超大規(guī)模集成電路內(nèi)部單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)仿真

王紅敏，董 濤，寧生科

(1.西安工業(yè)大學(xué)工業(yè)中心，陜西西安 710021；2.西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，陜西西安710021)

1 引言

現(xiàn)在的超大規(guī)模集成電路特征尺寸已經(jīng)可以縮小到深亞微米乃至納米級(jí)維度。這種情況雖然會(huì)使得制造的電子設(shè)備，體積小、重量輕、功耗低、可靠性高的，但是對(duì)空間輻射環(huán)境也會(huì)隨之變得更加敏感[1]。集成電路特征尺寸越小，敏感程度越高?？臻g輻射環(huán)境下，會(huì)引起電路內(nèi)部單粒子效應(yīng)日漸嚴(yán)重。其中，單粒子翻轉(zhuǎn)是最常發(fā)生的問題，主要發(fā)生在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或指令相關(guān)器件中，引起程序運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。在此背景下，研究超大規(guī)模集成電路內(nèi)部單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)于其抗輻射加固，提高抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于超大規(guī)模集成電路內(nèi)部單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)問題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果有很多。文獻(xiàn)[2]針對(duì)兩款商用SRAM器件進(jìn)行了脈沖激光背部單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)試驗(yàn)，探討了激光聚焦深度，激光脈沖注量，測(cè)試模式和芯片配置數(shù)據(jù)等對(duì)測(cè)試兩者的影響；文獻(xiàn)[3]提出單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估測(cè)試方法，針對(duì)納米器件利用一些束流開展了一系列單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，主要研究了一系列束流參數(shù)及器件參數(shù)條件下對(duì)于單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性的影響。

在前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用脈沖激光模擬輻照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行超大規(guī)模集成電路內(nèi)部單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)分析，探討了激光聚焦深度、激光脈沖注量、測(cè)試模式和芯片配置的數(shù)據(jù)對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)閾值和單粒子翻轉(zhuǎn)截面這兩個(gè)主要翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，分析出超大規(guī)模集成電路的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的規(guī)律性和依賴因素，以期為抗輻射加固技術(shù)提供參考。

2 超大規(guī)模集成電路單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)仿真

在現(xiàn)代智能化、自動(dòng)化和機(jī)械化的發(fā)展，帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。集成電路是其中發(fā)展變化最為明顯的。集成電路，也被稱為或稱微電路、微芯片、晶片/芯片，其作用是將模擬和數(shù)字電路集成在一個(gè)單芯片上，在系統(tǒng)起到中心控制和預(yù)算的作用。隨著要控制的系統(tǒng)越來越復(fù)雜，要求越來越高，簡(jiǎn)單的集成電路已經(jīng)無(wú)法滿足系統(tǒng)需求，因此逐漸從 小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路發(fā)展成超大規(guī)模集成電路。它與一般集成電路最大區(qū)別是邏輯門數(shù)大于10000 門，集成度已達(dá)到600萬(wàn)個(gè)晶體管。然而，隨著集成度的，必然會(huì)壓縮特征尺寸。而特征尺寸的減小，會(huì)使得對(duì)空間輻射環(huán)境的敏感性增加，發(fā)生單粒子效應(yīng)。單粒子效應(yīng)包括單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子鎖定、單粒子燒毀、單粒子?xùn)艙舸┑葞追N。這幾種效應(yīng)特點(diǎn)如下表1所示。

表1 單粒子效應(yīng)類型

在上述表1各種效應(yīng)中，單粒子翻轉(zhuǎn)是最常見的和典型的，因此本文就以該效應(yīng)為對(duì)象進(jìn)行仿真研究。在這里需要用到脈沖激光來模擬空間輻射環(huán)境對(duì)超大規(guī)模集成電路內(nèi)部的影響[4]。

2.1 單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)物理機(jī)制

超大規(guī)模集成電路常用于航空航天領(lǐng)域，這就使得其處于空間輻射環(huán)境下，使得電路深受影響[5]。其物理機(jī)制示意圖如圖1所示。

圖1 單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)物理機(jī)制示意圖

單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)是單粒子翻轉(zhuǎn)率，其定義是指目標(biāo)超大集成電路每天發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的概率，其計(jì)算公式如下

(1)

其中，E0為閾值能量，單位MeV；σp(E)為質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面積，單位cm2/bit；φ(E)為質(zhì)子微分流量[6]。

從式(1)可以看出，單粒子翻轉(zhuǎn)截面積和質(zhì)子微分流量閾值都對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)率產(chǎn)生直接影響，而單粒子翻轉(zhuǎn)截面積和質(zhì)子微分流量閾值則受到激光聚焦深度、激光脈沖注量、測(cè)試模式和芯片配置數(shù)據(jù)的影響[7]。在此情況，本文研究在上述條件下的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)變換情況。

2.2 被測(cè)器件選擇

仿真所選擇的被測(cè)試器件為Xilinx公司生產(chǎn)的28nm HPL硅工藝SRAM型超大規(guī)模數(shù)字集成電路芯片(FPGA)[8]。該芯片邏輯電路如下圖2所示。

圖2 SRAM型超大規(guī)模數(shù)字集成電路芯片邏輯電路

該芯片相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 SRAM型超大規(guī)模數(shù)字集成電路芯片相關(guān)參數(shù)

2.3 測(cè)試平臺(tái)

超大規(guī)模集成電路內(nèi)部單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)分析在自主搭建的脈沖激光模擬輻射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，該平臺(tái)包括輻照設(shè)備(比利時(shí)魯汶大學(xué)的高能粒子加速器)、測(cè)試板、光學(xué)顯微鏡、檢測(cè)設(shè)備[9]。

