超大规模集成电路的单粒子效应预估及防护技术研究

发布时间：2020-11-20 07:12

　　 众所周知,数字集成电路被广泛应用于包括航空航天领域在内的各行各业。但是随着半导体工艺的不断发展,器件尺寸的不断缩小,空间辐射对集成电路产生的影响也在显著增加。尤其是对在太空环境中工作的芯片,空间辐射含有的高能粒子,非常容易引发芯片的各种问题,例如脉冲毛刺、比特翻转、功能失效甚至完全烧毁。这些问题对宇航专用集成电路的设计和测试提出了更高的要求。本课题以ISCAS89测试基准电路为主要研究对象,结合近年来单粒子效应研究的主要成果,提出了一种适用于大规模数字电路的单粒子效应评估方案。其具体的方案为:1)首先,建立SPICE(Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis)级别的单粒子注入模型,注入到基本门级电路元件,分析单粒子效应对数字电路的影响;2)其次,使用SPICE EDA工具,对基于中芯国际180nm工艺的ISCAS89测试基准电路进行仿真,再进行数字模型的提取,将单粒子效应的模型转变为Verilog HDL语言描述的数字逻辑模型;3)然后,通过替换原始测试电路的门级电路单元,实现仿真单粒子效应对大规模数字电路影响,从而建立了大规模数字电路在单粒子效应发生时的仿真和评估流程;4)最后,为达到超大规模电路的仿真和分析的目的,本课题还使用Python作为自动化的分析和处理工具,为电路自动生成电路模块和测试文件以减轻工作量。基于上述研究成果,本课题最终实现了从单个晶体管到超大规模数字电路级别的完整分析,还可以通过脚本工具自动生成仿真和测试文件,并可以在任何一种支持Verilog HDL语言仿真的EDA工具进行仿真。然后,本课题还分别对使用三模冗余技术、自刷新寄存器技术加固后的电路和原始电路进行了对比仿真验证。通过仿真发现,未使用加固技术的S27电路在发生单粒子效应时的错误率为0.39%,而使用三模冗余技术和自刷寄存器技术加固后,电路的错误率分别下降到了0.12%和0.13%,仿真结果符合逻辑,验证了单粒子效应评估测试方案的有效性。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN47
【部分图文】：

图 1.1 范艾伦辐射带艾伦辐射带的形状接近于一个甜甜圈，该辐射带由内辐射带与外辐射带两层辐其中，内辐射带的高度约在 1500 到 8000 公里的范围，外辐射带的高度范围00 公里之间。范艾伦辐射带主要是由地球磁场所俘获的大量电子，质子，以及成，这些粒子的能量从 1MeV 到 100MeV 不等。这些高速运动的粒子携带大这些粒子会对卫星，飞船等航天器内的电子设备造成很大的损害。由于粒子能护困难，卫星在轨道运行时通常会避开这两个辐射带。在穿越该辐射带时，部关闭部分敏感设备以确保机内电子设备运行的稳定和安全[3]。 银河宇宙射线河宇宙射线通常是指来自于宇宙深处的射线，高能粒子流等。通常而言，银河源都是太阳系外的各种天体活动。这些高能粒子流携带的能量覆盖了 10 6 范围。银河宇宙射线主要包括了大量的质子， 粒子以及一些少量的重金属宇宙射线内粒子携带的能量极高，这些粒子能够击穿集成电路芯片，对飞船卫

范艾伦辐射带的形状接近于一个甜甜圈，该辐射带由内辐射带与外辐射带两层辐。其中，内辐射带的高度约在 1500 到 8000 公里的范围，外辐射带的高度范围在000 公里之间。范艾伦辐射带主要是由地球磁场所俘获的大量电子，质子，以及组成，这些粒子的能量从 1MeV 到 100MeV 不等。这些高速运动的粒子携带大此这些粒子会对卫星，飞船等航天器内的电子设备造成很大的损害。由于粒子能防护困难，卫星在轨道运行时通常会避开这两个辐射带。在穿越该辐射带时，部会关闭部分敏感设备以确保机内电子设备运行的稳定和安全[3]。.2 银河宇宙射线银河宇宙射线通常是指来自于宇宙深处的射线，高能粒子流等。通常而言，银河来源都是太阳系外的各种天体活动。这些高能粒子流携带的能量覆盖了 10 6 1量范围。银河宇宙射线主要包括了大量的质子， 粒子以及一些少量的重金属离河宇宙射线内粒子携带的能量极高，这些粒子能够击穿集成电路芯片，对飞船卫的运行稳定性和宇航员的安全性有着很大的危害[4]。

南京航空航天大学硕士论文阳宇宙射线宇宙射线（solarcosmicrays）是指那些来自于太阳的活动所产生的射线高能粒子。通常而言，太阳活动主要指的是耀斑活动，太阳宇宙射线的子，也包括少量的其他核成分。构成太阳宇宙射线的粒子的能04MeV 之间 5 。太阳宇宙射线发生的概率在太阳活动的高峰年以及之后高峰。在耀斑活动的高峰期间，太阳宇宙射线每年可以发生多次。历史宇宙射线事件发生在 1956 年 2 月 23 日，其能量达到了 2*10 10eV。虽分能够被地球本身的磁力屏蔽掉，但是对于执行太空任务的飞船和航天量能量的粒子流还是有有很强的损伤作用 6 。
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本文编号：2891137