Разработка средств автоматизации проектирования сложных функциональных блоков микроэлектроники с учетом воздействия отдельных ядерных частиц

На правах рукописи

ПОТАПОВ Игорь Петрович

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
СЛОЖНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ

05.13.12 – Системы автоматизации проектирования

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Воронеж – 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Антимиров Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Стародубцев Виктор Сергеевич,

кандидат технических наук, доцент

Крюков Валерий Петрович

Ведущая организация Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 25 декабря 2008 г. в 1200 на заседании диссертационного совета Д 212.034.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» по адресу: 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ауд. 118.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия».

Автореферат разослан 24 ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Е.А. Аникеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время изделия микроэлектроники широко применяются в различных областях, в том числе и в космической технике.

Эксплуатация в космических летательных аппаратах сопряжена с целым рядом проблем, связанных с обеспечением стойкости к внешним воздействующим факторам к которым относятся радиационное воздействие, механические перегрузки, изменение температуры.

Эти проблемы возникли с начала космической деятельности человека. Потребовалось обеспечивать стойкость, прежде всего к радиации, целого набора изделий микроэлектроники. Однако, несмотря на большой накопленный опыт в данном направлении, задача обеспечения стойкости является не менее актуальной. Это связано с общим развитием уровня технического прогресса, внедрением новых и совершенствованием существующих технологических процессов, пересмотром требований по составу и параметрам ионизирующих излучений (ИИ), вследствие уточнения реальной радиационной обстановки из-за изменения условий эксплуатации.

В последнее время развитие микроэлектроники привело к резкому уменьшению проектных норм, увеличению степени интеграции и внедрению передовых методов проектирования с использованием макрофрагментов, которые получили название сложные функциональные блоки (СФ блоки). В результате на одном кристалле стало возможным реализовать несколько СФ блоков. Это привело к созданию специализированных сверхбольших интегральных схем типа «система на кристалле» (СнК).

Учитывая малые размеры активных областей в данных изделиях, там стали в большей степени проявляться так называемые одиночные события. Это радиационные эффекты, причиной возникновения которых является взаимодействие отдельной (одной) ядерной частицы с активной областью прибора. Данные эффекты относятся к новому классу микродозиметрических радиационных эффектов в электронных приборах и носят вероятностный характер. Из-за этого необходимо уточнить существующие и создать новые модели радиационных эффектов, разработать алгоритмическое и программное обеспечение.

Таким образом, для создания радиационно-стойких микросхем в области теории и разработки САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали своего решения.

Диссертация выполнена по программам важнейших работ Министерства образования и науки по планам НИР и ОКР ФГУП НИИЭТ: «Трикута, «Трикута-2Р», «Модуль - РХ», «Танк-5», «Гармонизация», «Истра-7НИИЭТ» и др., а также в соответствии с межвузовской научно-технической программой И.Т.601 «Перспективные информационные технологии в высшей школе» и научному направлению ГОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (ВГЛТА) «Разработка средств автоматизации управления и проектирования (в промышленности)» № ГР 1528/100031.

Цель работы состоит в создании средств проектирования в виде комплекса методов, моделей, алгоритмов и программ моделирования одиночных событий за счет радиационного воздействия для современных комплементарных СБИС (КМОП СБИС), выполненных по субмикронной технологии.

Для ее достижения необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния средств автоматизации проектирования, физических и математических моделей, описывающих одиночные события, определить проблемы и направления их развития.

2. Сформулировать требования, определить целевые задачи и методику проектирования СФ блоков специализированных КМОП СБИС, выполненных по субмикронной технологии.

3. Обосновать выбор структуры проблемно-ориентированной программной платформы автоматизации проектирования СФ блоков специализированных КМОП СБИС, выполненных по субмикронной технологии.

4. Разработать математические модели поведения СФ блоков КМОП СБИС при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства на схемотехническом и функционально-логических уровнях.

5. Разработать алгоритмическое обеспечение расчета стойкости СФ блоков КМОП СБИС, провести программную реализацию разработанных средств и их интеграцию в единую программную среду проектирования КМОП СБИС космического назначения.

6. С помощью разработанных средств разработать типовую библиотеку элементов, с использованием которой осуществить проектирование радиационно-стойких микросхем, что позволит оценить их эффективность.

Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы: теория вычислительных систем, автоматизации проектирования; аппарат вычислительной математики. А также теория построения программ; методы модульного, структурного и объектно-ориентированного программирования; имитационное, структурное и параметрическое моделирование; экспертные оценки, вычислительные эксперименты.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

- методика автоматизации проектирования СФ блоков;

- математические модели локальных радиационных эффектов;

- модели прогнозирования поведения базовых элементов КМОП СФ блоков на воздействие отдельных заряженных частиц;

- алгоритмы и программное обеспечение прогнозирования работоспособности СБИС.

