Методы защиты микросхем от воздействия тяжелых заряженных частиц

Такой подход сейчас осуществляется в Воронежской государственной лесотехнической академии на кафедре вычислительной техники и информационных систем. Организован филиал кафедры в НИИ Электронной техники, который организовал учебно-научную лабораторию и закупил лицензионное программное обеспечение фирмы Cadence Design System для обучения.

Список литературы:

1. Анциферова В.И. Концепция подготовки специалистов в области радиоэлектроники в современных условиях [Текст] / В.И. Анциферова // Межвузовский сборник научных трудов «Моделирование систем и информационные технологии». - Воронеж: Издательство «Научная книга», 2010. -Вып. 6. - С. 116-119.

2. Анциферова В. И. Формы реализации инновационной образовательной программы в вглта, как в университетском образовательном комплексе / В.И. Анциферова [Текст] // Моделирование систем и процессов. - 2012. -№ 1. - С. 10-14.

3. Анциферова В.И. Методология разработки учебных планов программ дополнительного образования, связанных с информационными технологиями [Текст] / В.И. Анциферова // Моделирование систем и процессов. - 2011. -№ 1-2. - С. 14-19.

4. Анциферова В.И. Математическое моделирование поиска документов [Текст] / В.И. Анциферова // Системы управления и информационные технологии. - 2009. - N 1.2 (35). - С. 212-215.

5. Анциферова В.И. Моделирование поиска документов [Текст] / В.И. Анциферова // Информационные технологии моделирования и управления. -2009. - № 3 (55). - С. 353-358.

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ МИКРОСХЕМ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

© Зольников В.К.*

Воронежская государственная лесотехническая академия, г. Воронеж

Рассмотрены методы обеспечения стойкости микросхем к воздействию тяжелых заряженных частиц за счет избытка аппаратных, информационных и программных ресурсов.

Ключевые слова САПР, радиация, микросхемы, тяжелые заряженные частицы.

* Заведующий кафедрой Вычислительной техники и информационных систем, доктор технических наук, профессор.

Известно, что первым этапом для применения методов зашиты от сбоев при проектирования сложных СБИС является выделение определенных функциональных блоков. Затем необходимо оценить имеющихся средств защиты с точки зрения не превышения ограничений [1-3].

Одной из первых областей, на которой следует сосредоточиться внимание, прежде всего, является ячейки ОЗУ Они наиболее критичны к одиночным сбоям, из-за относительно большой пощади и «тяжести отказа» - потери информации. Вначале проводится оценка площади ОЗУ без средств защиты ячеек, затем со «специальными» ячейками - т.е. с применением схемотехнических методов и, наконец, оценивается возрастание площади при резервирования ячеек, которые в общем случае могут быть как обычные, так и «специальные». После этого следует принять решение каким методом следует воспользоваться.

Для организации ОЗУ СБИС 1830ВЕ32У применялись стандартные, незащищенные блоки памяти. Схема состоит из трех блоков ОЗУ и блока определения ошибки.

При чтении данных микрокомандой ядра микроконтроллера происходит одновременное считывание информации сразу трех блоков. Комбинационные элементы, содержащиеся в схеме выбора, определяют значение, передаваемое на свой выход, по двум совпадениям. Недостатком данной организации является то, что в случае сбоя ячейки памяти в любом из блоков ОЗУ и обнаружения соответствующей ошибки, не происходит коррекции испорченных данных. Если ячейка памяти (в случае соответствующей организации программы) долгое время не переписывается, то возможен сбой уже в двух блоках, что приведет к тому, что схема выбора выдаст на выход неправильное значение. Данный механизм защиты применялся в радиационно-стойком МК производства ФГУП «НИИЭТ» 1830ВЕ32У Модификация данного метода может производиться путем добавления блока мониторинга [4]. Этот блок в моменты времени, когда нет обращения к ОЗУ микрокомандами, производит последовательное чтение и перезапись данных памяти. В случае, когда возникает сбой в одном из блоков ОЗУ, производится перезапись всех блоков ОЗУ правильным значением. С такой организацией защиты, ситуация, когда данные долгое время не модифицировались, невозможна. Блок коммутации предназначен для переключения между входными данными, поступающими в ОЗУ от микропроцессорного ядра, и поступающими от блока мониторинга. Таким образом, организована защита от одиночных сбоев ОЗУ ИМС К1830ВЕ32УМ.

