Transcript Метод автоматизированного схемотехнического

Научно-исследовательский институт
системных исследований РАН
Метод автоматизированного
схемотехнического моделирования
эффектов воздействия тяжелых
заряженных частиц на современные
КМОП ИМС
И.А. Данилов, Б.В. Василегин, П.Н. Осипенко
Разработан метод автоматизированного схемотехнического
моделирования эффектов воздействия тяжелых заряженных частиц на
современные КМОП ИМС, позволяющий существенно сократить
временные затраты на нахождение узлов ИМС, являющихся критическими
с точки зрения рассматриваемых эффектов.
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
1
Введение

Попадание в чувствительную область транзистора тяжелых
заряженных частиц (ТЗЧ) – один из основных факторов,
приводящих к сбоям в управляющих системах космических
аппаратов

Схемотехническое моделирование эффектов вызываемых
попаданием ТЗЧ является актуальной проблемой

На данный момент не существует инструмента для
автоматизированного схемотехнического моделирования этих
эффектов
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
2
Существующий метод моделирования эффектов
от воздействия тяжелых заряженных частиц с
помощью SPICE-симуляторов
Ионизационный ток от пролетающей частицы моделируется в
эквивалентной
схеме
генератором тока, включенным
параллельно p-n переходу стока
Ионизационный ток
определяется формулой:
I ioniz (t , Q0 ) 
Q0
 F  R

t
t 
exp(
)

exp(
)



R
F 

XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
3
Преимущества и недостатки метода
моделирования эффектов от воздействия ТЗЧ с
помощью SPICE-симуляторов

Достоинства метода:
 Совпадение (качественно) с формой реального импульса
 Возможность непосредственно варьировать при анализе
стойкости к воздействию ТЗЧ параметр Q0 (значение
собранного заряда) и определять его критическое значение

Недостатки метода:
 Необходимость изменять схему для моделирования
и как следствие:
 Высокая трудоёмкость и временные затраты при
моделировании
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
4
Основная цель
Разработать
новые
и
совершенствовать
существующие
методы
схемотехнического
моделирования эффектов от воздействия на
чувствительную область транзистора ТЗЧ и
инструментов на их основе, встроенных в
стандартный маршрут проектирования
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
5
Применение метода

Автоматизация анализа запоминающих и логических
элементов на стойкость к ТЗЧ

Выявление критических узлов в блоках ИМС

Ускорение и упрощение процесса разработки
схемотехнических методов повышения сбоеустойчивости

Исследование эффектов от воздействия ТЗЧ в динамическом
режиме
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
6
Идея метода автоматизированного
схемотехнического моделирования эффектов от
воздействия ТЗЧ с помощью SPICE-симуляторов



Источник тока встраивается
непосредственно в модель транзистора
Управление осуществляется
параметрами, задающимися оператором
Автоматически учитывается потенциал
сток-подложка (сток-карман)


Преимущества
Нет необходимости изменять исходную схему, достаточно
подключить другую модель
Трудоемкость уменьшается благодаря автоматизации
процесса (параметрическое моделирование всех
транзисторов)
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
7
Встраивание источника тока в модель транзистора
Модель
транзистора
“mos”





Замена
Подсхема
“mos”
Модель транзистора
(с параметрами “mos”)
Verilog-A модуль
источника тока
Источник тока реализуется с помощью Verilog-A модуля
Стандартная SPICE-модель транзистора заменяется на
подсхему (subcircuit) с именем исходной SPICE-модели
В подсхеме параллельно включены стандартная SPICEмодель с параметрами исходной модели и источник тока,
описанный на Verilog-A
Получается модель, которая внешне (для симулятора и
оператора) выглядит как стандартная
Результаты моделирования (при отключенном источнике)
идентичны результатам моделирования исходной модели
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
8
Проблема идентификации

Изучается воздействие тяжелой заряженной частицы на один
(или несколько) транзисторов в схеме

Каждый источник тока «не знает» в каком именно транзисторе
он находится

Возникает проблема – как «объяснить» источникам тока когда
и кому из них включаться?