Научная новизна. В результате проведенного исследования получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- методика автоматизации проектирования СФ блоков специализированных КМОП СБИС космического назначения, отличающаяся возможностью моделирования одиночных событий для современных изделий микроэлектроники в соответствии с КГС «Климат-7»;

- математические модели локальных радиационных эффектов в чувствительном объеме элемента КМОП СБИС, учитывающие одиночные события за счет радиационного характера в соответствии с КГС «Климат-7» для СБИС высокой степени интеграции, выполненных по субмикронным технологиям;

- средства прогнозирования реакции типовых элементов КМОП СФ блоков на воздействие отдельных заряженных частиц, отличающиеся возможностью моделирования одиночных событий в соответствии с требованиями КГС «Климат-7» с учетом современных конструктивных решений субмикронной технологии, универсальностью и адекватностью описания их характеристик на всех этапах иерархического процесса проектирования;

- алгоритмы и программное обеспечение прогнозирования работоспособности СБИС при их эксплуатации в условиях космического пространства, отличающихся комплексным учетом одиночных событий.

Практическая значимость и результаты внедрения. Предложенные методы, средства и программные продукты для комплексного проектирования КМОП СБИС двойного назначения внедрены на ОАО «ВЗПП-С», ФГУП «НИИЭТ». Анализ результатов внедрения показал их высокую эффективность.

Разработанный комплекс методов, моделей, алгоритмов и программного обеспечения позволяют существенно увеличить возможности проектирования СБИС с учетом радиационной стойкости. Основной практический вывод диссертационной работы заключается в создании средств проектирования современной элементной базы, выполненной по субмикронной технологии, учитывающих одиночные события за счет радиационного воздействия, реализованных на единой методологической платформе, что позволяет широко их распространить на предприятиях аналогичного профиля.

Разработанные средства позволили расширить библиотеку элементов радиационно стойких СБИС, которая послужила основой создания нескольких серий современных СБИС, имеющих высокий уровень стойкости.

Полученные результаты внедрены в Воронежском институте высоких технологий на кафедре информационных систем и технологий в виде программно-аппаратных комплексов, которые эффективно используются для проведения лабораторных работ, курсового и дипломного проектирования, подготовки аспирантов и переподготовке преподавателей и специалистов.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях по выполнению НИР и ОКР на головных предприятиях электронной промышленности.

Основные результаты работы докладывались на: международных научно-технических конференциях «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий» (Москва 2005, 2006); «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006); «Высокие технологии энергосбережения» (Воронеж, 2006); «Современные проблемы создания технических средств противодействия терроризму и преступности» (Воронеж, 2006); российских конференциях «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2005, 2006); «Стойкость» (Москва 2006, 2008), «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж 2008).

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 32 работы, включая 6 работ в журналах, определенных ВАК, монографию. Общий объем всех публикаций 236 с (лично автором выполнено 141 с).

Десять публикаций выполнены без соавторов, личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве заключается в определении целей и задач работы, разработке моделей и алгоритмов, в выполнении научно-технических исследований и анализе их результатов, в разработке основных элементов ее внедрения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения списка литературы и приложения. Материалы диссертации изложены на 130 страницах, включая 105 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 3 таблицы, список литературы из 106 наименований и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первом разделе проведен анализ современного состояния микроэлектроники, физических процессов в КМОП СБИС, которые наблюдаются при воздействии отдельных ядерных частиц; состояния средств автоматизации проектирования микроэлементной базы. Рассмотрены проблемы моделирования одиночных событий и поставлена задача исследования.

Электронная промышленность – одна из приоритетных областей экономики любой страны, в которой в последнее время произошли революционные преобразования.

Рассматривая объекты проектирования можно утверждать что современный уровень полупроводниковой технологии, с проектными нормами менее 350 нм, позволил размещать на кристалле десятки и сотни миллионов транзисторов (с возможностью реализовывать на кристалле одновременно: процессоры, память, цифровую логику, аналого­вые узлы, интерфейсы и т.д.). Это привело к созданию специализированных сверхбольших интегральных схем типа «система на кристалле» (СнК). Она представляет собой сложную интегральную схе­му, объединяющую все основные функцио­нальные элементы: процессорные ядра, разнообразные контроллеры ввода/вывода, память с контроллерами и другие компоненты. Отличительной чертой СнК является то, что основные функциональные блоки проек­тируются как часть интегрированного целого.

Учитывая функциональную сложность, степень интеграции и значительные средства, которые вкладываются в процесс проектирования и разработки СнК методы проектирования и производства должны были измениться в сторону увеличения производительности, бездефектности и сокращения времени реализации проекта и финансирования.

