一種抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)的自刷新三模冗余觸發(fā)器

曹 靚，田海燕，王 棟

（中國電子科技集團第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，工藝尺寸日漸縮減，集成電路內(nèi)部的晶體管密度不斷增大。在航天等領(lǐng)域，電路在空間應(yīng)用時單粒子效應(yīng)的影響也隨著工藝發(fā)展而愈加顯著。另外，隨著電路工作頻率的不斷提高以及工作電壓的降低，不但會導(dǎo)致存儲器類電路發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)(SEU)，而且會使數(shù)字電路中的單粒子瞬態(tài)脈沖(SET)越來越嚴(yán)重[1-3]。

SET效應(yīng)是因宇宙空間里高能粒子沖擊電路而產(chǎn)生的瞬時電壓或電流脈沖，對電路產(chǎn)生擾動的效應(yīng)，會導(dǎo)致至少3種錯誤：

（1）SET脈沖通過某些模擬電路會被放大，形成更強的錯誤信號；

（2）SET脈沖被存儲器、觸發(fā)器、寄存器等捕獲，造成數(shù)據(jù)存儲錯誤；

（3）SET脈沖發(fā)生在時序邏輯中時，會使電路產(chǎn)生錯誤節(jié)拍，導(dǎo)致電路時序紊亂。

圖1所示為SET效應(yīng)在0.18 μm CMOS電路中產(chǎn)生的脈沖[4]。SET效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖寬度是隨著電源電壓的降低而變大的，最大能到納秒級。而在SET加固方法上，傳統(tǒng)采用的時間冗余、保護門等方法會增加電路的面積與功耗，僅適合于小規(guī)模數(shù)字電路，對于超大規(guī)模集成電路如CPU、FPGA等，需要一種更高效的方法來減小SET效應(yīng)的影響。

圖1 0.18 μm工藝SET效應(yīng)產(chǎn)生擾動的脈寬

本文基于帶自刷新功能的三模冗余觸發(fā)器[5]，提出一種抗SET脈沖的加固設(shè)計結(jié)構(gòu)。該設(shè)計并不需要對每一個輸入通路都進行時間冗余或保護門等方法進行加固，而是在其自刷新表決器上進行改進，從而實現(xiàn)對SET效應(yīng)的加固。

2 帶自刷新功能的三模冗余設(shè)計

圖2所示的三模冗余觸發(fā)器，其特點為在3路并行觸發(fā)器每個帶反饋的存儲結(jié)構(gòu)里，均包含表決器設(shè)計，3路觸發(fā)器共包含6個表決反饋結(jié)構(gòu)，每個表決結(jié)構(gòu)相互獨立，互不干擾[5]。A、B、C、Q、Q0、Q1中任何一個節(jié)點發(fā)生SEU錯誤，都會被另外兩路正確信號糾正，并且這個糾正過程是即時的，不需要等待時鐘或其他信號驅(qū)動，從而達到SEU加固的目的。

圖2 帶自刷新功能的三模冗余設(shè)計

雖然該設(shè)計的觸發(fā)器可以針對SEU效應(yīng)進行很好的加固，但是當(dāng)外部輸入信號如D、CLK還有置位/復(fù)位等通路上信號因SET效應(yīng)而產(chǎn)生干擾脈沖時，由于SET干擾信號可以同時影響3路存儲單元，該結(jié)構(gòu)就不能將其糾正，因此不具備SET加固效果。

3 傳統(tǒng)抗SET效應(yīng)加固設(shè)計方法

傳統(tǒng)的抗SET設(shè)計加固方法多采用時間冗余或保護門結(jié)構(gòu)[6]，如圖3和圖4所示。

圖3 時間冗余結(jié)構(gòu)加固

圖4保護門結(jié)構(gòu)加固

圖3 和圖4所示的加固結(jié)構(gòu)，其基本原理都是通過將原先的一路信號分成多路（一般2～3路），讓信號在增加的通路上傳播時增加一定的時間延遲（ΔT），在輸出端將原信號和增加了ΔT時間的信號進行比較判斷，將SET脈沖產(chǎn)生的擾動濾除。延遲ΔT的時間即為該結(jié)構(gòu)可以濾除的SET脈沖的最大寬度，在設(shè)計時需要確保ΔT足夠大，從而保證較好的加固效果。

