме реального времени с учетом критичных условий и режимов работы микросхем статических ОЗУ при проведении экспериментальных исследований. 6 Инженерная модель физических многократных сбоев в СОЗУ Цель: проведение предварительной оценки пороговых ЛПЭ к эффекту МС, основываясь на данных о технологии изготовления и топологических нормах Инструменты для разработки инженерной модели: 1. Оценка пороговых ЛПЭ для элементов, изготовленных по различным проектным нормам U пом qLz 0 pLef C 2. Определение пороговых ЛПЭ для возникновения эффекта сбоя при нахождении трека ТЗЧ на некотором удалении от чувствительной области (ЧО) элемента основываясь на оценке диффузионной компоненты ионизационного тока Apn ro21 1 Rо2 qDd G 1 exp I df _ p (t ) exp 2 2 Da t (ro 2 ro1 ) 4 Da t 1 t / t 2 4 Da t где Apn – площадь чувствительной области (p-n перехода), ro1 и ro2 – расстояние от места прохождения трека от ближайшей и дальней стороны чувствительной области,G - линейная генерация носителей заряда (G=Lz./i), – время жизни в подложке, Dd - коэффициент диффузии для неосновных носителей заряда, Da - коэффициент амбиполярной диффузии, t2=.(ro22/ro12-1)∙ro12/(4.Da) время, за которое формируется реакция в элементе, находящемся на расстоянии ro2 7 Инженерная модель физических многократных сбоев в СОЗУ Инженерная модель позволяет предварительно оценить порог чувствительности к эффектам МС на этапе выбора элементной базы для проектирования аппаратуры, а также выбрать оптимальный шаг разнесения ячеек памяти при проектировании микросхем Зависимость порога кратности сбоев различной кратности от проектных норм. Черные маркеры – расчетные данные, Белые маркеры - экспериментальные данные a C a B A r02 r01 Модельная топология расположения чувствительных областей для оценок кратности ОРЭ, a=1 мкм; Точка А – максимальная чувствительность к ОС; Точка В – максимальная чувствительность к 2-кратным МС; Точка С – максимальная чувствительность к 4-кратным МС. Пороговые ЛПЭ, МэВсм2/мг 160 порог ОС порог ОС порог 2-кратных МС порог 2-кратных МС порог 4-кратных МС порог 4-кратных МС 140 120 100 80 60 40 20 0 65 180 250 350 800 Проектные нормы, нм 8 Методика экспериментальных исследований Цикл облучения с физических МС в СОЗУ регистрацией сбоев и e (M N ) одновременным Методика допускает k 1 построением карты накапливать x памяти Определение максимальной кратности сбоев и их формы Расчет числа ячеек, в которых может возникнуть «ложный» сбой события между соседними циклами считывания, уменьшая время проведения эксперимента без снижения точности результата. где k – число допустимого числа сбившихся ячеек за цикл считывания, М – число бит в слове, N – число адресов, e– допустимая доля ложных МС, x – переменная, определяемая максимальной кратностью сбоев. Столбцы С С С С Расчет числа сбоев между циклами считывания k Допустимая доля ложных МС, e С С С С С С С С Строки С С С С С С Облучение: подбор плотности потока, при которой число сбоев = k С Облучение: Набор статистики по сбоям В основе методики лежит оценка вероятности формирования n-кратного «ложного» МС от числа произошедших событий и емкости микросхемы С С С С С С С * Boruzdina A.B., Ulanova A.V., Petrov A.G., Telets V.A., P. Reviriego and J.A. Maestro. Verification of SRAM MСUs calculation technique for experiment time optimization// RADECS 2013. 9 Методика экспериментальных исследований физических МС в СОЗУ Анализ данных Выбор блока малой емкости Облучение: подбор плотности потока, при которой число событий = k Облучение: Набор статистики по сбоям до выбранного значения N да нет Набранная статистика достаточна? Считывание всего накопителя Тестирование части накопителя позволяет оптимизировать время проведения эксперимента за счет уменьшения временного промежутка : • между обращениями по одному и тому же адресу; • затрачиваемого на анализ данных между циклами считывания. 