В качестве фундаментального метода повышения производительно­сти проектирования было предложено повторное использование интел­лектуальной собственности (IP) или СФ блоков. Данный метод позволял сократить сроки реализации проекта и обеспечить бездефектность, но при этом встала задача стандартизации и сертификации блоков.

Рассматривая микроэлектронику двойного назначения следует отметить, что уменьшение проектных норм существенно снижает радиационную стойкость и надежность изделий. В частности, при уменьшении проектных норм до 0,35 мкм существенными становятся микродозиметрические эффекты, вызванные воздействиями отдельных ядерных частиц (ОЯЧ), которые получили название «одиночные события». Для их учета необходимо включить аппарат моделирования таких эффектов в процесс проектирования.

Одиночные события — радиационные эффекты, причиной возникновения которых является взаимодействие отдельной ядерной частицы (иногда говорят о тяжелых ядерных частициах) с активной областью прибора. Они относятся к новому классу микродозиметрических радиационных эффектов в электронных приборах и носят вероятностный характер.

Все одиночные события при воздействии классифицируют на обратимые и необратимые (катастрофические). Для их описания принципиальной является статистическая природа взаимодействия излучения с веществом в микрообъемах элементов. Поэтому одиночные события относятся к микродозиметрическим эффектам.

Анализ современных средств автоматизации проектирования показал, что отечественные разработки, позволяющие моделировать одиночные события, практически отсутствуют, а современное зарубежные, имеющие в своем составе средства учета одиночных событий, приобрести фактически невозможно, так как производители САПР хотят сохранить лидерство в ближайшей и долговременной перспективе.

Следовательно, для создания радиационно стойкой элементной базы необходима разработка собственных средств проектирования, которые учитывали бы рассмотренные явления. При этом одним из ключевых моментов является разработка методов проектирования, моделей прогнозирования радиационных эффектов алгоритмического и программного обеспечения.

Поэтому поставлена задача разработки средств автоматизации проектирования изделий микроэлектроники с учетом статических видов радиации космического пространства

Во втором разделе определена методика автоматизированного проектирования микроэлементной базы с учетом одиночных событий за счет радиационного характера; методы определения стойкости СФ блоков к одиночным событиям и моделирование одиночных событий радиационного воздействия в КМОП структурах.

Рассмотрим методику проектирования.

Процесс разработки начинается с идентификации целей и задач, выполняемых проектируемой системой, определяются основные эксплуатационно-технические свойства. На основании этих свойств создается системная спецификация.

На системном уровне решаются следующие задачи: минимизация покрытия логической функции; создается и анализируется высокоуровневая поведенческая мо­дель всей системы; выбирается макроархитектура будущей СБИС: программируемые IP-ядра, шины, контроллеры, память и т.д.; проводится анализ тестопригодности; разрабатываются спецификации на проектирование СБИС цели­ком и отдельных блоков.

Затем осуществляется проектирование цифровых и аналоговых блоков отдельно. При проектировании цифровой части решаются следующие задачи: RTL-кодирование - разработка функционального описания блока на языках VHDL или Verilog (может выполняться как в ручном, так и в автоматизированном режимах); RTL-моделирование; логический синтез — процесс автоматизированного создания электрической (логической) схемы на базе RTL-описания и библиотек элементов логического уровня; логическое моделирование; определяются параметры типовых элементов в зависимости от внешнего воздействия ОЯЧ; схемотехнический анализ и моделирование.

Схемотехническое моделирование заключается в определении времени переключения типовых элементов, нагрузочных способностей, помехоустойчивости и др. В методике предложено вычислять их в том числе и за счет радиационного воздействия, температуры и других внешних факторов. Это позволяет получить «реальные» значения задержек, нагрузочных способностей и параметров моделирования, соответствующих определенным внешним воздействующим факторам: дозе радиации, температуре и т.п.

Затем производится верификация электрической схемы путем расчетов узлов в ней по SPICE подобным программам.

Учитывая то, что вычислительные возможности не позволяют провести верификацию всей схемы на схемотехническом уровне, проводится повторная функционально-логическая верификация, генерация тестов, поиск и анализ дефектов. Предложено проводить ее уже с реальными параметрами элементов, соответствующими их деградации при определенных уровнях облучения, температуре окружающей среды, временем потери работоспособности отдельных элементов и т.п. Таким образом, учитываются радиационные эффекты на функционально-логическом уровне.

Проводится верификация топологии. При подготовки блока к интеграции обычно добавляют в топологию специальные экранирующие области для защиты от «сильношумящей» цифровой части, технологических символов и т.д.

На выходе маршрута должны быть получены: топология (GDSII или DFII), список цепей (EDIF, Verilog, VHDL, DFII) и произ­водственные тесты. Кроме того, в ходе реализации проекта должны быть получены IP блоки.

