СПОСОБ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ОБЪЕКТОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD TO BACK UP SEMICONDUCTOR OBJECTS OPERATING UNDER ACTION OF IONISING RADIATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области резервирования электронной аппаратуры и, более точно, к способам резервирования замещением полупроводниковых объектов, работающих под действием ионизирующего излучения.
Под полупроводниковыми объектами резервирования понимаются объекты электронной аппаратуры, построенные на основе полупроводниковых приборов. Резервируемые полупроводниковые объекты могут быть цифровыми, аналого-цифровыми и аналоговыми и могут представлять собой объекты различной функциональной сложности: системы, устройства, процессоры, узлы и блоки. Резервируемые объекты могут не иметь средств исправления ошибок, но могут и содержать эти средства.
Под резервированием замещением понимается резервирование, при котором осуществляют замену активного объекта на резервный, когда состояние активного объекта требует этого замещения. Это может иметь место, например, при отказе активного объекта. Активный объект называют также основным или рабочим.
Изобретение может найти применение в системах автоматики, радиотехники и вычислительной техники в различных сферах деятельности, в которых резервируемые полупроводниковые объекты подвергаются воздействию ионизирующего излучения.
Уровень техники
http://prodav.exponenta.ru/design/lecture/app/lec07.doc
Известны различные способы резервирования электронной аппаратуры, основанные на использовании двух или более одинаковых резервируемых объектов (см., например, статью «Надежность кибернетических систем» в «Энциклопедии кибернетики», том второй, Киев: Главная редакция Украинской советской энциклопедии, 1974, с.61, а также раздел 7 «Повышение надежности работы аппаратуры» на сайте Давыдова А.В. , 2006, с.7-9). К ним относятся способы постоянного (непрерывного) резервирования с постоянно включенными резервируемыми объектами, способы резервирования замещением и способы скользящего резервирования.
В способах постоянного резервирования используют постоянно включенные резервируемые объекты и, если при этом используют больше двух резервируемых объектов, то выбирают правильный результат «голосованием» - по большинству одинаковых результатов при помощи мажоритарного блока. Это позволяет обходить (исправлять) ошибки, возникшие в меньшинстве резервируемых блоков. Простейшим способом постоянного резервирования с обходом (исправлением) ошибок является троирование резервируемых объектов.
В способах резервирования замещением резервные объекты используют вместо активных объектов при отказе последних. Если резервный объект находился в «холодном резерве», то есть был выключен, то под замещением понимается последовательность следующих действий: включение резервного объекта, при необходимости передача информации из замещаемого активного объекта в резервный и выключение замещенного активного объекта. После этого замещения объект, бывший резервным, используют как новый активный объект.
В способах скользящего резервирования любой резервный объект может замещать любой отказавший.
Указанные известные способы реализованы, например, в следующих патентах России:
- патент RU 2147162 от 1999 г., МПК H05K 10/00, «Способ управления дублированной системой с задержкой и устройство, его реализующее»;
- патент RU 2342696 от 2007 г., МПК G06F 11/18, «Способ управления отключением неисправных и/или переводимых в резерв объектов системы и система резервирования замещением для его реализации»;
- патент RU 2264648 от 2003 г., МПК G06F 11/20, G06F 11/16, «Резервированная двухпроцессорная вычислительная система»;
- патент RU 2347264 от 2007 г., МПК G06F 11/18, «Трехэлементное мажоритарное устройство резервирования».
http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/tkea/texts/2003_2/03_10.pdf
http://www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200307/7.html
Названные известные способы резервирования используют для повышения надежности полупроводниковых систем, работающих под действием ионизирующего излучения, в частности, в бортовых управляющих и вычислительных комплексах летальных аппаратов и в аппаратуре атомных электростанций (см., например, обзорную статью В.С.Харченко, Ю.Б.Юрченко «Анализ структур отказоустойчивых бортовых комплексов при использовании электронных компонентов INDUSTRY» - журнал «Технология и конструирование в электронной аппаратуре», Одесса, №2, 2003,  и более подробную статью тех же авторов «IOTS - подход: анализ вариантов структур отказоустойчивых бортовых комплексов при использовании электронных компонентов INDUSTRY» - журнал «Chip News/ Инженерная микроэлектроника», Москва, №7, 2003, ; используемые в системах, описываемых в этих статьях, электронные компоненты INDUSTRY представляют собой полупроводниковые БИС).