Из Verilog-A модуля нет доступа во «внешний мир»

Стандартными средствами программ моделирования эта
проблема не может быть решена
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
9
Для решения проблемы идентификации
разработана программа на языке Perl, изменяющая
список соединений

Список соединений (netlist) изменяется таким
образом, что в каждую подсхему (следовательно и в
Verilog-A модуль) передается её иерархическое имя

Теперь источникам тока «известно» где они находятся

С помощью параметра указывается какой источник
должен включаться
Метод позволяет проводить параметрический
анализ с перебором всех транзисторов в схеме
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
10
Алгоритм работы
Исходный
netlist
Преобразованный
netlist
Список имен
транзисторов
Результаты
анализа
Параметрическое
моделирование
Список имен
транзисторов в виде
входных параметров
Параметры,
заданные
пользователем
Perl-скрипт
Моделирование
Параметры, заданные
пользователем: tR, tF, Q0,
tD, режим моделирования
и др.
Алгоритм полностью
совместим со стандартным
маршрутом проектирования
ИМС
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
11
Выигрыш от автоматизации

Скорость моделирования шеститранзисторной
ячейки памяти:
 ~ 7,5 минут/транзистор стандартным методом
 ~ 0,5 минут/транзистор предложенным
автоматизированным методом

Время на подготовительные операции слабо зависит от
количества транзисторов в анализируемой схеме и
составляет порядка 4-5 минут

Результаты моделирования представляются в виде файлов,
что облегчает их дальнейшую обработку
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
12
Ограничения метода

Метод применим в случаях, где применяется
схемотехническое моделирование симуляторами
SPICE-класса

Размер схемы, моделируемой предлагаемым
методом ограничен числом ~ 1000 транзисторов

Программа моделирования должна поддерживать
язык описания аппаратуры Verilog-A
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
13
Результаты моделирования D-триггера
102 точки: 34 транзистора, 3 значения собранного заряда
Время, затраченное на моделирование: 6 минут
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
14
Результаты моделирования буфера
480 точек: 4 транзистора, 6 значений ёмкости нагрузки и 20 значений
собранного заряда. Время, затраченное на моделирование: 5,5 минут
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
15
Автоматизация обработки результатов
моделирования

Разработаны специальные Verilog-A модули:
 отслеживающие пересечение заданного уровня
напряжения, изменение логического состояния и т.п.
 выполняющие запись в файл

Возможна обработка выходных файлов Perl-скриптами при
необходимости
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
16
Зависимость критического заряда буфера
от нагрузочной емкости
270
260
Q0, фКл
250
240
230
220
210
0
20
40
60
80
100
120
Сн, фФ
CН, фФ
5
20
40
60
80
100
Q0, фКл
216
226
237
247
253
263
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
17
Выводы

Разработан метод автоматизированного
схемотехнического моделирования эффектов воздействия
тяжелых заряженных частиц на современные КМОП ИМС

Разработанный метод применим для:
анализа запоминающих и логических элементов
 выявления критических узлов в блоках ИМС
 разработки сбоеустойчивых блоков ИМС
 разработки новых схемотехнических методов повышения
сбоеустойчивости блоков ИМС


Предлагаемый метод полностью совместим со
стандартным маршрутом проектирования
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
18
Продолжение работы

Углубленное тестирование, оптимизация и модернизация
программы-надстройки, реализующей рассматриваемый
метод

Добавление графического интерфейса

Определение параметров импульса тока для конкретной
технологии

Отладка режима моделирования, реализующего случай
работы схемы в условиях постоянной бомбардировки ТЗЧ
по заданному псевдослучайному распределению
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
19
Спасибо за внимание!
контакты:
Данилов И.А., м.н.с. ОРВТ НИИСИ РАН. Email: [email protected]
Василегин Б.В., к.т.н., с.н.с. ОРВТ НИИСИ РАН. Email: [email protected]
Осипенко П.Н., к.т.н., зав. ОРВТ НИИСИ РАН. Email: [email protected]
XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» (СТОЙКОСТЬ-2010)
20