В работе рассмотрены методы оценки стойкости к одиночным событиям и их моделирование. Учитывая вероятностный характер микродозиметрических эффектов необходимо определить частоту сбоев и величину заряда, который собирается по треку воздействующей частицы, форму и величину тока ионизации. Частота сбоев даст вероятность возникновения одиночных событий для данного изделия, а величина заряда, форма и величина тока ионизации необходима для моделирования поведения элемента.

В общем случае ионизационная реакция элемента СБИС опреде­ляется дрейфовыми и диффузионными процессами собирания заря­да p-n-переходе с трека ОЯЧ. Ионизационная реакция элемента микросхемы может быть представлена выражением следующего вида: , где U(t) – напряжение на выходе отдельного элемента, Q – заряд от ОЯЧ, С – внутренняя эффективная емкость, t – время, – время, характеризующее быстродействие отдельного элемента.

Локальные радиационные эффекты возникают в случае, если выде­ленная в чувствительном объеме элемента СБИС энергия превышает пороговую для данного элемента величину. Оценка вероятно­сти появления эффекта Pi в отдельном i-том элементе может быть определена из соотношения:

(1)

где F — флюенс ядерных частиц; Ve, Se — объем и поверхность чувствительного элемента; fi(E) — плотность первичных иониза­ционных потерь ядерной частицы в чувствительном микрообъеме; fj{E) — плотность ионизационных потерь вторичных ядерных ча­стиц — продуктов ядерных реакций, ПВА; Ео, Ejo – пороговые энер­гии переключения элемента для первичных и вторичных ядерных ча­стиц (в большинстве случаев Ео = Ej0); Em, Ejm — максимальные энергии первичной и вторичной ядерной частицы; m — количество механизмов образования вторичных ядерных частиц; l – количество ядерных частиц продуктов ядерных реакций; k – сечение k-того механизма рассеяния; No – концентрация атомов в одном см2.

На практике часто используется упрощенное выражение

(2)

где (LET) – сечение эффекта для отдельного элемента; (LET) - нормированная плотность распределения ЛПЭ для рассматрива­емого потока тяжелых заряженных частиц.

Прогнозирование частоты и вероятности возникновения одиночных сбоев при воздействии тяжелых заряженных частиц с заданными спектрально-энергетическими характеристиками, кроме порогового значения ЛПЭ L0, необходимо также знать значение сечения насыщения 0. Если известны эти два параметра, то в соответствии с РД В 319.03.38-2000 определяются остальные параметры и вычисляется аппроксимирующая зависимость сечения сбоев от ЛПЭ, и рассчитывается частота сбоев по формуле

, (3)

где ion(L) — дифференциальный ЛПЭ-спектр тяжелых заряженных частиц, см–2с–1(МэВсм2/мг)–1; (L) — зависимость сечения событий от ЛПЭ тяжелых заряженных частиц, которая обычно аппроксимируется функцией Вейбулла.

В качестве 0 можно взять площадь торцевой поверхности цилиндрического чувствительного объема, для которого проводилось моделирование сбора заряда:

0 = R2. (4)

Можно также воспользоваться известным соотношением, характерным для статических ОЗУ, между площадью запоминающей ячейки SЗЯ и топологической нормой проектирования lT

SЗЯ [мкм2]  300(lT [мкм])2, (5)

и считать сечение насыщения равным площади запоминающей ячейки. Такой подход будет давать завышенное значение 0, а следовательно — завышенное значение частоты возникновения событий, однако с точки зрения обеспечения стойкости изделий к эффектам ОС это является вполне оправданным.

Следует также отметить, что при вычислении частоты возникновения событий по формуле (3) берется сечение сбоев, приходящееся на корпус. Для этого сечение, приходящееся на одну запоминающую ячейку, умножается на информационную емкость (общее количество бит) моделируемой СБИС.

Для моделирования сбора заряда из трека тяжелых заряженных частиц в случае нормального падения тяжелых заряженных частиц по центру области сбора заряда предложена следующая модель.

Вначале решается система уравнений относительно концентрации носителей заряда в чувствительном объеме

; (6)

; (7)

; ; (8)

; (9)

(10)

(11)

(12)

где n и р — полные концентрации носителей электронов и дырок,, а n0 и р0 — начальные равновесные концентрации носителей, D - коэффициент диффузии (D1 и D2 – соответственно электронов и дырок), - время жизни, Ce и Сh - Оже-коэффициенты для кремния составляют порядка 210–31 см6/с, L - линейные потери энергии ТЗЧ.

Данная задача решается численно для различных значений ЛПЭ, падающих частиц, которые определяют начальную концентрацию электронно-дырочных пар в треке.

Затем вычисляется диффузионный ток неосновных носителей заряда (электронов) через верхнюю торцевую поверхность цилиндрического чувствительного объема:

. (13)

Получив значения тока, проводят его интегрирование:

, (14)

чтобы определить собранный заряд частицы.