Однако использование известных способов резервирования полупроводниковых объектов в случаях, когда резервированные системы работают под действием ионизирующего излучения, не обеспечивает необходимую надежность этих систем, так как ионизирующее излучение будет одинаково и одновременно воздействовать на все резервируемые объекты и будет выводить их из строя примерно одновременно.
http://itfor.narod.ru/memory/1/42_l.htm
Известны также аппаратные способы обнаружения и исправления ошибок в цифровой полупроводниковой аппаратуре, не использующие резервирования объектов. К ним относятся способы, основанные на применении корректирующих кодов, например, кода Хэмминга для передачи информации и для коррекции ошибок в памяти (см., например, статьи Вакуленко А. «Коррекция ошибок памяти», 1998, ;
http://www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=59972
Борзенко А. «Исправление ошибок памяти», 1998, ;
http://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=8480)
Борзенко А. «Технология Chipkill для оперативной памяти», 2001, ,
http://prodav.exponenta.ru/design/lecture/app/lec07.doc
а также способы контроля по модулю (см., например, книгу Путинцева Н.Д. «Аппаратный контроль управляющих цифровых вычислительных машин», М.: «Советское радио», 1966) и поэлементное резервирование внутри объекта (см., например, книгу Б.Байцера «Архитектура вычислительных комплексов», М.: Издательство «МИР», 1974, том 2, с.308, а также раздел 7 «Повышение надежности работы аппаратуры» на сайте Давыдова А.В. , 2006, с.8). Использование этих аппаратных способов в полупроводниковых объектах, работающих под действием ионизирующего излучения, также не обеспечивают необходимой надежности полупроводниковых объектов, так как ионизирующее излучение будет одинаково и одновременно воздействовать как на контролируемую аппаратуру, так и на аппаратуру контроля и исправления ошибок, на все резервируемые элементы и будет выводить их из строя примерно одновременно.
http://prodav.exponenta.ru/design/lecture/app/lec07.doc
Прототипом предлагаемого изобретения является способ резервирования объектов замещением, например, полупроводниковых объектов, работающих под действием ионизирующего излучения, состоящий в том, что используют активный объект, находящийся в температурных условиях, считающихся нормальными для его работы, и идентичный ему выключенный резервный объект, замещают активный объект на резервный при получении сигнала замещения, формируемого при отказе активного объекта (см., например, подраздел «Резервирование замещением» в материале «Повышение надежности работы аппаратуры» на сайте Давыдова А.В. , 2006, с.9).
Под отказом активного объекта понимается невозможность продолжения правильного функционирования этого объекта. Правила идентификации отказа активного объекта зависят от типа этого объекта. После замещения активного объекта на резервный, отказавший активный объект подвергается диагностике и, если это возможно, восстановлению (ремонту). Реализации способа резервирования замещением различаются используемыми правилами формирования сигналов замещения, в значительной мере зависящими от типа резервируемых объектов - устройств автоматики, связи, вычислительной техники.
Этот способ-прототип может быть использован для резервирования полупроводниковых объектов, работающих под действием ионизирующего излучения.
Способ-прототип реализован, например, в «Резервированном устройстве» по авторскому свидетельству СССР №392500 от 1970 г., класс G06F 11/20. В этом способе используются два резервируемых объекта - активный объект и резервный объект, находящийся в выключенном состоянии.
