（电子科学与技术专业论文）锁相环set效应敏感性分析与设计加固.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u a ld e c r e a s i n go ft h ef e a t u r es i z e s i n g l ee v e n te f f e c t si sd o m i n a t i n g t h er a d i a t i o ne f f e c t so fi c s i n g l ee v e n tt r a n s i e n t sc a nd r a m a t i c a l l ya f f e c tt h ep h a s e l o c k e dl o o p s ( p l l s ) ，w h i c ha c ta st h ek e yc o m p o n e n t so fh i 【g hp e r f o r m a n c ec h i p s t h j si m p a c tw i l lf u r t h e r d i s t u r bt h ec l o c kn e t w o r ko ft h ew h o l ec h i p t h u s i th a sg a i n e d e x t e n s i v ea t t e n t i o no nt h eh a r d e n i n gt e c h n i q u eo fp l lc i r c u i t s i th a sb e e na l li m p o r t a n t ，h o w e v e rd i f f i c u l t ，i s s u et oq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z et h es e t s i np l l s ，f o rt h ec i r c u i tc o m p l e x i t ya n dv a r i e df a c t o r sa f f e c t i n gt h ep h e n o m e n o n t l l i s p a p e ru s e saq u a n t i t a t i v ev i e wt or e s e a r c ha n dh a r d e nt h ep l lc i r c u i t s ，i n c l u d i n gw o r k s a n di n n o v a t i o n sa sb e l o w ： 1 f o rt h ef i r s tt i m ee v e r a na u t o m a t i cs e ta n a l y s i sp l a t f o r mi sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e dt og e taf u l lu n d e r s t a n d i n go f t h es e t r e s p o n s e sb ym e a n so fl a r g es c a l eo f h s p i c es i m u l a t i o n s t h ep l a t f o r mh a st h ef e a t u r e so fc i r c u i tt o p o l o g ye x t r a c t i o nd i r e c t l y f r o ms p i c en e t l i s t ，s i m u l a t i o ns c r i p t sa u t o m a t i cg e n e r a t i o na n df l e x i b l em e c h a n i s mt o c o n f i g u r et h et 0 0 1 b e s i d e s ，t h ep l a t f o r mt a k e sg o o da d v a n t a g eo fd i r e c t o r ya n df i l e s m a n a g e m e n t ，a n dc o n q u e r e dt h e “m e m o r yw a l l h a r d e ri nl a r g es c a l es i m u l a t i o na n d d a t ap r o c e s s i n g 2 n l ep a p e rp u t sf o r w a r de f f e c t i v em e t r i c st og u i d e l i n et h ea n a l y s e s ，a n da1g h z p l ld e s i g n e di n18 0 n ms t a n d a r dc m o sp r o c e s si sf u l l ye v a l u a t e db yt h es e n s i t i v i t y a n a l y s i sp l a t f o n n r e s u i t si n d i c a t et h a tt h et s p cb a s e df r e q u e n c yd i v i d e ri st h em o s t s e n s i t i v em o d u l eo ft h ep l l ，a n dt h ec h a r g ep u m pm a ye x e at h eg r e a t e s ti m p a c to nt h e c o n t r o lv o l t a g eo ft h ev c o m e a n w h i l et h eb i a sc i r c u i to ft h ev c oi sa l s ot h ef r a g i l e p a r t so ft h ep l l h o w e v e r ，t h ep f d ，w h i c hi si m p l e m e n t e di nr sf l i p - f l o p ，h a sg o o d s t r e n g t ha g a i n s ts e t 3 v e r i l o g ab a s e dt e c h n i q u ei sa d o p t e dt oo p t i m