МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 4, с. 299-305
- СХЕМОТЕХНИКА
УДК 621.382+ 621.396.6
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ КОДИРОВАНИЕ НА ДВУХФАЗНЫХ 28 нм КМОП-ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ
© 2015 г. Ю. В. Катунин, К. Э. Левин
НИИ системных исследований Российской АН Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ E-mail:yu.v.katunin@gmail.com; levinmephi@yandex.ru Поступила в редакцию 18.12.2014 г.
Повышение сбоеустойчивости блоков помехоустойчивого кодирования с использованием элементов двухфазной КМОП-логики позволяет повысить сбоеустойчивость кодеров-декодеров. Представлены результаты моделирования двухфазного 28 нм КМОП-логического элемента ИСКЛ-ИЛИ с различными конфигурациями внутренних электрических связей в сравнении с однофазным элементом при воздействии помехи. Спроектирована тестовая библиотека двухфазных элементов, с использованием которой на примере кодера/декодера Хсяо (72, 64) разработан маршрут автоматизированного синтеза нерегулярных топологических структур. Результатом является проектирование 28 нм КМОП кодера/декодера Хсяо.
DOI: 10.7868/S0544126915040079
1. ВВЕДЕНИЕ
Субмикронные КМОП СБИС, изготавливаемые по объемной КМОП-технологии, широко используются в современной авиационной и космической электронике. КМОП СБИС с проект-но-технологическими нормами менее 100 нм имеют повышенную чувствительность к эффектам воздействия отдельных высокоэнергетических ядерных частиц. Разработка таких СБИС требует применения специальных схемотехнических, топологических и конструктивных мер для повышения сбоеустойчивости [1].
Для увеличения надежности хранения данных в массивах памяти и обеспечения их устойчивости применяются схемы помехоустойчивого кодирования данных [1, 2]. Повышение сбоеустойчивости этих блоков является актуальной задачей. Особенно это касается кодеров, расположенных на шине данных и вносящих задержки при записи и чтении данных ОЗУ [3—5], формирующих проверочное слово, поскольку искажение проверочного слова на стадии записи данных в массив памяти заведомо лишает возможности их корректного чтения.
Один из вариантов решения поставленной задачи предполагает использование двухфазных логических элементов, которые позиционируются как средство повышения сбоеустойчивости цифровых схем [6]. В силу нерегулярности структуры блоков помехоустойчивого кодирования их проектирование вручную является трудоемким процессом. В данной работе используется автоматизированный синтез нетлиста по поведенческой
модели блока, после чего проводится синтез топологии из нетлиста с использованием предварительно спроектированной библиотеки стандартных элементов. В нашем случае — это библиотека двухфазных элементов, создание которой является одной из задач. Среди элементов этой библиотеки должен присутствовать двухфазный элемент ИСКЛ-ИЛИ — базовый элемент помехоустойчивых кодеров/декодеров, выбор схемы которого представляет собой отдельную задачу. Другая ожидаемая трудность связана с идентичностью входов/выходов двухфазного элемента с точки зрения логики, что вызывает проблемы с описанием булевых функций элементов в .lib файлах и делает невозможным создание логическим синтезатором корректного нетлиста блока из его поведенческой модели.
2. ДВУХФАЗНЫЙ КМОП ЭЛЕМЕНТ ИСКЛ-ИЛИ
Двухфазный элемент ИСКЛ-ИЛИ состоит из двух симметричных частей — конверторов ИСКЛ-ИЛИ, которые следует пространственно разносить на кристалле с целью минимизации вероятности одновременного воздействия индуцированного частицей заряд на обе части двухфазного элемента. Схемы элементов, используемых в сравнительном моделировании, представлены на рис. 1 и рис. 2. Двухфазный элемент ИСКЛ-ИЛИ_1 (см. рис. 1) образуется двумя классическими однофазными элементами ИСКЛ-ИЛИ, состоящими из трех инверторов и двух ключей, электрические свя-
B1r
Рис. 1. Схема двухфазного логического элемента ИСКЛ-ИЛИ_1, образованного двумя однофазными элементами ИСКЛ-ИЛИ.
Рис. 2. Схема двухфазного логического элемента ИСКЛ-ИЛИ_2, с перекрестными связями образующих его двухфазных инверторов.
зи между конверторами I и II отсутствуют. В эле- разносимыми частями упрощает трассировку, одна-
менте ИСКЛ-ИЛИ_2 (см. рис. 2) число электри- ко от конфигурации электрических связей может
ческих связей между конверторами равно 6. Мини- зависеть чувствительность элемента к воздействию
мизация количества связей между пространственно входной помехи, его быстродействие и динамиче-
Рис. 3. Амплитуды импульса помехи на выходе 1 логического элемента ИСКЛ-ИЛИ_1 в зависимости от значений амплитуды ^Пом М ВХ В1, ^ПОМ М ВХ В2 импульсов напряжения помехи на дифференциальных входах В1, В2 при исходном состоянии "00" входов АВ.
ский ток потребления. Следует отметить, что в элементе ИСКЛ-ИЛИ_2 три двухфазных инвертора представляют собой двухфазные логические элементы с перекрестными связями входов: они характеризуются лучшей устойчивостью [6] к воздействию помехи, чем логические элементы с прямыми связями входов.
