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1、博士學(xué)位論文CMOS存儲單元電路抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固設(shè)計(jì)研究RESEARCHONCMOSSTORAGECELLCIRCUITSDESIGNFORSINGLEEVENTUPSETTOLERANCE齊春華哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年03月國內(nèi)圖書分類號：TN492學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號：621.3密級：公開工學(xué)博士學(xué)位論文CMOS存儲單元電路抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固設(shè)計(jì)研究博士研究生：齊春華導(dǎo)師：肖立伊教授申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：微電子學(xué)與固體電子學(xué)所在單位：航天學(xué)院答辯日期：2018年03月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TN
2、492U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONCMOSSTORAGECELLCIRCUITSDESIGNFORSINGLEEVENTUPSETTOLERANCECandidate：QiChunHuaSupervisor：Prof.XiaoLiYiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MicroelectronicsandSolid-stateElectronicsAffiliation：
3、SchoolofAstronauticsDateofDefence：March,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要空間環(huán)境中存在著數(shù)量龐大的輻射粒子，這些粒子轟擊到空間應(yīng)用的集成電路系統(tǒng)上時，會使電路發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子閂鎖、單粒子燒毀等諸多輻射效應(yīng)。這些單粒子輻射效應(yīng)將導(dǎo)致系統(tǒng)偏離正常功能，甚至整個芯片系統(tǒng)的失效。作為儲存大量數(shù)據(jù)的載體和電子系統(tǒng)不可缺少的一部分，存儲電路在輻射環(huán)境中的單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤已成為危害芯片系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素，歐空局就曾經(jīng)報道
4、過單粒子翻轉(zhuǎn)軟錯誤所引發(fā)的衛(wèi)星墜落事件，可見對存儲電路進(jìn)行抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固設(shè)計(jì)研究是十分必要的。設(shè)計(jì)加固（RadiationHardenedbyDesign，RHBD）因其可以兼容現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)商用CMOS工藝、節(jié)約制造芯片所需的成本，在抗輻射加固領(lǐng)域得到了設(shè)計(jì)人員的廣泛應(yīng)用。本文采用RHBD方法對存儲電路中的SRAM存儲單元，鎖存器和D觸發(fā)器進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)研究，內(nèi)容主要包括以下幾個方面：（1）SRAM存儲單元抗單粒子多節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)加固設(shè)計(jì)研究。作為占據(jù)芯片面積較大的內(nèi)部存儲模塊，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器在輻射環(huán)境中的抗單粒子翻轉(zhuǎn)性能直接關(guān)系到整個電路系統(tǒng)的可靠性
5、。本文首先基于設(shè)計(jì)冗余加固技術(shù)在電路級提出了一種抗輻射加固12管SRAM存儲單元結(jié)構(gòu)；之后，根據(jù)該電路的構(gòu)造特點(diǎn)，針對特定的存儲節(jié)點(diǎn)，在版圖級進(jìn)行了進(jìn)一步的加固設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，在電路級加固和版圖級加固的聯(lián)合作用下，輻射粒子無論以垂直入射，還是角度入射的形式轟擊本文所提出的SRAM存儲單元，它都能夠完全抵抗由電荷收集及電荷共享所引起的單粒子多節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)。（2）鎖存器抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固設(shè)計(jì)研究。作為時序電路的最小存儲單元，鎖存器電路在輻射環(huán)境下的抗單粒子翻轉(zhuǎn)性能將直接關(guān)系到系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的正確性。本文利用設(shè)計(jì)冗余加固技術(shù)，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了一種低功耗
6、抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固鎖存器電路結(jié)構(gòu)，并且通過對內(nèi)部部分電路在高電平時鐘周期和低電平時鐘周期的復(fù)用設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)據(jù)傳輸階段濾除輸入單粒子瞬態(tài)脈沖以及在保持階段避免輸出節(jié)點(diǎn)因內(nèi)部節(jié)點(diǎn)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)而進(jìn)入高阻狀態(tài)的設(shè)計(jì)目的。結(jié)果表明，與具有相同容錯能力的抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固鎖存器相比，本文所提出的鎖存器具有低功耗的特點(diǎn)。（3）應(yīng)用于流水線中的D觸發(fā)器加固設(shè)計(jì)研究。本文基于檢測糾正技術(shù)的基本原理提出了一種能夠快速監(jiān)測觸發(fā)器在保持狀態(tài)下是否發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤的預(yù)充型沿檢測電路，并且基于該沿檢測電路構(gòu)建了應(yīng)用于流水線中的D觸發(fā)器。所構(gòu)建的觸發(fā)器不僅可以在數(shù)據(jù)保持
7、階段檢測和糾正單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤，-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文還可以在數(shù)據(jù)傳輸階段監(jiān)測輸入信號是否包含單粒子瞬態(tài)錯誤和時序錯誤。仿真結(jié)果表明，與具有相同容錯能力的觸發(fā)器相比，所構(gòu)建的D觸發(fā)器有效地減小了糾正單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤后在輸出端形成的脈沖毛刺寬度。脈沖毛刺寬度的減小意味著脈沖毛刺被下級時序電路捕獲的幾率大大降低，這意味著在輻射環(huán)境中處理相同數(shù)據(jù)總量的前提下，所提出的D觸發(fā)器降低了流水線的重寫頻次，進(jìn)而減少了流水線處理數(shù)據(jù)所用的時間，降低了流水線的功耗。（4）近閾值SRAM存儲單元抗單粒子多節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)加固設(shè)計(jì)研究。鑒于深空探測攜帶的能源有限、以及
8、近年來醫(yī)療電子和移動終端對低功耗乃至超低功耗的需求，本文提出了一種工作于近閾值電壓附近、抗單粒子多節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)的SRAM存儲單