Таким образом рассчитывается для заданного значения ЛПЭ падающих частиц форма импульса ионизационного тока и зависимость собранного заряда от времени после попадания частицы.

После того как получена зависимость собранного заряда от значения ЛПЭ отдельных или тяжелых заряженных частиц, может быть определено пороговое значение ЛПЭ тяжелых заряженных частиц для одиночных обратимых сбоев. В качестве порогового выбирается такое значение ЛПЭ, при котором собранный заряд равен заряду переключения логического состояния КМОП-триггера, для которого проводится моделирование. Величина заряда переключения обычно известна: как правило, она рассчитывается на этапе разработки конструкции и технологии СБИС.

В третьем разделе рассмотрено моделирование одиночных событий на схемотехническом и функционально-логическом уровнях, предложен алгоритм расчета стойкости СБИС.

Получив значения величины заряда и сравнив его с пороговым зарядом для переключения элемента, определяют возможность возникновения сбоев. Время протекания переходных процессов рассчитывают из величины и формы тока ионизации.

Для этого полученные ранее значения тока ионизации должны быть включены в качестве дополнительных элементов в электрическую схему. Ток ионизации в МОП – транзисторе проявляется в p-n переходе «Сток – Подложка». Вследствие чего происходит кратковременное увеличение тока стока и уменьшение порогового напряжения МОП-транзистора, что вызывает переключение логического состояния на выходе логических элементов.

Статический режим работы МОП-транзистора характеризуется нулевым током затвора Ig=0 и током подложки Ib. Предложено ввести ток ионизации токи, тогда токи стока и истока описываются следующими выражениями:

(15)

Ток Iis – ток ионизации, величина и форма которого определена ранее, Idrain определяется соотношениями:

(16)

Beta = 0,5210-3W/L – крутизна проходной характеристики; W – ширина канала; L – длина канала;

, (17)

где VTO – пороговое напряжение при Vbs=0, оно составляет 1В; PHI – поверхностный потенциал сильной инверсии, 0,6В; GAMMA – коэффициент влияния потенциала подложки на VTO; KRP1 – коэффициент, учитывающий влияние радиации;

(18)

EPS0 = 8,8610-12 Ф/м – диэлектрическая проницаемость; EPSSi = 11,7 EPS0 – диэлектрическая проницаемость кремния; Na = 104NSS – уровень легирования подложки; СОХ – удельная ёмкость оксида = EPS0Х/ТОХ; EPS0Х = 3,9 EPS0; ТОХ – толщина оксида затвора.

Для области обратного смещения (Vds < 0).

(19)

где . (20)

Параметр LAMBDA характеризует наклон выходной характеристики транзистора в области насыщения.

Моделирование изменения выходных параметров PМОП и NМОП – транзисторов является основой для моделирования базовых КМОП – элементов. Такое моделирование осуществляется с помощь библиотеки элементов, используемой на схемотехническом уровне. Для этого необходимо стандартную библиотеку дополнить элементами, позволяющими моделировать ОС, начиная от основных элементов И, ИЛИ, НЕ, регистров, счетчиков, дешифраторов и заканчивая моделями IP блоков. Если модели IP блоков приобретаются, то происходит процесс декомпозиции. Сложные функциональные блоки разбиваются на относительно простые, в которых можно проводить моделирование, затем происходит их синтез и получается IP блок, который учитывает ток ионизации радиационного характера.

При моделировании на функционально-логическом уровне проводится анализ переходных и установившихся процессов.

Для анализа переходных процессов используется относительное время t, равное отношению абсолютного времени к длительности такта Т. Процесс изменения параметров элементов описывается уравнением

V' = F(V, U), (21)

где U = U (t) – входные переменных; V – выходные переменные для момента времени t; V' – выходные переменные для момента t+, где — задержка распространения сигнала в элементе.

Для анализа установившихся состояний используется система логических уравнений, если в (18) отож­дествить V и V':

V=F(V, U). (22)

Переменные в логических уравнениях (18) и (19) являются дискретными величинами, которые принимают значения М={0,1, X, D, E}, 0 – значение логического нуля, 1 – значение логической единицы, D — значение сигнала при переключении 1 в 0 (с единичного уровня на нулевой); Е — то же при переключении из 0 в 1; X — неопределенное значение.

В работе представлены алгоритм расчета стойкости изделий к одиночным событиям, который включает несколько этапов: определение наиболее чувствительных элементов для возникновения одиночных событий, определение формы импульса тока и величины заряда, собираемого в треке частицы, перерасчет параметров модели транзистора, моделирование на схемотехническом и функционально-логическом уровнях, при котором определяется стойкость изделия, расчет частоты возникновения одиночных событий.

