Исследование надежности динамических микросхем памяти средствами Matlab/Simulink

обычно имеется не очень большая выборка по объёму испытаний и количеству отказов. Данные по испытаниям систем, аналогичным исследуемой, можно использовать только при наличии трёх условий:

одинаковая элементная база этих систем и исследуемой;

одинаковая технологическая база

одинаковые условия эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Затучный Д.А. К вопросу о достоверности передаваемой информации в режиме автоматического зависимого наблюдения. - Труды Международного Симпозиума «Надёжность и качество», Том 1, Пенза, 2016, стр. 225-226.

2. Затучный Д.А. Статистическая оценка достоверности навигационной информации, передаваемой с борта воздушного судна в режиме автоматического зависимого наблюдения. - Труды Международного Симпозиума «Надёжность и качество», Том 1, Пенза, 2016, стр. 54-56.

3. Затучный Д.А. Повышение точности оценки достоверности информации, передаваемой при автоматическом зависимом наблюдении, на основе анализа качества дополнительных данных. - Труды Международного Симпозиума «Надёжность и качество», Том 1, Пенза, 2016, стр. 226-229.

4. Недельский М.Н. Применение квазидетерминированных моделей для оценки степени деградации эксплуатируемых авиационных систем.- Научный Вестник МГТУГА, №126, 2008, стр.36-39.

5. Недельский М.Н. Прогнозирование процессов деградации элементов авиационных систем.- Научный Вестник МГТУГА, №139, 2009, стр. 54-58.

УДК 621.396

Хомутов1 К.И. , Шегал1 А.А., Иофин2 А.А.

гФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия

2АО «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь», Каменск-Уральский Свердловской обл., Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ДИНАМИЧЕСКИХ МИКРОСХЕМ ПАМЯТИ СРЕДСТВАМИ MATLAB/SIMULINK

В среде Matlab/Simulink построена модель ячейки динамической памяти, работающей в условиях приближенных к естественному радиационному фону; проведен сравнительный анализ помехоустойчивости хранения данных при отсутствии и использовании кода Хемминга

Ключевые слова:

динамическое оперативное запоминающее устройство, надежность, радиационный фон, помехоустойчивое кодирование, моделирование

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (проект №8.2538.2017/ПЧ).

Введение. При реализации оперативной памяти большой емкости в компьютерах и вычислительных системах применяются динамические микросхемы памяти (ДБИС ОЗУ) [1, 2], в которых из-за влияния естественного радиационного фона при хранении информации могут возникать ошибки: состояние логической единицы в разряде изменяется на логический ноль и наоборот, нулевое состояние становится логической единицей [3, 4].

Для исследования поведения сложных объектов в условиях воздействия внешней среды широко используются методы математического или натурного моделирования [5, 6, 7]. В предлагаемой работе при изучении особенностей хранения информации в ДБИС ОЗУ применяется программное обеспечение Matlab/Simulink. Пакет Simulink является составной частью системы моделирования MATLAB и поставляется вместе с ней. Основа его работы -принципы визуально-ориентированного программирования с использованием моделей в виде представленных в обширной библиотеке комбинаций компонентов - блоков, путем соединения которых между собой реализуются функциональные схемы устройств и систем. При этом математическая модель, описывающая поведение системы, формируется и решается автоматически [8].

Поставим задачу: с помощью специализированных библиотек Simulink 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 [9].

Влияние альфа-частиц на надежность хранения информации в ОЗУ

В отличие от статических микросхем памяти запоминающим элементом (ЗЭ) ДБИС ОЗУ является конденсатор Сз, образованный поликремниевой областью канального транзистора (рис.1) [1]. Под этой областью создаётся потенциальная яма, которая пуста при хранении «1» и заполнена электронами при хранении «0».

Содержащиеся в керамических корпусах микросхем остатки урана и тория излучают альфа-частицы [3, 4]. Альфа-частицы с энергией 5 мэВ и

более, попадающие на поверхность кремниевого кристалла, тормозятся, генерируя до 2,5 миллионов электронно-дырочных пар. Если альфа-частица попадает в кристалл кремния недалеко от ЗЭ, то образующиеся дырки устремляются к подложке, имеющей отрицательный потенциал, а электроны заполняют потенциальную яму. Число образовавшихся при торможении альфа-частицы электронов оказывается достаточным для переключения ЗЭ из состояния «1» в состояние «0». Кроме этого, образовавшиеся электроны могут оседать на разрядные шины и вызывать сбои усилителей считывания. Поскольку в микросхемах динамических ЗУ после цикла считывания следует цикл восстановления информации, то сбои усилителей считывания приводят к перезаписи неверной информации.