Существенный недостаток способа-прототипа заключается в том, что при его использовании активный и резервный объекты будут выходить из строя под действием ионизирующего излучения примерно одновременно.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на разработку способа резервирования полупроводниковых объектов, позволяющего повысить надежность резервированной системы этих объектов при ее работе под действием ионизирующего излучения.
Технический результат - повышение надежности резервированной системы, работающей под действием ионизирующего излучения, достигается, благодаря предлагаемому способу резервирования полупроводниковых объектов, состоящему в том, что используют активный полупроводниковый объект, находящийся в температурных условиях, считающихся нормальными для его работы, и идентичный ему выключенный резервный полупроводниковый объект, замещают активный объект на резервный при получении сигнала замещения, формируемого при отказе активного объекта, и в отличие от прототипа нагревают резервный объект до заданной температуры, при которой в нем идет интенсивный отжиг радиационных дефектов его полупроводниковых приборов, но которая не приводит к необратимой неисправности этого объекта; формируют дополнительно сигнал замещения при достижении допустимого уровня деградации полупроводниковых приборов активного объекта до наступления потери им работоспособности, затем перед замещением активного объекта охлаждают резервный объект до температуры, считающейся нормальной для работы активного объекта, и замещают активный объект охлажденным резервным объектом, который используют как новый активный объект.
Это позволяет повысить надежность системы резервирования полупроводниковых объектов, работающих под действием ионизирующего излучения, по следующим причинам. С одной стороны, выключение (то есть обесточивание) резервного объекта снимает внешнее электрическое поле с его полупроводниковых приборов и вследствие этого уменьшает концентрацию в них зарядов, наведенных ионизирующим излучением. С другой стороны, в нагретом до заданной температуры выключенном резервном объекте идет интенсивный отжиг радиационных дефектов, то есть сокращение их количества (уменьшение их концентрации). Вследствие этого охлажденный резервный объект будет содержать меньше радиационных дефектов, чем было в активном объекте при достижении допустимого уровня деградации его полупроводниковых приборов. Сигнал замещения формируют дополнительно при отсутствии отказа активного объекта, то есть до наступления потери им работоспособности. Это позволяет использовать работоспособный замещенный активный объект в качестве нового резервного объекта. Далее, нагревая новый выключенный резервный объект и сохраняя его в нагретом состоянии, можно отжечь, то есть устранить, многие из имеющихся в нем радиационных дефектов и в значительной мере улучшить его свойства, влияющие на его работоспособность. Таким образом, используя активный объект при нормальной для его работы температуре, а выключенный резервный объект нагретым до заданной повышенной температуры, удается повысить надежность и увеличить срок службы резервированной системы при ее работе в условиях ионизирующего излучения.
Эффект уменьшения деградации резервного объекта, вызванной ионизирующим излучением, объясняется следующим. Существуют две основные причины этой деградации полупроводниковых приборов (или, иначе говоря, полупроводниковых элементов, например, МОП-транзисторов):
- наведение зарядов в диэлектриках и на границах разделов «диэлектрик-полупроводник»;
- создание радиационных дефектов (или, иначе говоря, структурных дефектов) в полупроводниках.
Наведенные ионизирующим излучением заряды захватываются технологическими и радиационными дефектами (ловушками) и вызывают изменения электрического поля полупроводниковых приборов, и вследствие этого ухудшение их параметров.
Увеличение концентрации наведенных зарядов и концентрации радиационных дефектов приводит к ухудшению параметров полупроводниковых приборов.
Уменьшение концентрации наведенных зарядов достигается в предлагаемом способе резервирования тем, что резервный объект выключен, то есть сняты все напряжения питания со всех его полупроводниковых приборов. Это позволяет снять внешнее электрическое поле с его полупроводниковых приборов. Вследствие этого увеличивается количество рекомбинировавших первичных пар «электрон-дырка», созданных ионизирующим излучением, и уменьшается количество созданных пар, захваченных ловушками.