i z et h es e n s i t i v i t ya n a l y s e s e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ev e r i l o g ab a s e dm i x e d 1 e v e ls i m u l a t i o ng e t saw e l ls p e e d u pw h i l em a i n t a i n i n gt h eo r i g i n a ld i s t i n c t i o no fs e ts e n s i t i v i t y a sf o rt h ev e r i l o g - a b a s e dl u tm o d e l ，i tg o e sw e l lw i t ht h ec u r r e n td e s i g nf l o wa n di m p r o v e st h es e t p r e c i s i o ni ns p i c e 4 t h ep l lc i r c u i t sa r eh a r d e n e da g a i n s ts e t sa n de v a l u a t e db yt h ea n a l y s i s p l a t f o r m o nt h es o l i db a s i so ft h ee v a l u a t i o nc o n c l u s i o n s ar a d i a t i o nh a r d e n e dp l l i s d e s i g n e da n dt a p e do u ti nr h b dm e t h o d o l o g y e l e c t r i c a lt e s t sm a n i f e s tt h a ti tc a nw o r k w e l lw i t ho u t p u tf r e q u e n c ys p a n sf r o m4 0 0 m h zt o13 6 0 m h z t h ee v a l u a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ep l lh a sb e e ne f f e c t i v e l yi m p r o v e di ne i t h e rt h ew o r s tc a s eo rt h e o v e r a l ls e ts e n s i t i v i t y m o r e o v e r e a c hm o d u l ei sc h e c k e dt ow o r kb e r e ru n d e rs e t s k e yw o r d s - p l l ，s e t ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，v e r i l o g a ，r h b d 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1美国3 9 颗同步卫星故障原因统计1 表2 1 子电路模块统计信息表2 2 表2 2m o s 管子表( m 子表) 2 3 表2 3电路实例子表( x 子表) 2 3 表2 4 敏感性分析平台配置命令一览表2 5 表2 5 条件设置信息表2 8 表2 6 未加固p l l 的主要参数。3 3 表2 7p l l 各电路模块的各项指标最差情况3 5 表2 8p l l 电路各指标数据t o p10 3 5 表2 9 未加固p l l 各个模块各指标的对比情况3 9 表3 1p l l 混合模型参数配置4 5 表4 1 加固p l l 的主要参数5 8 表4 2 加固p l l 的主要指标5 8 表4 3 加固锁相环的引脚定义6 0 表5 1加固p l l 各模块最差情况比较6 6 表5 2 加固p l l 电路各指标数据t o p1 0 6 7 表5 3p l l 加固前后最差情况比较6 7 表5 4 p l l 加固前后各指标t o p1 0 平均值比较6 8 表5 5 加固前后p l l 各模块关于彳比的对比情况7 0 表5 6 加固前后p l l 各模块关于恢复时间的对比情况7 3 表5 7 加固前后p l l 各模块关于最大错误周期数的对比情况7 6 表5 8p l l 加固前后最差情况的改进情况7 7 表5 9 加固后p l l 和各个模块的总体s e t 响应的改善情况7 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图目录 粒子入射p n 结发生电荷收集2 p l l 基本组成结构3 重离子轰击导致v c o 输出振荡中止【l2 1 4 从机理到电路设计的研究建模过程8 本文的主要工作9 本文的组织结构1 0 s e t 效应研究流程1 2 自动化封装后的流程框图1 3 敏感性分析平台的自动控制流程1 4 敏感性分析平台的总体框架1 5 a w k 脚本结构及工作过程1 7 脚本自动生成的总体框图1 9 s e t 效应的等效电流源模型1 9 s p i c e 网表结构示意及树形结构构造过程2 0 电路模拟中产生的冗余节点2 3 对p l l 进行敏感性分析的配置文件样本2 6 多元条件下基于递归策略的目录和脚本生成算法2 8 敏感性分析平台的目录结构3 0 获取s e t 评价数据的p l l 比对方法3 2 未加固锁相环的h s p i c e 模拟锁定过程图3 4 未加固p l l 关于彳眩的累积概率曲线3 6 未加固p l l 关于恢复时间的累积概率曲线3 6 未加固p l l 关于最大错误周期数的累积概率曲线3 7 未加固p l l 各模块么坛累积概率比较图3 7 未加固p l l 各模块关于恢复时间的累积概率比较图3 8 未加固p l l 各模块关于错误周期数累积概率比较图3 8 v e r i l o g a m s 结构4 2 p l l 的结构组成图及混合模型的描述结构4 5 p l l 混合模型输出频率锁定在1 g h z 时的s e t 响应形状一4 6 混合模拟和电路级模拟的收敛过程及s e t 响应形状的比较。