а) б)

Рисунок 1 - Схема ячейки динамического ОЗУ: а) эквивалентная схема; б) МОП-структура. ЛВ -линии выборки; ЛЗС - линии записи-считывания

Особенностью динамических ЗЭ [1, 2, 10] является ограниченное время хранения заряда на запоминающей емкости. Через интервал времени, равный периоду регенерации Ьрег, информацию, хранимую в ЗЭ, необходимо восстанавливать (регенерировать). Наличие дефекта вызывает ток утечки, который может разрядить запоминающую емкость за время, меньшее Ьрег, что приведет к потере информации.

Попадания альфа-частиц в ЗЭ и разрядную шину выбираемого ЗЭ вызывают переход логического состояния «1» в «0». Попадания альфа-частиц в не-выбранные 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» [4].

Для исправления ошибок хранения информации в ДБИС ОЗУ широко используются специальные корректирующие коды Хемминга, обнаруживающие и исправляющие однобитовые ошибки в п-разрядных словах

Распределение разрядов 12-битного слова

[9]. Так, для 8- разрядного слова информации требуется 4 дополнительных контрольных бита (табл.1).

Таблица 1

Номер бита 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Бит данных D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1

Контр.биты Р8 Р4 Р2 Р1

с±>

WL

cz>

IN BL

OPEN MOS WR

п -*n -*ni

Logical Memory2 МетогуЗ Memory4 Operator _у

-»1 In1 S 0ut1 \-

Cs1

П

Memoryl

N01

OPEN MOS RD

Рисунок 2

Модель битовой динамической ячейки памяти

О

WL

RAS WE

Q>

OE

CE>

Cl>

lr Bi: 1

Cl>

CD-

lr Bil G

an-

¡' V/Lculoul SLcixt-oii

¡' WLcul-oul. Б Lc ill- out.

E- LJ fi

5A RA5

WLcifl-aul. ELtUt-OJ

L ii n

5A RA5

WLcul-aul. E: LLUIli J

" WLcul-aii E LLUIU J

[' WLBIlt-ftli BLoiitciil

d> gd-

EnfrO

GD-

GD-

ЕпМ

GD-

d> Er'C-2

QD-

tr—3

EnlKS

GD"

—EJ—*-

Er'C-4

СЦ>

IrT-S

EnfrS

ВЧЧ

GD-

erifr«

Cfit-7

GD-

eno-7

EHRI IHI BL

ERftl Iff BL

ERftl III BL

БНШ IK BL

Bbftl IK BL

BtiRI IHI BL

BRRI IHI BL

ERR.I IHI BL

Рисунок 3 - Модель байтовой ячейки динамической памяти

-нЦЗ

+CQ

КПЗ

-СЮ

KD

GD

Контрольные биты определяются по правилам, представленным формулой:

P1 = D1 ф D2 ф D4 ф D5 ф D7 ;

P2 = D1 ф D3 ф D4 ф D6 ф D7 ;

P4 = D2 ф D3 ф D4 ф D8 ;

P8 = D5 ф D6 ф D7 ф D8 , где ф - поразрядная логическая операция «исключающее или».

Процедура моделирования. На основе данных [1, 2, 4, 5, 9, 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 квази-динамическую ячейку, поскольку хранение данных зависит от изменения состояния триггера, а разряд конденсатора во время хранения не учитывается.

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 защёлкивание 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: Bit Cell, ЗА 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 вероятность р - не появления 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 4 дополнительных контрольных бита (см. табл.1) в модели генератора ошибок используются 4 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.

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. 35) в схеме эксперимента используются библиотечные функциональные блоки кодера и декодера Хем-минга (16:12).

Эксперимент запускался с помощью разработанного m-файла (Matlab), текст которого представлен ниже (рис. 6).