В четвертом разделе рассмотрены структура, особенности реализации программных средств и их интеграции в САПР сквозного проектирования, определена оценка точности и эффективность разработанных средств, описано методическое обеспечение и результаты внедрения.

В результате проведенных работ создано программное обеспечение моделирования одиночных событий, которое интегрировано в комплекс программ учета космического радиационного излучения. В результате комплекс программ состоит из трех составляющих: базовой, учета дозы и вновь разработанного обеспечения для учета одиночных событий.

Основные модули комплекса следующие:

- базовые: интерфейс пользователя – INTER; управления комплексом в целом – MONITOR, электронные обучающие средства – HELP, графической поддержки - GR;

- проблемно-ориентированного программное обеспечение моделирования статических факторов космического пространства: расчета дозовых характеристик радиационного воздействия – Dos; расчета параметров транзисторных структур – PR; расчет параметров неисправных элементов – RN;

- проблемно-ориентированное программное обеспечение моделирования одиночных событий: VM - анализ и выбор структуры с минимальными размерами активных областей; Q_o - расчет заряда при возникновении одиночных событий; I_o - расчет величины и формы тока ионизации; Qp_o - расчет порогового заряда; N_o - расчет частоты одиночных событий.

Средства проектирования реализованы на базе высокопроизводительных серверов Sun Sparc, работающих под управлением операционной системы Unix (Solaris 8 v.7), рабочих станций и Х-терминалов с использованием серверов баз данных и приложений.

Для оценки точности были проведены экспериментальные исследования поведения изделий при воздействии одиночных событий на моделирующих установках, которые в дальнейшем сравнивались с результатами расчета. Расчет проводился на СБИС нескольких серий микросхем. Расхождение результатов расчета и экспериментальных данных не превышало погрешности оценки дозиметрии – 20 %.

Проведенные исследования позволили создать иерархическую библиотеку типовых и функциональных элементов с учетом радиационного воздействия, что явилось основой для проектировать СБИС: микропроцессорных комплектов серий 1867, 1882, 1874, 1830 и др. Результаты работ по проектированию и созданию СБИС показали высокую эффективность разработанных средств.

Разработанные средства рекомендованы к распространении для предприятий аналогичного профиля и внедрены на ОАО «ВЗПП-С», ФГУП «НИИЭТ», Воронежском институте высоких технологий в виде программно-аппаратного комплекса.

Экономический эффект от внедрения данных средств составляет несколько миллионов рублей (акт внедрения ФГУП НИИЭТ (г. Воронеж).

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты работы:

1. Проведён анализ САПР, учитывающих моделирование радиационных эффектов, физических процессов в КМОП микросхемах при возникновении одиночных событий, и определены проблемы и направления их развития.
2. Разработана методика проектирования СФ блоков КМОП СБИС, позволяющая моделировать одиночные радиационные эффекты космического характера с учетом современных конструктивных решений и субмикронной технологии, а также требований комплекса государственных стандартов «Климат-7».
3. Обоснованы требования и выбор структуры проблемно-ориентированной программной платформы автоматизации проектирования СФ блоков специализированных КМОП СБИС, обеспечивших учет радиационных эффектов, требований стандарта «Климат-7» и унификацию программных средств.
4. Разработаны математические модели физических процессов одиночных событий в КМОП полупроводниковых структурах, позволяющие учесть радиационные эффекты субмикронных технологий в соответствии с КГС «Климат-7».
5. Разработаны математические модели прогнозирования поведения типовых элементов СФ блоков КМОП СБИС при возникновении одиночных событий в соответствии с требованиями КГС «Климат-7» с учетом современных конструктивных решений субмикронной технологии, универсальностью и адекватностью описания их характеристик на всех этапах иерархического процесса проектирования.
6. Разработано алгоритмическое обеспечение расчета стойкости СФ блоков КМОП микросхем в процессе их проектирования, включающее в себя все предложенные математические средства, позволяющие учитывать одиночные события в комплексе, выявить наиболее чувствительные к данным эффектам области СФ блока, и тем самым, дать возможность повысить стойкость с помощью специальных мер.
7. Разработано методическое обеспечение средств комплексной автоматизации проектирования, проведена программная реализация разработанных средств и их интеграция в единую программную среду проектирования КМОП СБИС.
8. С помощью разработанных средств создана библиотека типовых элементов специализированных КМОП СБИС, на основе которой проектируются радиационно-стойкие микросхемы.
9. Определены методы повышения радиационной стойкости СФ блоков КМОП СБИС к одиночным событиям.
10. Анализ поведения СБИС в условиях радиации позволил создать несколько серий микросхем, с повышенной радиационной стойкостью, которые нашли применение в космических летательных аппаратах и ракетной технике.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ
В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Стариков, А.В. Унифицированный информационный интерфейс и его реализация в комплексной САПР [Текст] / А.В. Стариков, П.П. Куцько, И.П.Потапов // Программные продукты и системы – 2007 – № 2. – С.37 - 38.