Блок мониторинга состоит из управляющего регистра, предназначенного для переключения между режимами работы, регистра, в котором хранится значение ячейки ОЗУ, счетчика адреса ячейки, содержащего информацию об адресе ячейки, требующей чтения, блока определения простоя шины данных, генератора внутренних сигналов управления СФ-блоками ОЗУ Счетчик адреса в случае простоя шины данных перебирает всю область адресов

ОЗУ. Значения, читаемые из 3-х блоков ОЗУ, сравниваются между собой, и схема выбора принимает решение по двум совпадениям. Правильное значение сохраняется в регистре. В случае если значение одного из трех блоков, отличается от двух других, происходит перезапись всех трех блоков сохраненным в регистре значением.

Следующей рассматриваемой областью может быть ПЗУ. Так как в современных схемах объем ПЗУ играет определяющую роль в формировании потребительских свойствах СБИС, методы тройного резервирования (TMR) для защиты от сбоев в них использовать нецелесообразно. Самым оптимальным видится использование корректирующих кодов Хэмминга. При организации ПЗУ схемы 1830ВЕ32У блоками по 1024 слов по 16 бит (1024x16), для каждого блока необходимо ввести дополнительные 1024 слов по 8 бит (1024x8), для того, чтобы осуществлялось исправление одной и фиксации двух ошибок в слове данных. В области ПЗУ могут храниться неоперативные данные (поправочные коэффициенты, состояния устройств и т.д.) и пользовательские программы. Сбой программы может привести к неконтролируемым последствиям, что в системах реального времени нежелательно (требуется время, чтобы неправильно функционирующую программу сбросил сторожевой таймер). В ИМС К1830ВЕ32УМ использовались СФ-блоки памяти EEPROM со встроенной защитой данных кодом Хэмминга [5].

При использовании методов тройного резервирования ОЗУ в схемах разработки ФГУП «НИИЭТ», в СБИС 1830ВЕ32У рост площади кристалла составил 14 %, а в СБИС К1830ВЕ32УМ - 2 %.

Общая занимаемая площадь ПЗУ на кристалле составляет 42 %, из них на долю проверочной информации приходится 13 % от общей площади занимаемой всеми элементами.

Затем необходимо рассмотреть регистры, которые представляют собой совокупность триггеров, объединенных общей функциональностью. Для защиты от сбоев некоторые разработчики используют помехоустойчивое кодирование (бит четности или код Хэмминга) [6]. Недостатком является необходимость прописывать данную защиту в HDL-коде и недостаточный охват такой защиты всех триггерных элементов. Это означает, что все равно возможны сбои в отдельных, не сгруппированных в регистры триггеров. Выходом является использование специальных библиотечных триггерных элементов с защитой от одиночных сбоев. В случае если специальных триггер-ных элементов с защитой от сбоя в библиотеке нет, возможно создание управляющей программы (скрипта), который будет автоматически заменять библиотечные триггера на систему триггеров, защищенных от одиночных сбоев. Такая методика применялась во ФГУП НИИЭТ при разработке СБИС К1830ВЕ32УМ [5]. Скрипт запускался после загрузки gate-нетлиста в программу синтеза топологии. Результирующая схема, состояла из трех эквивалентных триггеров, схемы выбора и инверторов, предназначенных для разнесения по времени процесса записи (временная избыточность). Площадь

составной ячейки превышает площадь одного триггера в 4-5 раза. Так как общая площадь под всеми триггерными элементами (12616 шт.) в ИМС К1830ВЕ32УМ составляет 12 % от общей площади под элементами, то применение данного метода привело к увеличению общей занимаемой площади всего примерно на 4-6 % процента. Достоинством данного метода является то, что все триггера в ИМС защищены от сбоев, данная методика применима для различных технологий и не требует создания специальных ячеек.

Наконец рассмотрим реализованные методы защиты комбинационной логики. При попадании ТЗЧ в элементы комбинационной логики возможно возникновение переходного процесса (иголки) на выходе. Так как входные сигналы (выходы соответствующих триггеров) в результате сбоя не изменяются, через некоторое время после сбоя на выходе комбинационной логики устанавливается правильное значение. Резервирование, например ТМЯ, для таких элементов не всегда эффективно, так как требует очень много площади, поэтому для защиты от сбоев элементов комбинационной логики лучше использовать методы временной избыточности, а именно уменьшение тактовой частоты устройства.

