Models and algorithms of soft error inducing mechanisms in ICs

Abstract

Η αξιοπιστία των Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων (ΟΚ) ήταν ανέκαθεν μία από τις πιο συχνές ανησυχίες στον τομέα του VLSI, πόσο μάλλον σήμερα, που η συνεχής συρρίκνωση της τεχνολογίας που ακολουθεί το Νόμο του Moore τα καθιστά πιο ευάλωτα σε διάφορους παράγοντες. Η πρόκληση που έχει να κάνει με την αξιοπιστία και τα Μεταβατικά Σφάλματα που προκαλούνται από ιονίζουσα ακτινοβολία κερδίζει συνεχώς έδαφος και έχει τραβήξει την προσοχή αρκετών ερευνητών προσφάτως. Ένα σωματίδιο επαρκούς ενέργειας που συγκρούεται με ένα τρανζίστορ μπορεί να προκαλέσειδιαταραχή στην ισορροπία μεταξύ ηλεκτρονίων και οπών εντός της συσκευής, έχοντας ως αποτέλεσμα την αλλαγή της λογικής κατάστασης της εξόδου της πύλης που διαρκεί συνήθως ορισμένα picoseconds. Το προσωρινό αυτό φαινόμενο που εμφανίζεται ως ένας ανεπιθύμητος παλμός στην έξοδο, που καλείται και Single Event Transient (SET), μπορεί να επηρεάσει τη σωστή λειτουργία του κυκλώματος καθώς διαδίδεται και εν τέλει αποθηκεύεται σε κάποιο στοιχείο μνήμης. Αυτό ονομάζεται Μεταβατικό Σφάλμα και παρόλο που δεν είναι μόνιμο μπορεί να προκαλέσει απρόσμενη συμπεριφορά στο κύκλωμα. Έτσι, είναι σημαντικό για τη βιομηχανία να γνωρίζει την ευπάθεια των κυκλωμάτων σε τέτοιου είδους κινδύνους, ειδικότερα όταν αυτά αφορούν κρίσιμα συστήματα, όπως ιατρικά, αεροηλεκτρονικά, στρατιωτικά, κ.ά. Σε αυτήν τη διατριβή παρουσιάζουμε ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για τη μοντελοποίηση των Μεταβατικών Σφαλμάτων εξαιτίας της ιονίζουσας ακτινοβολίας στη συνδυαστική λογική των ΟΚ, παρέχοντας μία εκτίμηση της Συχνότητας Μεταβατικών Σφαλμάτων (ΣΜΣ), ενός ευρέως διαδεδομένου μέτρου για την ευπάθεια των ΟΚ σε τέτοιους κινδύνους. Η προτεινόμενη μεθοδολογία που βασίζεται σε Monte Carlo προσομοιώσεις, λαμβάνει υπόψην το φυσικό σχέδιο ενός κυκλώματος ούτως ώστε να μοντελοποιήσει τα Single Event Multiple Transients (SEMTs), τα οποία γίνονται ολοένα και πιο συχνά με τη συρρίκνωση της τεχνολογίας. Επίσης, παρουσιάζονται δύο παραλλαγές του κύριου αλγορίθμου της εκτίμησης της ΣΜΣ, για την ταυτοποίηση των ευαίσθητων περιοχών και των πιο ευαίσθητων πυλών ενός κυκλώματος, επιτρέποντας μικρές τροποποιήσεις είτε της σχεδίασης του κυκλώματος, είτε ακόμη και των στρατηγικών χωροθέτησής του στα πρώτα στάδια της σχεδίασης με σκοπό τη μείωση της ΣΜΣ. Τα αποτελέσματα της εκτίμησης της ΣΜΣ επιδεικνύονται με μία ποικιλία προσομοιώσεων που πραγματοποιούνται πάνω στα ISCAS ’89 κυκλώματα για τις τεχνολογίες των 45nm και 15nm, ενώ η επαλήθευση με το εργαλείο προσομοίωσης HSPICE υποδεικνύει αποδεκτή απόκλιση για τα μικρής κλίμακας κυκλώματα. Τέλος, εξετάζεται η συμπεριφορά της σύγχρονης τεχνολογίας κατασκευής ΟΚ Fully-Depleted Silicon-On-Insulator (FDSOI) απέναντι στα χτυπήματα των σωματιδίων και συγκρίνεται με τη συμβατική Bulk τεχνολογία μέσω προσομοιώσεων TCAD.