2. Потапов, И.П. Кинетика накопления зарядов в структуре Si/SiO2 [Текст] / И.П. Потапов // Системы управления и информационные технологии. - N4.2(26), 2006. - С. 266-268.

3. Потапов И.П. Средства автоматизации проектирования радиационно-стойкой элементной базы [Текст] / И.П.Потапов, А.В.Ачкасов, В.К.Зольников // Вопросы атомной науки и техники. Серия 8. 2006. – Вып.1-2. – С.147 - 149.

4. Зольников, В.К. Создание отечественной проектной среды разработки микроэлектронных систем [Текст] / В.К.Зольников, В.Н.Ачкасов, П.Р.Машевич, И.П.Потапов // Вестник ВГТУ. Системы автоматизации проектирования. 2006. Вып.2. - №3. – С.9 – 11.

5. Зольников, В.К. Моделирование физических процессов в конструкции микроэлектронных приборов после воздействия радиации [Текст] / В.К.Зольников, В.Н.Ачкасов, И.П.Потапов, Д.Г.Хорюшин // Вопросы атомной науки и техники. Серия 8. 2006. – Вып.1-2. – С.58 - 62.

6. Ачкасов, В.Н. Технические средства дизайн центра проектирования универсальных и специализированных радиационно стойких микросхем [Текст] / В.Н. Ачкасов, И.П. Потапов, А.В. Ачкасов // Приводная техника – 2006 – №4. - с. 52-55.

Монография

7. Потапов, И.П. Автоматизация проектирования комплементарных микросхем с учетом одиночных событий [Текст]: монография / И.П.Потапов, В.М.Антимиров, Ю.К.Фортинский, К.И.Таперо – Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 2007.- 165 с.

Статьи и материалы конференций

8. Потапов, И.П. Проектирование элементной базы нового поколения. [Текст] / И.П.Потапов, В.К.Зольников // Труды всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве». – Воронеж. ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет». – 2008. – С. 59-60.

9. Потапов, И.П. Моделирование воздействия тяжелых заряженных частиц [Текст] / И.П.Потапов, В.Н.Ачкасов, К.И.Таперо // Материалы Российской конференции «Стойкость-2008». – Москва: МИФИ. - 2008.- С.122-123.

10. Потапов, И.П. Моделирование воздействия тяжелых заряженных частиц на микросхемы [Текст] / И.П.Потапов // Труды всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве». – Воронеж. ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». – 2007. –С. 32-33.

11. Потапов, И.П. Методика оценки стойкости изделий микроэлектроники [Текст] /И.П.Потапов // Труды международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» Воронеж. Воронежская государственная технологическая академия. – 2007. – Т.6. –С. 46 – 48.

12. Таперо, К.И. Моделирование воздействия тяжелых заряженных частиц [Текст] /К.И.Таперо, И.П.Потапов // Труды российской конференции «Стойкость-2007». Москва: МИФИ. – 2007. –С. 63-64.

13. Потапов, И.П. Методика оценки стойкости изделий микроэлектроники [Текст] /И.П.Потапов // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления: Межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж: ВГЛТА, 2007. - С. 46-48.

14. Потапов, И.П. Методика оценки стойкости изделий микроэлектроники [Текст] /И.П.Потапов, В.К.Зольников // Межвузовский сборник научных трудов «Моделирование систем и информационные технологии».– Воронеж: Издательство «Научная книга» - 2007. Вып. 4. – С. 229 - 231.

15. Потапов, И.П. Обоснование архитектуры интегрированной информационной среды проектирования радиационно-стойкой элементной базы [Текст] / И.П.Потапов, П.Р.Машевич // Информационные технологии моделирования и управления. 2007. – № 3(37). – С.354 - 356.

16. Потапов, И.П. Моделирование радиационных эффектов в структуре Si/SiO2 [Текст] /И.П.Потапов, // Моделирование систем и процессов – Воронеж: Издательство воронежский госуниверситет - 2006. Вып.1. – С. 49 - 53.

17. Потапов, И.П. Архитектурные решения для проектирования радиационно-стойкой элементной базы [Текст] / И.П. Потапов // Труды международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» Воронеж. Воронежская государственная технологическая академия. Том 10. – 2006. –С. 164-165.

18. Потапов, И.П. Средства проектирования радиационно-стойкой элементной базы [Текст] / И.П. Потапов // Труды всероссийской конференции «Новые технологии». – Воронеж. Воронежский государственный технический университет. – 2006. –С. 11.

