纳米尺度下低功耗抗辐射加固SRAM设计研究

发布时间：2020-11-14 08:07

　　 随着片上系统的密度越来越高,现代应用需要越来越多的存储器模块,其占据了芯片相当一部分面积。随着工艺尺寸的缩减,辐射导致的单粒子效应对集成电路的损伤在持续增加。当这些粒子入射半导体器件的时序电路时,晶体管的漏斗效应和寄生效应使得总电荷量倍增,从而产生足够的能量,使得随机存取存储器(SRAM)的逻辑值发生翻转,这种现象被称作单粒子翻转。由于纳米工艺尺寸缩减,工作电压降低,导致翻转所需的临界电荷量随之减少,先进的半导体技术对辐射引发的软错误愈发敏感。而SRAM单元占据了现代处理器和片上系统的近90%的区域,因此,在设计具有鲁棒性的系统时,针对SRAM单元的防护和加固必不可少。为提升电路对单粒子翻转效应的加固能力,本文深入研究了纳米尺度下CMOS集成电路的单粒子效应加固技术,提出了一种低功耗高可靠性的多节点翻转加固方案,主要工作如下:本文提出了一种具有软错误自恢复能力的12管SRAM单元,该单元精简了常用的存取管,并且内部包含稳定结构,因此具有高鲁棒性、低功耗的优点。在65nm CMOS工艺下,该结构能够完全容忍单节点翻转,容忍双节点翻转的比例是64.29%。与经典的抗辐射加固单元DICE单元相比时,该结构双节点翻转率降低了30.96%。该单元的操作电流以及功耗性能较优,与其他抗辐射加固SRAM单元(如DICE、Quatro单元等)相比,该单元的读操作电流平均下降了77.91%,动态功耗平均下降了60.21%,静态电流平均下降了44.60%,亚阈值泄漏电流平均下降了27.49%,故本文提出的单元适用于低功耗的应用场合。并且在稳定性方面,面对噪声、电压、工艺等环境波动时,本文所提出的单元都具有良好的稳定性。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN432;TP333
【部分图文】：

如图1.1 所示为 SRAM 阵列在片上系统所占的比例变化图。存储器作为存储程序代码和数据的记忆设备，是应用最广的通用集成电路产品，其市场规模已然超过 CPU，约占集成电路市场的 28.5%[5]。我国集成电路产品的进口额，约四分之一的产品是存储器。存储器发展于 20 世纪 60 年代的美国；80年代日本通过发展存储器，成为集成电路强国；90 年代，韩国利用同样的机遇，成为存储器方面的霸主[6]。如今，我国也在抓住发展存储器的机遇，来争取集成电

图 1. 2 自然辐射环境示意图Fig 1.2 The natural radiation environment阳辐射射线阳辐射射线主要由下面几种太阳活动所产生。太阳在黑子活动高峰烈活动。同时释放大量带电离子，以极快的速度进入地球的空间环造成危害，这种现象即为太阳风现象。日冕物质抛射将大量物质和电太阳表面上方的空间中，行进的冲击波会引起地磁风暴，可能会破坏对卫星和空间站设施造成损害。当太阳表面加速带电粒子（主要是体介质相互作用时，就会发生耀斑，进而导致大量带电粒子的加速地球环境带来威胁。河辐射射线河系中心发现了几种伽马射线辐射源，“电离辐射”效应将电子从原子的速度向外抛射物质[14]。辐射粒子的能量能达到 3×1020eV，具有极致使地球上的电子设备发生软错误。

第二章 单粒子效应相关知识收集到数百飞库伦的电荷[36]。离子主要依靠漂移和扩散作用在 MOS 器件中被。如果收集到的电荷与节点上存储的电荷量相当，那么就会产生一个瞬态尖峰，称为单粒子瞬态 SET。如果累积电荷量超出临界电荷值 Qc，就可能使节点辑值翻转，引起单粒子翻转。由 SET 以及 SEU 引发的故障在电路中都属于软。尽管随着晶体管尺寸的缩小，收集在 p-n 结上的电荷量减少，但节点的临界也随之降低，总趋势是软错误率更高。
【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 韩建伟;封国强;余永涛;马英起;上官士鹏;陈睿;朱翔;;K6R4016V1D芯片在低地球轨道发生单粒子效应频次的分析[J];空间科学学报;2015年01期

2 王一奇;赵发展;刘梦新;吕荫学;赵博华;韩郑生;;基于RHBD技术的深亚微米抗辐射SRAM电路的研究[J];半导体技术;2012年01期

3 马寅;;航天用SRAM型FPGA抗单粒子翻转设计[J];航天器环境工程;2011年06期

相关硕士学位论文 前1条

1 王博;抗辐射加固SRAM设计[D];西安电子科技大学;2015年

本文编号：2883263