Максимальная тактовая частота ИМС определяется временем выполнения самой долгой операции. Ограничение на частоту накладывает самый долгий (по времени) комбинационный путь в схеме. Если произойдет попадание ТЗЧ и возникновение иголки в самом длинном (по времени) пути, то у комбинационной логики не будет запаса по времени для восстановления правильного значения на своем выходе. В случае правильной разработки ИМС таких длинных по времени путей большое множество. Выходом являет заложение запаса (30-50 %) от максимальной тактовой частоты ИМС.

Микросхема К1830ВЕ32УМ представляет собой быстродействующий, экономичный, 8-разрядный КМОП микроконтроллер, производимый по технологии КМОП с проектными нормами 0,35 мкм. Микросхема обеспечивает работу с частотой от 1,25 МГц до 33 МГц и поддерживает два, выбираемых программно, режима экономии мощности. Этим она обеспечивает достаточно высокую сбоеустойчивость за счет временной избыточности.

Все предложенные решения были проверены путем экспериментальных исследований. Испытания проводились на микросхемах 1882ВЕ53У выполненные по технологии КМОП 0,35 мкм (без применения защиты ОЗУ и ПЗУ), 1882ВЕ53УМ технология - 0,35 КМОП Х-РаЬ (резервирование ОЗУ - три блока по 512 байт, «регенерация» ОЗУ - постоянное чтение и перезапись в случае обнаружение ошибки, резервирование всех триггеров, защита кодом Хэмминга памяти данных и памяти команд) и 1830ВЕ32У (Танк-5) выполненные по технологии 0,5 мкм КМОП/КНИ НИИСИ РАН (резервирование ОЗУ - три блока по 256 байт).

Результаты испытаний показали повышение сбоеустойчивости микросхем 1882ВЕ53УМ по сравнению с остальными, присутствующими в эксперименте. Так при воздействии ионов Кг84 с ЛПЭ(81) - 40 МэВ на микро-

схему 1882ВЕ53УМ были зафиксированы только тиристорные эффекты. При воздействии ионов Кг84 с ЛПЭ(81) - 40 МэВ на микросхему 1882ВЕ53У были зафиксированы и одиночные сбои, и тиристорные эффекты. При воздействии ионов Хеш с ЛПЭ(81) - 60 МэВ на микросхему 1830ВЕ32У были зафиксированы только одиночные сбои [6].

Список литературы:

1. Стешенко В. и др. Проектирование СБИС типа «Система на кристалле». Маршрут проектирования. Синтез схемы // Электронные компоненты. -2009. - № 1.

2. Яньков А.И. Состояние и перспективы разработки радиационно-стой-кой элементной базы во ФГУП «НИИЭТ» / А.И. Яньков, В.П. Крюков, Д.Е. Чибисов // Научно-технический журнал «Моделирование систем и процессов». Выпуск 1-2. - ВГЛТА, 2010. - С. 99-102.

3. Зольников В.К. Формирование библиотек типовых элементов и СФ блоков / В.К. Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2011. -№ 3. - С. 27-29.

4. Зольников В.К. Разработка схемотехнического и конструктивно-технологического базиса ЭКБ / В.К.Зольников, А.А. Стоянов // Моделирование систем и процессов. - 2011. - № 1-2. - С. 28-30.

5. Яньков А.И. Методы обеспечения сбоеустойчивости к одиночным событиям в процессе проектирования для микропроцессоров К1830ВЕ32УМ и 1830ВЕ32У / А.И. Яньков, В.А. Смерек, В.П. Крюков, В.К. Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2012. - № 1. - С. 92-95.

6. Зольников В.К. Проектирование современной микрокомпонентной базы с учетом одиночных событий радиационного воздействия / В.К. Зольников // Моделирование систем и процессов. - 2012. - № 1. - С. 27-30.

ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ МИКРОСХЕМ

© Зольников К.В.*

Воронежская государственная лесотехническая академия, г. Воронеж

Рассмотрена методика проектирования микросхем с учетом радиационных эффектов. Данная концепция апробирована при проектировании радиационно-стойких микросхем в ОАО «Научно-исследовательский институт электронной техники».

Ключевые слова САПР, проектирование, радиация, микросхема.

* Аспирант.