3. АНАЛИЗ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДВУХФАЗНЫХ И ЭЛЕМЕНТОВ ИСКЛ-ИЛИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОМЕХИ
Характеристикой чувствительности логического элемента к воздействию входной помехи является его статическая переключательная характеристика, получаемая в режиме анализа по постоянному току и отражающая пороговое напряжение переключения элемента. В двухфазных логических элементах с перекрестными связями входов блокирование входной помехи осуществляется за счет перехода одного из выходов в третье состояние на время действия помехи [7] с сохранением его логического состояния за счет собственной емкости выходного узла. Поскольку в анализе по постоянному току реактивные элементы электрической цепи не моделируются, использование статической переключательной характеристики двухфазного элемента как характеристики его чувствительности к воздействию входной помехи некорректно. Решить данную проблему позволяет использование квазистатических переключательных характеристик, получение которых осуществляется при временном анализе. Для этого на дифференциальные входы двухфаз-
ного элемента подаются векторы входных воздействий — прямоугольные импульсы напряжения длительностью Д%МП с амплитудами ипоМ.МВХ.а, ипоМ.М.ВХ.а (где i = A, B), изменяемыми независимо друг от друга в пределах от 0 В до ии.П с некоторым шагом Д U. Длительность входных импульсов влияет на уровень спада напряжения на узле логического элемента, переходящем в третье состояние на время воздействия. В данной работе значение длительности входных импульсов Д?ИМП = 2.0 нс, что покрывает диапазон значений длительности переходных процессов SET в структурах, выполненных по объемной технологии с проектными нормами ниже 100 нм [8].
Моделирование логических элементов ИСКЛ-ИЛИ проводилось в САПР Cadence IC с использованием симулятора Spectre; параметры МоП-транзисторов: длина канала 30 нм, ширина РМоП-транзисторов — 150 нм, NМОП-транзи-сторов — 100 нм, комплементарных ключей, ширина РМоП-транзисторов — 120 нм; номинальное напряжение питания иИП = 0.9 В; шаг Ди = 0.05 В, поэтому общее число входных векторов воздействия N = 361.
На рис. 3 приведены зависимости значений амплитуд ипомм.ВЫХ1 импульса напряжения помехи на выходе 1 логического элемента ИСКЛ-ИЛИ_1, как функции значений амплитуд импульсов помех ^оМ.М.ВХ.ВЪ ^оМ.М.ВХ.Е^ действующих на дифференциальные входы В1, В2 в исходном состоянии входов AB = "00". Поскольку логический элемент ИСКЛ-ИЛИ_1 имеет два независимых канала, то характеристика зависит лишь от
«
о £
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
Рис. 4. Амплитуды импульса помехи на выходе 1 логического элемента ИСКЛ-ИЛИ_2 в зависимости от значений амплитуды ^пом М ВХ В1, Цгом М ВХ В2 импульсов напряжения помехи на дифференциальных входах В1, В2 при исходном состоянии "00" входов АВ.
одной переменной — амплитуды иП
ПОМ.М.ВХ.В1
им-
пульса напряжения на входе В1, в связи с этим зависимости для логического элемента ИСКЛ-ИЛИ_1 и классического элемента ИСКЛ-ИЛИ полностью идентичны.
Аналогичные характеристики для логического элемента ИСКЛ-ИЛИ_2 представлены на рис. 4. Зависимости по выходу 2 для обоих логических элементов зеркально симметричны зависимостям для выхода 1 относительно плоскости иПОММВХВ1 —
_ иП0М.М.ВХ.В2 =
Для всех комбинаций логических состояний входов элемента определена доля относительно общего числа векторов входного воздействия
({ ^ПОММ^.^ ^ПОМ.М.ВХ^Ь где I = А В) ^ при подаче которых на входы элемента амплитуды импульсов помехи на обоих его выходах не превышают уровня 0.5 иИП = 0.45 В. Результаты приведены в табл. 1.
Результаты для схем с конфигурацией перекрестных связей между ключами и образованной двумя классическими однофазными элементами ИСКЛ-ИЛИ показали, что схемы с перекрестны-
Таблица 1. Значения А, при которых амплитуда помехи на обоих выходах двухфазного логического элемента ИСКЛ-ИЛИ не превышает уровня 0.5 иИП = 0.45 В
Исходное состояние входов АВ элемента А лог. элемента ИСКЛ-ИЛИ_1 А лог. элемента ИСКЛ-ИЛИ_2 А лог. однофазного элемента ИСКЛ-ИЛИ Примечание
Аисх 0, Висх 0 22.4 54.6 22.4 Воздействие на вход А
Аисх 0, Висх 1 22.4 47.4 22.4 Воздействие на вход А
Аисх = 1, Висх = 0 27.7 56.5 27.7 Воздействие на вход А
Аисх = 1, Висх = 1 27.7 52.1 27.7 Воздействие на вход А
Аисх 0, Висх 0 22.4 51.3 22.4 Воздействие на вход В
Аисх 0, Висх 1 27.7 52.6 27.7 Воздействие на вход В
Аисх = 1, Висх = 0 22.4 49.6 22.4 Воздействие на вход В
Аисх = 1, Висх = 1 27.7 56.0 27.7 Воздействие на вход В
Среднее значение 25.1 52.5 25.1
Блок формирования сигналов ошибки Сигнал ошибки
Рис. 5. Функциональная схема кодер-декодера.
ми связями между ключами обладают потенциально большей сбоеустойчивостью [9], однако из-за большого количества электрических связей между симметричными частями (8—10), возникают сложности при проектировании таких элементов.
Таким образом, анализ данных табл. 1 и результатов для схем логических элементов ИСКЛ-ИЛИ с перекрестными связями между ключами [9], показывает, что элемент ИСКЛ-ИЛИ_2 с перекрестными связями образующих его двухфазных инверторов менее чувствителен к воздействию помехи по сравнению с классичес
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.