ЛИТЕРАТУРА
1. Агаханян Т. М. Проектирование электронных устройств на интегральных операционных усилителях: Уч. пособие. — М.: МИФИ, 2008. — 836 с.
2. Pease R. L., Schrimpf R. D., Fleetwood D. M. ELDRS in bipolar linear circuits: a review // IEEE Trans. Nucl. Sci. — 2009. — Vol. NS-57.
3. Enlow E. W., Pease R. L, Combs W. E, et al. Response of advanced bipolar processes to ionizing radiation // IEEE Trans. Nucl. Sci. — 1991. — Vol. NS-38, N 6. — P. 1342—1351.
4. Johnston A. Y, Lee C. I., Rax B. G. Enhanced Damage in Bipolar Devices at Low Dose Rates: Effects at Very Low Dose Rates // IEEE Trans. Nucl. Sci. — 1996. — Vol. NS-43, N 6. — P. 3049—3059.
5. ГОСТ23089.3—83.
6. ГОСТ23089.4—83.
Александр Сергеевич Бакеренков — аспирант кафедры "Микро- и наноэлектроника";
E-mail: as_bakerenkov@list.ru
Владимир Васильевич Беляков — канд. техн. наук, доцент кафедры "Микро- и наноэлектроника";
E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Владимир Васильевич Шуренков — доцент кафедры "Микро- и наноэлектроника";
Андрей Михайлович Никитин — доцент кафедры "Электронные измерительные системы";
® (495) 324-88-33
Вячеслав Сергеевич Першенков — д-р техн. наук, зав. кафедрой "Микро- и наноэлектроника";
® (495) 324-01-84
E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Николай Викторович Варламов — доцент кафедры "Электротехника".
® (495) 324-04-00 □
УДК 621.3.049.77:539.1.043
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ОТКАЗОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РАДИАЦИИ
В. М. Барбашов
Рассмотрены методы моделирования функциональных отказов цифровых систем при воздействии радиации, основанные на модели нечеткого цифрового автомата Брауэра. Принципиальным отличием данного метода от традиционных является возможность учета в явной форме в функционально—логических моделях интегральных микросхем (ИМС) зависимости их радиационной стойкости от режима работы, функционального состояния, конструктивно—технологических и схемотехнических параметров ИМС. Рассматриваются методики построения критериальных функций принадлежности базовых элементов для ИМС различной технологии. Даны алгоритмы прогнозирования переходных и остаточных радиационных эффектов в ИМС.
Ключевые слова: отказ цифровых систем, нечеткий цифровой автомат Брауэра, радиационная стойкость.
Анализ содержания и специфика методов прогнозирования работоспособности электронной компонентной базы (ЭКБ), задачи уровней описания и проектирования, а также взаимосвязанность работ по этапам и уровням, показывают на предпочтительность описания и проектирования ЭКБ на структурном и функционально-логическом уровнях, так как на этих уровнях формируются решения, определяющие качество системы, содержание и направление работ на следующих уровнях проектирования, базирующиеся на трех основных компонентах: методе проектирования, способе принятия решений и совокупности критериальных функций принадлежности (КФП) по критерию радиационной стойкости (РС), используемых для их решений [1].
Методы прогнозирования поведения цифровых ЭКБ при радиационных воздействиях связа-
ны, как правило, с использованием теории вероятности, из которой можно выделить методы теории информации и надежности [2]. При этом модели отказа ЭКБ на сегодняшний день рассматриваются в рамках теории надежности [3]. Также следует отметить, что использование приведенных обобщенных показателей надежности для построения моделей отказа не всегда оправдано, что связано с лежащим в ее основе предположением о пороговом характере отказов [2], в то время как радиационные отказы ЭКБ носят не пороговый и немонотонный характер. Такие отказы являются следствием непрерывных физических процессов в материалах ЭКБ при облучении [4]. В качестве примера можно привести зависимость числа отказавших ячеек памяти БИС ОЗУ от уровня облучения (рис. 1); "окна" радиационного защелкивания: "щелевые" функциональные
отказы биполярных и п-МОП БИС [5]. Также следует отметить, что теория надежности оперирует только внешними проявлениями в моделируемом объекте [2]. В результате этого физические процессы, происходящие в ЭКБ под действием облучения, и внутренние закономерности изменения доминирующих параметров в явном виде не учитываются. Отсутствие такого учета ограничивает их применение при проектировании стойкой ЭКБ.
Таким образом, существующие общепринятые показатели качества функционирования ЭКБ не покрывают весь спектр радиационных эффектов применительно к ЭКБ. В связи с этим возникает необходимость разработки моделей для анализа радиационного поведения ЭКБ на основе обобщенных моделей качества функционирования, позволяющих учесть ее особенности.