Уменьшение концентрации радиационных дефектов достигается в предлагаемом способе резервирования путем нагрева резервного объекта до заданной температуры, при которой в нем идет интенсивный отжиг радиационных дефектов, и сохранение резервного объекта при этой температуре. Эта температура может быть задана, например, на основе экспериментов или теоретически, и составляет примерно +150÷200°C. Она превышает максимально допустимую температуру, при которой может нормально работать активный объект. Указанный отжиг возможен при концентрациях радиационных дефектов, при которых резервный объект сохраняет свою работоспособность.
Таким образом, эффект уменьшения деградации резервного объекта, вызванной ионизирующим излучением, достигается за счет выключения электрического питания этого объекта и за счет нагрева этого объекта до заданной температуры.
Указанный технический эффект достигается также благодаря тому, что формируют дополнительно сигнал замещения через заданное время работы активного объекта, за которое может быть достигнут допустимый уровень деградации полупроводниковых приборов этого объекта. Этот сигнал замещения формируют до наступления потери работоспособности активного объекта. Заданное значение времени работы активного объекта устанавливают для этого объекта на основе экспериментальных или теоретических оценок.
Этот же технический эффект достигается при наличии в резервируемых полупроводниковых объектах средств обнаружения и исправления ошибок, благодаря тому, что ведут подсчет количества исправленных ошибок, формируют дополнительно сигнал замещения, когда это количество достигнет заданного значения, характеризующего допустимый уровень деградации полупроводниковых элементов активного объекта. Этот сигнал замещения формируют до наступления потери работоспособности активного объекта. Заданное значение количества исправленных ошибок устанавливают для этого объекта на основе экспериментальных или теоретических оценок.
Технический эффект достигается также благодаря тому, что используют замещенный активный объект как новый резервный объект, если не обнаружен отказ этого активного объекта, то есть, если не был сформирован сигнал замещения, вызванный отказом этого объекта. Следовательно, для повышения надежности и срока службы резервированной системы, работающей под действием ионизирующего излучения, «периодически» заменяют друг на друга активный и резервный объекты и при этом держат очередной резервный объект выключенным при заданной повышенной температуре.
Получению этого же технического эффекта способствует то, что нагрев резервного объекта осуществляют при помощи терморегулятора, которым нагревают воздух в системе вентиляции этого объекта и поддерживают постоянной, в допустимых пределах, заданную температуру резервного объекта, а охлаждение этого объекта осуществляют этой же системой вентиляции при выключении указанного терморегулятора.
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ резервирования полупроводниковых объектов, работающих под действием ионизирующего излучения, заключается в следующем. Используют два идентичных резервируемых объекта, один из которых в начале работы делают активным, а другой - резервным. Активный объект включают для выполнения им его функций и он работает в температурных условиях, считающихся нормальными для его работы, например при комнатной температуре или при другой температуре, выбранной для его эксплуатации в допустимом для него диапазоне температур, например в диапазоне -40°C - +80°C.
Резервный объект перед началом работы резервированной системы выключают, то есть обесточивают его, или, иначе говоря, отключают его электрическое питание. Выключенный резервный объект нагревают до заданной повышенной температуры, при которой в нем идет интенсивный отжиг радиационных дефектов его полупроводниковых приборов, но которая не приводит к необратимой неисправности этого объекта, и поддерживают эту температуру резервного объекта. Эта повышенная температура составляет примерно +150÷200°C. Часто употребляемый термин «интенсивный отжиг» не имеет точного значения, но в каждом конкретном случае его количественная характеристика оценивается экспериментально разработчиками резервируемого полупроводникового объекта в зависимости от типа используемых полупроводниковых приборов.
Если при этом будет обнаружен отказ активного объекта, то формируют сигнал замещения, по которому замещают активный объект резервным, после чего отказавший активный объект подвергается диагностике и, если это возможно, ремонту (восстановлению). При замещении активного объекта резервным охлаждают объект, бывший резервным, до температуры нормальной работы активного объекта, затем включают бывший резервный объект и при необходимости передают в него информацию из бывшего активного объекта. После этого бывший резервный объект становится новым активным объектом.