從上述兩種結(jié)構(gòu)的工作原理來看，使用時需要在系統(tǒng)的每個關(guān)鍵路徑上加入上述結(jié)構(gòu)，如果電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號路徑較多，必然會給電路帶來極大的額外面積和功耗，這對于大規(guī)模集成電路而言是難以接受的。并且，上述兩種結(jié)構(gòu)都還需要加入其他的輔助設(shè)計結(jié)構(gòu)，同時也會增加面積和功耗。

4 抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)的自刷新三模冗余觸發(fā)器設(shè)計

在圖2所示的自刷新三模冗余觸發(fā)器基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)SET加固采用的時間冗余、保護門結(jié)構(gòu)的加固思路，對圖4結(jié)構(gòu)中圓圈標(biāo)識的表決器進行改進。通過在表決器輸入的3路信號中的非自身反饋的2個通路上分別引入ΔT和2ΔT的延時來對SET干擾進行濾除，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于該設(shè)計直接針對單元存儲結(jié)構(gòu)進行，所以不需要對每一路輸入信號進行加固，比較適于在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號較多的情況下進行加固應(yīng)用。其工作原理在于，雖然外部SET干擾信號會同時輸入并行的3個存儲單元，但在存儲的反饋環(huán)路上由于ΔT和2ΔT的存在，信號不會同時進行表決。因此，小于ΔT時間的干擾脈沖將不會被存儲下來，觸發(fā)器存儲的信息不會因此被改寫，從而在SEU加固的同時達到SET加固的目的。

圖5 抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)的自刷新三模冗余觸發(fā)器設(shè)計

5 仿真驗證

仿真工具采用Hspice，仿真模型選用中芯國際0.18 μm工藝進行了仿真分析，仿真結(jié)果如圖6所示。圖6中d為觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入信號，q為數(shù)據(jù)輸出，ck為驅(qū)動時鐘，set為觸發(fā)器置位信號，clr為觸發(fā)器復(fù)位信號。從仿真結(jié)果看，設(shè)計的抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)的自刷新三模冗余觸發(fā)器對輸入信號產(chǎn)生的干擾脈沖可以通過延時表決結(jié)構(gòu)進行濾除，濾除的最大脈沖寬度達到2.6 ns，如圖7所示，達到了抗單粒子瞬態(tài)脈沖加固需求。

6 試驗驗證

采用該觸發(fā)器結(jié)構(gòu)的試驗電路經(jīng)單粒子試驗，在輻射環(huán)境下，以10 MHz工作頻率、2000級觸發(fā)器量級的邏輯功能進行工作，可達到37 MeV·cm2/mg下無邏輯錯誤。試驗結(jié)果證明加固效果明顯。

圖6 抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)的自刷新三模冗余觸發(fā)器功能仿真圖

圖7 抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)的自刷新三模冗余觸發(fā)器濾波延時

7 總結(jié)

隨著半導(dǎo)體工藝的進步、工作頻率的增加以及工作電壓的降低，大規(guī)模集成電路在空間應(yīng)用時對單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)越來越敏感。在SET加固方法上，傳統(tǒng)采用的時間冗余、保護門等方法已不適用于大規(guī)模數(shù)字電路。為此，本文提出了一種基于帶自刷新功能的三模冗余觸發(fā)器進行改進的設(shè)計結(jié)構(gòu)，通過在三模冗余觸發(fā)器的每一個存儲反饋回路中的表決器輸入的3路信號中，將其中非自身反饋的2個通路上分別引入ΔT和2ΔT的延時來對SET干擾進行濾除。該方法為抗輻射大規(guī)模集成電路的抗單粒子瞬態(tài)輻射效應(yīng)加固設(shè)計提供了新的思路。