1000 Без применения методики С применением методики Время тестирования, мин Запись информации в накопитель 100 в 20 раз 10 в 4 раза 1 128K 256K 512К 1M 2M 4M Емкость накопителя, бит 10 Методики экспериментальных исследований логических МС в СОЗУ Возможные причины возникновения логических МС при проведении экспериментальных исследований: 1. Сбои в периферийных узлах СОЗУ 2. Физические МС, приводящие к логическим МС минимальное сечение (динамический режим, ПИКО-3) максимальное сечение (динамический режим, ПИКО-3) минимальное сечение (режим хранения, ПИКО-3) максимальное сечение (режим хранения, ПИКО-3) У-400М 2 10 ЛПЭ, МэВсм /мг 100 1e-5 2 Сечение сбоев, см /бит 1e-4 1e-6 1e-7 1e-8 0,01 0,1 1 Сбои в периферийных узлах СОЗУ 1. Испытания в динамическом режиме при воздействии ОЯЧ 2. Испытания в статическом режиме при воздействии ОЯЧ 3. Сравнение сечений эффектов (1) и (2). В случае отличия, проводятся исследование чувствительности периферийных узлов с использованием источника лазерного излучения 10 Энергия, нДж Результаты испытаний СОЗУ 2Мит: локализованы области, чувствительные к логическим МС 11 Методики экспериментальных исследований логических МС в СОЗУ Испытания с использованием источника лазерного излучения: 1. Воздействие в область накопителя с фиксированным диаметром пятна, увеличивая энергию до момента регистрации логического МС 2. Оценка эквивалентных ЛПЭ, при которых возникает логический МС Проведение экспериментальных исследований с использованием источника сфокусированного лазерного излучения: определение порога чувствительности к многократным сбоям Расчет частоты с учетом вероятности воздействия частиц с ЛПЭ≥Li.th.МС для заданных условий эксплуатации нет Порог чувствительности Li.th.МС ≥100 МэВ/см2∙мг да Расчетный метод корректен. Оценка частоты событий 10 минимальная кратность физических МС максимальная кратность физических МС логические МС 8 Число сбившихся бит Физические МС, приводящие к логическим МС 6 4 2 0 1 10 100 2 ЛПЭ, МэВсм /мг Результаты испытаний СОЗУ 16М: Подтверждена стойкость к логическим МС при ЛПЭ≈90 МэВ∙см2/мг Методики могут использоваться как элементы алгоритма определения параметров сбоеустойчивости СОЗУ со встроенными схемами коррекции информации 12 Базовый алгоритм экспериментальных исследований чувствительности к эффекту МС Условия, влияющие на кратность сбоев при проведении экспериментальных исследований: Линейные потери энергии (ЛПЭ) частиц Угол воздействия тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) Направление воздействия ТЗЧ под углом Записанная информация Температура объекта 13 Элементы базового алгоритма: Линейные потери энергии частиц 800 нм 180 нм 65 нм Тенденция роста кратности сбоев с ростом ЛПЭ сохраняется в не зависимости от проектных норм и выбранных топологических решений 14 Сечение сбившихся бит, см2/бит Элементы базового алгоритма : Угол воздействия ТЗЧ 18 МэВ*см2/мг 1,E-07 1,E-08 Аппроксимация ОС ОС под углом 1,E-09 1,E-10 65 нм0 20 40 60 ЛПЭ, Мэв*см2/мг 80 100 60 МэВ*см2/мг 35 МэВ*см2/мг 65 МэВ*см2/мг При воздействии под углом, отличным от нормального, наблюдается рост сечений сбоев большей кратности 15 Элементы базового алгоритма : Направление воздействия ТЗЧ под углом СОЗУ 0,18мкм КМОП (ОАО «НИИМЭ и Микрон») вдоль столбцов вдоль строк Под углами, вдоль столбцов Сечение ОС на бит, см2 9E-08 8E-08 Нормальное падение ТЗЧ 7E-08 Под углами, вдоль строк «вдоль столбцов» 6E-08 5E-08 «вдоль строк» Сечения при воздействии «вдоль столбцов» выше, чем «вдоль строк» 4E-08 3E-08 2E-08 1E-08 2E-09 0 20 40 ЛПЭ, 60 МэВ×см2/мг 80 100 Необходимо выбирать критичное направление 16 Элементы базового алгоритма : Записанная информация «столбцовый» Доля ОС и МС при воздействии ионов Ne в СОЗУ 65 нм (НИИСИ РАН) Необходимо анализировать топологию для выбора наиболее критичного режима при эксперименте «шахматный» (Поле 0/1) 17 Элементы базового алгоритма : Температура объекта Доля ОС и МС при различной температуре среды при воздействии ионов Xe с ЛПЭ=60 МэВ∙см2/мг МС(10) МС(11) МС(12) Форма сбоев максимальной кратности в СОЗУ 65 нм, 6Т Наблюдался рост максимальной кратности МС в СОЗУ 6Т при воздействии ионов Xe с 8 до 12 при повышении температуры с +25ºС до +125ºС 18 Элементы базового алгоритма : Температура объекта На изменение чувствительности к МС при росте температуры влияет: Рост тока инжекции при биполярном усилении; Снижение порога переключения ячейки памяти. Моделируемая структура СОЗУ 65 нм в TCAD Sentaurus Зависимость тока стока p-канального МОПТ от локального потенциала подложки при напряжении на истоке 1 В, на стоке – 0В При повышенной температуре максимальная кратность сбоев в СОЗУ выше Токи стока закрытых pканальных транзисторов 19 Элементы базового алгоритма : воздействие высокоэнергетичных протонов (ВЭП) КМОП СОЗУ 65 нм Оценку чувствительности к ВЭП по эффектам МС необходимо проводить путем испытаний 20 Базовый алгоритм экспериментальных