Если отказ активного объекта не обнаружен, то этот объект продолжает работу, а резервный объект остается нагретым до заданной повышенной температуры.
Далее формируют дополнительно сигнал замещения при достижении допустимого уровня деградации полупроводниковых приборов активного объекта до наступления потери им работоспособности. Правила формирования этого сигнала замещения зависят от типа и конструкции резервируемого объекта и могут быть разными в конкретных случаях. Допустимый уровень деградации полупроводниковых элементов активного объекта, с одной стороны, является уровнем деградации, при котором активный объект еще работоспособен, а с другой стороны - уровнем деградации, при котором концентрация радиационных дефектов полупроводниковых приборов этого объекта становится настолько высокой, что через некоторое время начнет представлять потенциальную опасность для его работоспособности и может привести к ее потере. Такой допустимый уровень деградации приближенно оценивается экспериментально разработчиками резервируемого объекта, которые в зависимости от типа и конструкции этого объекта выбирают подходящие правила, по которым формируют дополнительно указанный сигнал замещения.
В данном изобретении предлагаются два варианта формирования сигнала замещения при достижении допустимого уровня деградации активного объекта до наступления потери им работоспособности.
По первому из них формируют дополнительно сигнал замещения через заданное время работы активного объекта, за которое может быть достигнут предельно допустимый уровень деградации полупроводниковых приборов этого объекта. Это заданное значение времени работы активного объекта устанавливают для этого объекта на основе экспериментальных или теоретических оценок.
Второй вариант может быть использован в случае, когда резервируемые объекты содержат аппаратные средства обнаружения и исправления ошибок. В качестве этих средств, например, может быть использована аппаратура обнаружения и исправления ошибок при помощи корректирующих кодов. Или, например, эти средства могут обеспечивать мажоритарный выбор результата при построении резервируемых объектов как троированных блоков. В этих средствах имеется возможность фиксации исправленных (обойденных) ошибок. Используя эти средства, ведут подсчет количества исправленных ошибок, формируют дополнительно сигнал замещения, когда это количество достигнет значения, характеризующего допустимый уровень деградации полупроводниковых элементов активного объекта. Это заданное значение устанавливают для этого объекта на основе экспериментальных или теоретических оценок.
По указанному сигналу замещения, формируемому дополнительно, производят замещение активного объекта резервным следующим образом. Сначала охлаждают резервный объект до температуры, которая считается нормальной для работы активного объекта, а затем включают этот бывший резервный объект в качестве нового активного объекта. При необходимости передают в него информацию из замещенного активного объекта. Если к моменту формирования сигнала замещения не обнаружен отказ активного объекта, то используют замещенный активный объект как новый резервный объект. Выключают этот новый резервный объект, затем нагревают его до заданной температуры в пределах +150÷200°C и держат его при этой повышенной температуре. Далее при формировании нового сигнала замещения при достижении допустимого уровня деградации полупроводниковых приборов нового активного объекта до наступления потери им работоспособности охлаждают новый резервный объект до температуры нормальной работы активного объекта. И после этого замещают новый активный объект на новый резервный объект.
Таким образом, для повышения радиационной стойкости аппаратуры держат выключенный резервный объект при заданной повышенной температуре и «периодически» заменяют друг на друга активный и резервный объекты. В нагретом очередном резервном объекте отжигаются ранее накопленные радиационные дефекты и очень медленно накапливаются новые. Замещения резервного объекта активным прекращаются, когда будет обнаружен отказ активного объекта, вследствие чего будет сформирован последний сигнал замещения активного объекта резервным.
Нагрев резервного объекта осуществляют при помощи терморегулятора, которым нагревают воздух в системе вентиляции этого объекта, и поддерживают постоянной, в допустимых пределах, заданную температуру резервного объекта, а охлаждение этого объекта осуществляют этой же системой вентиляции при выключении указанного терморегулятора.