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).

a)

Рисунок 4

Terminator 10

Модель генератора ошибок

Рисунок 5 - Модель генератора управляющих сигналов

errors=[0 0] errors hamm=

% Обнуление массивов ошибок "0 0];

set_ param('test final/IN bit0', 'Value', '1

set_ param('test final/IN ~bit1'. 'Value', '1

set_ param('test final/IN ~bit2'. 'Value', '1

set_ param('test final/IN ~bit3'. 'Value', '1

set_ param('test final/IN ~bit4'. 'Value', '1

set_ param('test final/IN ~bit5'. 'Value', '1

set_ param('test final/IN ~bit6'. 'Value', '1

set_ param('test final/IN ~bit7'. 'Value', '1

входные данные

% проверяем код 11111111b, отключаем генератор ложных единиц set_param('test_final/Bernoulli Binary Generator1',,P,,,1'); % устанавливаем вероятность появления ошибок в генераторе ложных нулей set_param('test_final/Bernoulli Binary Generator0',,P,,,0.99999'); for i=1:1000 % одна тысяча опытов % запуск моделирования

set_param('test_final', 'SimulationCommand', 'start'); i % вывод номера текущего опыта в консоль MATLAB

pause(2); % задержка в 2 сек. - гарантия выполнения текущего опыта end

Рисунок 6 - Текст m-файла для запуска эксперимента

Worksp ace ©

Name ¡~ Value

dj errors 1x1 struct

LÉ errors_ _harnin 1x1 struct

a errors_ J a st [0 6 0 2 1 0 5 13]

a errors_ lasthamm [0 0 0 1 2 0 1 1]

a i 1000

a tout 1000x1 double

Рисунок 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 разнообразных факторов внешней среды, включая повышенный радиационный фон, особенно в космическом пространстве, на надёжность работы динамических микросхем памяти.

ЛИТЕРАТУРА

учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. СПб.

1. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: БХВ-Петербург, 2010. 816 с.

2. Столлингс У. Структурная организация и архитектура компьютерных систем. 5-е изд.,: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильямс», 2002. 896 с.

3. Зебрев Г.И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах высокой степени интеграции. [Электронный ресурс] // НИЯУ МИФИ, 2010.

4. URL:http://www.researchgate.net/profile/Gennady Zebrev/publication/2 6827 7 4 55 Radiation Effects in Silicon High Scaled Integrated Circuits in Russian/links/54 67 3c7d0cf23 97 f782b e5 e6.pdf.

5. Огнев И.В., Сарычев К.Ф. Надёжность запоминающих устройств. М.: Радио и связь, 1988. 224с.

6. Чаусов М.В., Смирнов С.С., Чаусова С.М. Учебная модель функционирования статического оперативного запоминающего устройства [Электронный ресурс] // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение N2 (22) ИГХТУ 2010. URL:https://www.isuct.ru/e-publ/snt/sites/ru.epubl. snt/files/2010/ 02/snt 2010 n02 66.pdf.

7. Полтавский А.В., Жумабаева А.С., Юрков Н.К. Концепция принятия решений при создании сложных технических систем /Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». Т. 1. Пенза: Изд-во ПГУ, 2016. - С. 8-12.

8. Боков А.С., Важенин В.Г., Дядьков Н.А., Иофин А.А., Мухин В.В. Проверка и исследование точностных характеристик бортовых радиовысотомеров /Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». Т. 1. Пенза: Изд-во ПГУ, 2016. - С. 78-82.

9. Дьяконов В.П. MATLAB R2007/2008/2009 для радиоинженеров. М.: ДМК Пресс, 2010. 976 с.

10. Орлов С.А., Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. 2-е изд. СПб: Питер, 2011. 688 с.

11. SIEMENS HYB 3164(5)800AJ/AT(L) 8Mx8-DRAM Datasheet// Semiconductor Group. 2009. URL:http://pdf.dzsc.com/200 90 603/200 903051124143712.pdf.

12. Надежность технических систем: Справочник/ под ред. И.А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985. 608с.

УДК 621.397

Китаев В.Н., Поль В.В.

ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина», Снежинск, Россия

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ИНЕРЦИОННОГО ВКЛЮЧАТЕЛЯ

В настоящее время различные конструкции инерционных включателей находят широкое применение в системах автоматики беспилотных летательных объектов, движущихся с ускорением от действия движителей различного рода. Приборы указанного типа обычно коммутируют электрические цепи системы автоматики уже во время полета, обеспечивая требуемый алгоритм работы системы автоматики объекта и безопасность, как при наземной эксплуатации, так и при нештатных режимах полета объекта. От приборов также требуется сохранение исходного состояния (несрабатывание) при аварийных ситуациях с объектом. Инерционные включатели не должны срабатывать (переключить свои контакты) например, при аварийных падениях в составе объекта использования на грунты и покрытия разных типов (мягкий грунт, твердый грунт, снег, бетонное покрытие). По этой причине инерционные включатели широко используются в качестве предохранительных коммутирующих устройств в системах автоматики взрывоопасных объектов.

Из-за различий условий и режимов движения объектов использования невозможно ограничится применением какого-то универсального прибора. Этим объясняется многообразие типов и конструкций инерционных приборов. Зачастую под условия и параметры конкретного объекта применения разрабатывается определенный инерционный включатель.

ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ имеет значительный научно-технический задел и конструкторский опыт по разработкам инерционных предохранительных приборов. В настоящее время завершается ОКР по созданию инерционного включателя, работоспособного при воздействии высокоинтенсивных ударных и вибрационных ускорений при полете в составе объекта использования и не срабатывающего при аварийных ударных воздействиях.

При проведении ОКР созданы новые технические решения инерционных включателей, защищенные патентами РФ [1-4].

Требуемый технический результат при проведении ОКР достигнут тем, что созданы оригинальные конструкции инерционных включателей, работоспособных в составе объектов применения при жестких условиях применения и безопасных при аварийных ситуациях с объектом применения. Частично результаты ОКР представлены в ранее опубликованных статьях [5, 6] .

Конструкции вариантов исполнения инерционных включателей, защищенные патентом РФ [4], приведены на рис. 1 и 2. С конструкциями приборов и их работой можно подробно ознакомиться по описанию указанного патента, поэтому в настоящей статье эта информация не приводится.

В приборах применены эффективные магнитоин-дукционные демпферы, выполненные в виде размещенных по окружности с каждого торца инерционного механизма двух групп постоянных магнитов чередующей полярности, и размещенного между их полюсами цилиндрического кольца из материала с высокой электрической проводимостью. Данное техническое решение позволило проводить селекцию ускорений, действующих в направлении срабатывания не только по величине, но и по длительности, что исключило срабатывание инерционного включателя при аварийных ударных воздействиях и обеспечило надежное срабатывание при полете в составе объекта использования. Эффективность маг-нитоиндукционного демпфера обеспечивается так же тем, что в конструкции инерционного механизма применены направляющие пазы с наклоном в разные стороны (по и против часовой стрелки), позволившие вдвое увеличить угловую скорость вращения цилиндрического кольца, являющегося ротором маг-нитоиндукционного демпфера. Вопросы дополнительной оптимизации магнитоиндукционного демпфера прибора рассматривались ранее [5].

Поджатие инерционного тела цилиндрической винтовой пружиной обеспечило увеличение хода инерционного тела, что в свою очередь повысило стойкость инерционного включателя к ударным (кратковременным) воздействиям.

Использование в приборах шарикоподшипниковых опор позволило значительно уменьшить силы трения при перемещении инерционного груза и обеспечить работоспособность инерционных включателей при действии вибрационных и ударных ускорений в боковых направлениях. Уменьшение сил трения позволило обеспечивать настройку инерционного включателя на срабатывание, как от значительных, так и от малых линейных ускорений.

Использование в варианте конструкции прибора электромагнитного устройства блокировки в виде поляризованного электромагнита позволило исключить срабатывание инерционного включателя с малым порогом линейных ускорений при хранении и транспортировании, что повысило безопасность технического объекта, в котором применен инерционный включатель.

Вариант конструкции прибора по рис. 2, имеющий более высокий порог линейных ускорений, обеспечил требуемую безопасность без использования электромагнитного устройства блокировки.

Значительная конструкторская проработка, проведенная на начальной стадии проведения ОКР и способствующая высокому уровню разработки, полностью не исключила некоторые проблемные вопросы при изготовлении первых опытных образцов приборов. Следует отметить, что эти проблемные вопросы возникали по разным причинам.