Существующие в настоящее время модели на электрическом уровне описания радиационного поведения ЭКБ не характеризуют их работоспособность в полной мере и поэтому не могут быть использованы для построения моделей качества функционирования ЭКБ, так как их применение ограничивается количеством элементов в ЭКБ [6]. Поэтому решение таких задач необходимо искать в классе обобщенных моделей на функционально-логическом уровне описания. Однако, классические модели цифровых автоматов [7] не обеспечивают адекватности описания поведения ЭКБ при облучении вследствие отсутствия возможности прямого учета показателей стойкости от уровня и характера воздействия. В этом случае анализ ра-
N0
800
600
400
200
/р1 * Б0
1 \
)1 * Л \ )4
гуБ0 я/ /
и * .».А* У * \ -Б
5-100
101
2 3
4 5 6
Рис. 1. Зависимости числа отказавших ячеек памяти в КМОП БИС ОЗУ К537РУ6 от относительной величины поглощенной дозы ионизирующего излучения:
1, 2 — БИС ОЗУ облучались в активном режиме при записи в накопитель — поле "0" (Б0) и поле "1" (Б1); 3, 4 — БИС ОЗУ облучались в пассивном режиме при записи в накопитель — Б0 и Б1
диационного поведения ЭКБ с использованием обобщенных моделей на функционально-логическом уровне предполагает рассмотрение моделей на каждом из уровней описания. Из существующих методов анализа наиболее перспективным является иерархический подход [8], обусловленный тем, что требования к работоспособности ЭКБ в условиях излучения формируются с точки зрения выполняемых функций. Прямое описание взаимодействия излучения с материалом элементной базы ЭКБ возможно только на языке физических моделей и поэтому затруднено вследствие больших размерностей решаемых задач [9].
Из вышеприведенного анализа следует, что методы проектирования радиационно-стойких ЭКБ должны существенно отличаться от общепринятых физико-топологических, схемотехнических и функционально-логических подходов, традиционно используемых в разработке ЭКБ. При этом, описание и выбор методов проектирования ЭКБ должны определяться как спецификой, так и видом воздействия, однозначно связанных с критериями работоспособности на всех уровнях описания. Такие требования реализуются, если перейти к функционально-логическому моделированию радиационных отказов ЭКБ, которое основано на моделях нечеткого цифрового автомата Брауэра [10]:
АБ = (X, У, М, О, (1)
где Х и У — векторы входов и выходов, соответственно; М — вектор критериальных функций принадлежности; О — вектор внутренних состояний; ^в и Ип — функции входа и перехода, соответственно.
В этом случае критериальная функция принадлежности (КФП) определяется аналитически через метрические критериальные соотношения, заданные на языке моделей электрического уровня, и обеспечивает взаимосвязь между электрическим и функционально-логическим уровнями модельного описания. При этом КФП позволяет выделить и представить первичные показатели работоспособности на языке моделей электрического уровня и обеспечить их взаимосвязь с показателями работоспособности функционально-логического уровня модельного описания ЭКБ, которые описываются набором логико-математических операций на всем множестве входных, выходных наборов сигналов и множестве внутренних состояний ЭКБ.
Выбор методов описания радиационного поведения ЭКБ на основе анализа их функциональных и конструктивных особенностей определяется набором моделей каждого уровня иерархии. Поскольку конкретный тип иерархии и структура
0
межуровневых связей определяется не только свойствами ЭКБ, но и спецификой поставленной задачи, то корректное решение такой проблемы невозможно только в классе предметных моделей без привлечения формальной конструкции описания моделируемой ЭКБ [11]. Роль такой конструкции выполняет алгебраическая модель описания работоспособности объекта, через которую реализуется количественное сопоставление оценок, полученных из соподчиненных (в рамках выбранной для ЭКБ иерархии) вспомогательных критериальных отношений предметных моделей разных уровней в масштабах единой истинностной шкалы [12]. Каждый критерий такого функционально-логического уровня отображается в частные критерии более низкого уровня, порождая набор подкритериев, характеризующих радиационную стойкость ЭКБ на данном уровне модельного описания. Критерии функционирования объекта исследования обычно задаются в виде параметрического или вероятностного показателя стойкости в зависимости от вида воздействия, технологии изготовления элементной базы и задач, решаемых в процессе моделирования. Наиболее часто используется параметрический показатель радиационной стойкости вследствие детерминированного характера типичных для ЭКБ радиационных эффектов. Исходя из сказанного, данный подход находит применение для использования функционально-логического моделирования радиационных отказов ЭКБ, основанный на модели нечеткого цифрового автомата Брауэра (1).
В связи с этим для расчетно-эксперименталь-ного моделирования радиационной стойкости ЭКБ наиболее предпочтительно использовать метод критериальных функций принадлежности (КФП), в котором каждому логическому состоянию ЭКБ сопоставляется функция принадлежности Ц/(Я), характеризующая истинность принадлежности его логическому "0" или "1" и определяемая по критериям работоспособности [10]. Принципиальные отличия данного метода от традиционных методов заключаются в возможности учета в явной форме в функционально-логических моделях ЭКБ зависимости их радиационного поведения от ви
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.