19. Потапов, И.П. Архитектура САПР радиационно-стойкой элементной базы [Текст] / И.П. Потапов // Межвузовский сборник научных трудов «Моделирование систем и информационные технологии».– Воронеж: Издательство «Научная книга» - 2006. Вып.3. Ч.2. – С. 226 - 227.

20. Потапов, И. П. Модели учета импульсных видов радиации для СБИС систем контроля безопасности [Текст] / И.П.Потапов, А.И.Яньков // Материалы международной научно-практической конференции «Современные проблемы борьбы с преступностью. Радиотехнические науки». – Воронеж: Воронежский институт МВД. - 2006. Выпуск 2.- С.62.

21. Потапов, И.П. Моделирование статических радиационных эффектов в КМОП приборах [Текст] / И.П.Потапов, В.Н. Ачкасов, П.Р.Машевич // Межвузовский сборник научных трудов «Моделирование систем и информационные технологии».– Воронеж: Издательство «Научная книга» - 2006. Вып.3. Ч.2. – С. 221 - 223.

22. Потапов, И.П. Архитектура интегрированной информационной среды дизайн-центра проектирования элементной базы [Текст] / И.П.Потапов, В.К.Зольников, А.Н.Зольникова, В.И.Анциферова // Материалы X Международной конференции «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий. – М: Издательство «Радио и связь». – 2006. Часть 1 – С.25.

23. Ачкасов, В.Н. Библиотека элементов для проектирования радиационно-стойких изделий [Текст] / В.Н.Ачкасов, И.П.Потапов// Материалы Российской конференции «Стойкость-2006». – Москва: МИФИ. - 2006.- С.123-124.

24. Ачкасов, В.Н. Процессы перераспределения тепла после воздействия импульса излучения [Текст] / В.Н.Ачкасов, И.П.Потапов// Материалы Российской конференции «Стойкость-2006». – Москва: МИФИ. - 2006.- С.125-126.

25. Ачкасов А.В. Проектирование радиационно-стойких изделий в САПР ИЭТ [Текст] / А.В.Ачкасов, И.П.Потапов, Д.Г.Хорюшин, В.К.Зольников // Материалы Российской конференции «Стойкость-2006». – Москва: МИФИ. - 2006.- С.127-128.

26. Яньков, А. И. Методы оценки стойкости СБИС, применяемых для систем контроля безопасности [Текст] / И.П.Потапов, А.И.Яньков // Материалы международной научно-практической конференции «Современные проблемы борьбы с преступностью. Радиотехнические науки». – Воронеж: Воронежский институт МВД. - 2006. Выпуск 2.- С.97.

27. Зольников, В.К. Создание микроэлементной базы двойного назначения [Текст] /В.К.Зольников, И.П.Потапов, А.Н.Зольникова, В.И.Анциферова // Материалы X Международной конференции «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий. – М: Издательство «Радио и связь». – 2006. Часть 1 – С.26.

28. Потапов, И.П. Современное состояние проектирования элементной базы [Текст] /И.П.Потапов, А.В. Ачкасов // Информационные технологии моделирования и управления. 2005. – № 7(25). – С.1039 - 1042.

29. Потапов, И.П. Обоснование архитектуры интегрированной информационной среды проектирования радиационно-стойкой элементной базы [Текст] / И.П.Потапов, П.Р.Машевич // Информационные технологии моделирования и управления. 2005. – № 7(25). – С.1002 - 1005.

30. Потапов, И.П.Энергосберегающая информационная среда проектирования радиационно-стойкой элементной базы [Текст] /И.П. Потапов, В.К.Зольников, С.В.Светов // Материалы международной конференции «Высокие технологии энергосбережения». – Воронеж: Издательство ВГТУ, 2005. С.11-12.

31. Потапов, И.П. Микропроцессор на одном кристалле для создания отказоустойчивых высокопроизводительных масштабируемых однородных вычислительных систем бортовых радиоэлектронных комплексов авиационных и космических аппаратов [Текст] / Потапов И.П., Данильченко Н.В.// Тезисы докладов 4-ой международной конференции «Авиация и космонавтика – 2005». – М: Издательство МАИ, 2005. С.36.

32. Потапов, И.П. Архитектура и структура информационной среды проектирования радиационно-стойкой элементной базы [Текст] /И.П. Потапов // Промышленная информатика ВГТУ. – 2005. – С.45 - 46.

Просим Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, направлять по адресу: 394613, г.Воронеж, ул.Тимирязева, 8, ГОУ ВПО «ВГЛТА», ученому секретарю. Тел / Факс (4732)-53-67-05.

Потапов Игорь Петрович

Разработка средств автоматизации проектирования сложных функциональных блоков микроэлектроники с учетом воздействия отдельных ядерных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подп. в печать17 ноября 2008г. Формат 60*841/18. Обьем 1 п.л. Заказ № 935
Тираж 100 УОП ВГЛТА 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8.