SRAM存儲器抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固設(shè)計技術(shù)研究.pdf

1、CMOS集成電路持續(xù)縮小帶來的變化已經(jīng)使靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random Access Memory, SRAM)對空間和地面環(huán)境中的中子、質(zhì)子、α粒子及宇宙射線等的電離福射效應(yīng)更加敏感，導(dǎo)致多單元翻轉(zhuǎn)（Multiple Cell Upsets, MCUs)和多節(jié)點翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象成為了影響SRAM存儲器可靠性的主要因素之一。因此，抗輻射加固技術(shù)也需要繼續(xù)改進來適應(yīng)工藝持續(xù)的縮小。目前，主流的集成電路工藝是標(biāo)準(zhǔn)商用CMOS工藝。在

2、與該工藝相兼容（不需要額外的工藝步驟來制造集成電路芯片）的情況下，SRAM存儲器的抗輻射加固技術(shù)主要是米用設(shè)計來進行加固（Radiation Hardened by Design, RHBD)。在本論文中，主要采用系統(tǒng)級和電路級這兩種RHBD技術(shù)來對基于CMOS工藝的SRAM存儲器進行抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固的設(shè)計。本論文的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面：
　　(1)為了糾正S R A M存儲器中的MCUs，可以使用一些較為復(fù)雜的錯誤糾錯碼來

3、對其進行糾錯保護，但是主要問題是這些糾錯碼需要更多的額外冗余。在本文中，研究了十進制矩陣碼技術(shù)加固SRAM存儲器的方案，提出了基于分塊結(jié)構(gòu)的新型低冗余十進制矩陣碼來提高存儲器的可靠性。首先，將字在邏輯上分為多個塊并排成一個2-D矩陣；然后，對于每一行采用十進制算法來獲得最大的錯誤探測能力，對于每一列采用二進制算法來降低編譯碼電路的面積冗余；同時，為了降低錯誤糾錯碼譯碼器的硬件冗余，使用了編碼器復(fù)用技術(shù)。該技術(shù)使用錯誤糾錯碼的編碼器來作為

4、譯碼校正子計算器的一部分，在降低譯碼器面積冗余的同時又不影響正常的編碼和譯碼操作，即在編碼（寫）階段，錯誤糾錯碼的編碼器只作為編碼器來進行編碼操作；而在譯碼（讀）階段，錯誤糾錯碼的編碼器被譯碼器調(diào)用進行校正子的計算。最后，驗證表明所構(gòu)造的十進制矩陣碼可以對存儲器中5位的MCUs進行容錯，從而使其擁有非常高的故障容錯能力；
　　(2)一步大數(shù)邏輯可譯碼由于具有低的復(fù)雜度和較小的延遲，已經(jīng)成為了眾多糾正多單元翻轉(zhuǎn)方法中一個不錯的選擇。

5、但是，這些碼需要較多的冗余位，即可存儲有效數(shù)據(jù)位的個數(shù)相對較少。在本文中，將雙可遷不變碼和漢明碼混合構(gòu)造了一種新型低冗余、高碼率的混合碼來解決上述問題。首先，使用了穿孔技術(shù)來提高該碼的碼率，使存儲器可以存儲更多位的信息位；然后，為了降低混合碼的平均譯碼時間，使用編碼器復(fù)用技術(shù)構(gòu)造了一個錯誤探測模塊來加速譯碼速率；最后，構(gòu)造了具有雙錯誤糾正能力的（64，42)混合碼，且將其與其它一些具有雙錯誤糾正能力的糾錯碼進行性能比較。結(jié)果證明，構(gòu)造的

6、高碼率混合碼不僅可以有效地糾正多單元翻轉(zhuǎn)，還可以降低整個存儲器的冗余；
　　(3)粒子以一定角度轟擊S R A M存儲器產(chǎn)生的電荷能夠引發(fā)電荷共享而產(chǎn)生多節(jié)點翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。隨著CMOS工藝技術(shù)持續(xù)縮小到納米尺寸，電荷共享效應(yīng)也越來越嚴(yán)重。因此，傳統(tǒng)的抗輻射加固的存儲單元正面臨著多節(jié)點翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象的威脅，設(shè)計新的、具有抗多節(jié)點翻轉(zhuǎn)能力的存儲單元的要求也越發(fā)迫切。在本文中，利用單粒子翻轉(zhuǎn)的脈沖極性（當(dāng)輻射粒子轟擊PMOS晶體管的時候，只能產(chǎn)生

7、一個向上的瞬態(tài)脈沖；當(dāng)輻射粒子轟擊NMOS晶體管的時候，只能產(chǎn)生一個向下的瞬態(tài)脈沖）及晶體管版圖布局，設(shè)計了兩個抗多節(jié)點翻轉(zhuǎn)的12管存儲單元（RHM-N和RHM-P單元），其主要優(yōu)點是能夠容錯在任意一個單節(jié)點上發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)；能夠在不考慮存儲值的情況下容錯多節(jié)點翻轉(zhuǎn)；工藝波動并不影響其抗輻射能力，以及具有低功耗的特點。
　　進入21世紀(jì)以來，RHBD技術(shù)已經(jīng)成為了一種廣泛應(yīng)用的抗輻射加固技術(shù)，它可以有效地降低集成電路的抗輻射加固