исследований чувствительности к эффекту МС Апробирован при исследованиях 6 типов СОЗУ Учет эффекта физических МС позволяет: (1) выбрать оптимальный шаг разнесения ячеек памяти на этапе проектирования топологии (2) провести коррекцию применяемых схемотехнических мер для повышения сбоеустойчивости при проектировании микросхемы. Эффективные топологические меры снижения чувствительности к МС: приводящие к увеличению площади ячейки и расстоянию между ЧО соседних ячеек 21 Аппаратно-программный комплекс для проведения экспериментальных исследований Аппаратная часть Программная часть •частота тестирования от 10 до 100 МГц; •число линий цифрового ввода-вывода не менее 50 (PXI-7951R); •диапазон напряжений от 1,5 до 5,5 В (PXI-4110). •Реализация критического режима: нагрева и поворота на угол при воздействии ТЗЧ; •проведение количественного учет а эффекта МС с определением кратности сбоя в режиме реального времени. 1 Аппаратная часть 1 – вакуумная камера; 2 – плата с объектом испытаний; 3 – блок задания температуры; 4 – блок управления углом падения ионов; 5 – измерительный блок; 6 – вычислительный блок Индикаторы ОС и МС 2 3 Индикатор формы сбоев Программа построения карты сбоев Возможности: регистрация в ходе эксперимента физических и логических МС, вызванных сбоями в периферии. 22 Научная новизна 1. Выявлены, изучены и систематизированы условия при проведении экспериментальных исследований, влияющие на кратность сбоев в микросхемах СОЗУ при воздействии отдельных ядерных частиц. 2. Предложена оригинальная методика экспериментальных исследований МС в физически соседних ячейках микросхем СОЗУ, позволяющая обосновано сократить время проведения эксперимента на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц. 3. Предложена инженерная модель МС, позволяющая проводить оценку пороговых ЛПЭ для микросхем СОЗУ к эффекту МС, основываясь на данных о технологии изготовления и проектных нормах. 23 Практические результаты 1. Разработаны методики экспериментальных исследований МС в ячейках микросхем СОЗУ, относящихся к одному логическому блоку, позволяющие дать заключение о возможности повышения сбоеустойчивости с помощью применения схем коррекции информации. 2. Предложен и реализован базовый алгоритм выбора критичных режимов при проведении экспериментальных исследований микросхем СОЗУ для определения чувствительности к МС при воздействии ОЯЧ 3. Разработан аппаратно-программный комплекс на базе аппаратуры National Instruments и программного обеспечения LabView, позволяющий регистрировать эффекты МС непосредственно в процессе радиационного эксперимента с отображением карты сбоев и учетом критического режима работы. 4. Получены оригинальные результаты экспериментальных исследований 6 типов как отечественных, так и иностранных микросхем СОЗУ. Результаты вошли в отчетные материалы по различным НИОКР («2011-16-426-ЭКБ-60-011-01», «Остров», «Засечка-8», «Основа-Память-1» и др.), выполненных по заказам Минпромторга, Минобороны РФ, предприятий промышленного и космического комплекса. 5. Результаты диссертации внедрены в АО «ЭНПО СПЭЛС» в качестве базовой процедуры радиационных испытаний микросхем памяти на стойкость к эффектам МС при воздействии ОЯЧ, а также в ОАО «НИИМЭ и Микрон», НИИСИ РАН и ФГУП «ФНПЦ НИИИС» им. Ю.Е. Седакова при проведении экспериментальных исследований микросхем СОЗУ к эффектам МС. 24 Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались научных конференциях: • «Радиационная стойкость электронных систем» (2011-2014 гг.); • Школах-семинарах «Радиационные испытания» (г. Дубна, 2012, 2013 гг.); • Научных сессиях НИЯУ МИФИ (Москва, 2012-2015 гг.); • МЭС-2014 (Зеленоград, 2014 г.); • «Проблемы создания радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» (Нижний Новгород, 2014-2015 г.); • RADECS (2012 г., 2013 г.); • RAD 2014 (Ниш, Сербия, 2014 г) Основные результаты диссертации опубликованы в 26 работах (в период с 2011 по 2014 гг.), в том числе в 6 работах из перечня ВАК, в 3 работах в базе данных Scopus. Получено свидетельство на программу для ЭВМ «SEUSIM» (свидетельство о государственной регистрации № 2014662253) Цель достигнута: Разработаны научно обоснованные методические и технические средства выявления эффектов многократных сбоев в микросхемах статических оперативных запоминающих устройств при воздействии отдельных ядерных частиц (тяжелых заряженных частиц и протонов). 25