除了上述硬件外，平臺(tái)中軟件也是必不可少的。常用的仿真軟件如下表3所示。

表3 當(dāng)前常用的仿真軟件

2.4 條件設(shè)置

超大規(guī)模集成電路內(nèi)部單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)仿真測(cè)試條件設(shè)置如下表4所示。

表4 仿真測(cè)試條件設(shè)置

2.5 測(cè)試方法

超大規(guī)模集成電路內(nèi)部單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)測(cè)試流程如下：首先按照表4仿真條件調(diào)試測(cè)試平臺(tái)上的各個(gè)硬件設(shè)備，然后將被測(cè)對(duì)象XilinxVirtex-IIProXC2VP50集成芯片放置到測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試板上并固定，通過調(diào)整測(cè)試板的位置，將被測(cè)對(duì)象移動(dòng)到輻照設(shè)備(比利時(shí)魯汶大學(xué)的高能粒子加速器)發(fā)射激光光束的端口正下方，接著啟動(dòng)輻照設(shè)備，發(fā)射激光，通過測(cè)試板搭載平臺(tái)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，對(duì) XilinxVirtex-IIProXC2VP50 芯片進(jìn)行全自動(dòng)完全掃描[10]。與此同時(shí)，利用檢測(cè)設(shè)備同步記錄單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)并預(yù)先存儲(chǔ)在FLASH當(dāng)中，等待進(jìn)行分析。

2.6 單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)仿真結(jié)果

單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)仿真結(jié)果分析分為兩部分，第一部分進(jìn)行總體效應(yīng)分析；第二部分在按照上述超大規(guī)模集成電路單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)測(cè)試流程，通過調(diào)整激光聚焦深度、激光脈沖注量、測(cè)試模式和芯片配置數(shù)據(jù)等參數(shù)，分析對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)閾值和單粒子翻轉(zhuǎn)截面這兩個(gè)翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響[11]。

2.6.1 同一條件下單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)

XilinxVirtex-IIProXC2VP50集成芯片各敏感單元的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)統(tǒng)計(jì)如表5所示，單粒子翻轉(zhuǎn)極性統(tǒng)計(jì)如表6所示[12]。

表5 單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表6 單粒子翻轉(zhuǎn)極性統(tǒng)計(jì)表

從表5中可以看出，隨著射出的脈沖激光的能量的逐漸增加，XilinxVirtex-IIProXC2VP50集成芯片中三種敏感單元的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)量都在增加，單元翻轉(zhuǎn)概率提高。具體對(duì)比三種具體敏感器件，塊隨機(jī)讀取存儲(chǔ)器單粒子翻轉(zhuǎn)的激光能量閾值要高于可配置邏輯單元與配置存儲(chǔ)器。

從表6中可以看出，隨著射出的脈沖激光的能量的逐漸增加，三種敏感單元的單粒子翻轉(zhuǎn)極性有明顯的區(qū)別。塊隨機(jī)讀取存儲(chǔ)器0～1翻轉(zhuǎn)比率和1～0翻轉(zhuǎn)比率接近0.5，這與理論預(yù)期相同。但是其余二者的0～1翻轉(zhuǎn)比率>1～0翻轉(zhuǎn)比率。造成上述現(xiàn)象的原因是被測(cè)芯片的存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)對(duì)稱。

2.6.2 不同條件下單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)測(cè)試結(jié)果

1)聚焦深度對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響

從表7可知，襯底厚度達(dá)到270μm時(shí)，翻轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)超過襯底厚度為280μm的翻轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)，此時(shí)XilinxVirtex-IIProXC2VP50集成芯片的翻轉(zhuǎn)閾值為60±5 pJ。

表7 不同聚焦深度下的翻轉(zhuǎn)閾值

從圖3中可以看出，僅當(dāng)聚焦到芯片有源區(qū)域時(shí)，才能測(cè)量出最低翻轉(zhuǎn)閾值和最大翻轉(zhuǎn)截面。對(duì)焦深度為80μm時(shí)翻轉(zhuǎn)截面最大，表明對(duì)焦深度為80μm時(shí)激光對(duì)源區(qū)域聚焦。

圖3 不同聚焦深度下的單粒子翻轉(zhuǎn)截面

2)激光脈沖注量對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響

從圖4可看出，不同激光脈沖注入條件下翻轉(zhuǎn)閾值均為5 nJ，表明激光脈沖注入對(duì)翻轉(zhuǎn)閾值測(cè)試沒有影響。在翻轉(zhuǎn)截面試驗(yàn)中，不同的脈沖激光器注量會(huì)產(chǎn)生不同的效果，翻轉(zhuǎn)截面試驗(yàn)時(shí)，脈沖激光器注量應(yīng)小于1×107cm-2。

圖4 不同聚焦深度下的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)

3)測(cè)試模式及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)影響

從圖5可看出，測(cè)試模式和不同的配置數(shù)據(jù)對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)閾值和翻轉(zhuǎn)截面閾都無(wú)影響，測(cè)試時(shí)可不考慮。

圖5 不同測(cè)試模式及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)下的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，超大規(guī)模集成電路的特征尺寸減小的同時(shí)，也使得單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)越加嚴(yán)重。為此，研究超大規(guī)模集成電路內(nèi)部單粒子的翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，以期掌握超大規(guī)模集成電路單粒子翻轉(zhuǎn)規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)，得出了單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)結(jié)果以及不同條件下單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果。

本僅選用了一種超大規(guī)模集成電路，結(jié)果具有一定的局限性。在未來研究中，將選用更多規(guī)格的集成電路，進(jìn)一步完善所研究方法。