一4 7 混合模型和电路级模型得到的控制电压v c 的变化峰值的对比4 7 混合模型与电路级模型模拟时间的对比4 8 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 11 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 针对s e t 效应的模拟技术在速度、精度与模拟规模上采取的技术路线4 9 建立s e t 耦合模型的策略及其不足。4 9 基于v e r i l o g a 的s e t 电流源模型的查找表实现方案。5 l 根据v e r i l o g a 所要求的格式建立的l u t 表格5 2 基于v e r i l o g a 的查找表方法的h s p i c e 模拟结果5 3 采用t m r 技术对p f d 和分频器进行加吲7 4 j 5 5 触发器型p f d 和d 触发器型分频器5 6 采用t m r 加固技术的十六分频器5 6 用于电荷泵s e t 加固的限流电路5 7 辐射加固v c o 结构示意图5 7 加固p l l 的全芯片版图实现5 9 加固p l l 的全芯片模拟锁定情况5 9 加固p l l 芯片的引脚布局图5 9 p l l 芯片测试用p c b 板6 1 p l l 芯片测试环境6 2 p l l 芯片测试实物图6 2 参考时钟分别为2 5 0 m 和5 0 0 m 时的锁定情况6 3 参考时钟分别为6 2 5 m 和8 5 0 m 时的锁定情况6 3 参考时钟达到9 3 5 m 时，锁相环的锁定情况6 4 加固前后p l l 关于彳的累积概率比较图6 8 加固前后c p 模块关于么的累积概率比较图6 9 加固前后v c o 模块关于彳的累积概率比较图6 9 加固前后d i v 模块关于4 的累积概率比较图7 0 加固前后p l l 整体关于恢复时间的累积概率比较图。7 l 加固前后c p 模块关于恢复时间的累积概率比较图7 2 加固前后v c o 模块关于恢复时间的累积概率比较图7 2 加固前后d i v 模块关于恢复时间的累积概率比较图7 3 加固前后p l l 整体关于最大错误周期数的累积概率比较图7 4 加固前后c p 模块关于最大错误周期数的累积概率比较图7 5 加固前后v c o 模块关于最大错误周期数的累积概率比较图。7 5 加固前后d i v 模块关于最大错误周期数的累积概率比较图7 6 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：毯担丕墨垦! 放廑敛盛! 陛佥盘量遮让拉固 学位论文作者签名：冬_ 雄日期：五吵年，z 月二艿日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：砷年，2 月冶日 日期：加叩年胁月罐日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 我国航天事业的迅猛发展，对航天设备中的集成电路提出了更高的要求。不 仅性能上要求越来越高，而且集成电路的可靠性要求也越来越高，能够面对恶劣 的空间环境，以及由于空间的辐射环境引发的一系列辐射效应。研究和设计抗辐 照的高性能集成电路对于我国航天技术的发展具有重要的意义。 为了应对当前以及未来航天科技发展的挑战，各国都在积极研制高性能、高 集成度、高抗辐照能力的集成电路。但由于抗辐射集成电路应用领域的敏感性， 西方国家特别是美国对我国严格禁运包括高性能微处理器在内的抗辐射加固集成 电路并严密封锁相关的各种技术。因此，高性能抗辐照集成电路就成为我国航天 事业和武器装备健康发展的关键。 在空间应用中，辐射效应是引起系统故障的主要原因，而单粒子失效又在辐 射效应中占主导地位。据美国国家地球物理数据中心( n a t i o n a lg e o p h y s i c a ld a t a c e n t e r ，n g d c ) 统计，自1 9 7 1 年至1 9 8 6 年间，美国发射的3 9 颗同步卫星，发生 的故障共1 5 8 9 次，其中由于各种辐射效应引起的故障达11 2 9 次，占故障总数的 7 l ；而单粒子效应是引起故障数最多的辐射效应，单粒子失效次数占总辐射失 效次数达到了5 5 ，如表1 1 所示l l j 。 表1 1 美国3 9 颗同步卫星故障原因统计 故障原因故障次数故障百分率( ) 电子诱发的电磁脉冲 2 9 31 8 4 4 静电放电 2 1 51 3 5 3 单粒子效应 6 2 l3 9 0 8 其他4 6 0 2 8 9 5 总计 1 5 8 91 0 0 单粒子效应的产生是由于高能粒子入射到集成电路的敏感区域，引起半导体 材料电离产生额外的电子空穴对，如图1 1 所示，这些电子空穴对被敏感区的电路 节点收集造成电压或者电流的扰动。随着集成电路特征尺寸的急剧减小，单芯片 中的节点数量迅速增加，同时由于供电电压的降低，电路节点能储存的电量也随 之降低，使得即便较低能量的粒子也可能影响到集成电路的正常运行【2 j 。因此，不 仅在空间环境中，地面上的集成电路也面临着高能粒子的威胁1 3 儿4 | 。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 粒子入射p n 结发生电荷收集 在商业服务器和高性能计算领域，已经有很多由于单粒子效应( 软错误) 造 成严重后果的案例。单粒子效应从二十世纪八十年代早期开始出现在商用元器件 中，现在已经成为现代c m o s 工艺中导致可靠性失效的决定因素。e d n 曾经报导， 单粒子效应是导致c i s c o 路由器中存储器和a s i c 失效的主要诱因。专家宣称，随 着工艺挺进6 5 n m 和4 5 r i m ，单粒子效应将迅速地变得更为常见。2 0 0 0 年s u n m i c r o s y s t e m s 公司承认，由于宇宙射线对其服务器c a c h e 存储器的干扰，导致使用 其服务器系统的一些主要客户的网站发生错误，如a o l 和e b a y 等十多家公司， 由此造成大量的客户流失【5 1 。随后h e w l e t tp a c k a r d 公司也承认，他们的a l p h a s e r v e r e s 4 5 超级计算机多次由于软错误而导致崩溃，这给美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 造成重大损失【6 1 。c y p r e s ss e m i c o n d u c t o r 公司也证实，他们生产的通信设备由于软 错误而可能导致不正确的电话呼叫【7 j 。一些服务器和桌面处理器设计公司已经开始 着手解决软错误问题，如a r m 8 j 和s u nm i c r o s y s t e m s 等例。 锁相环( p h a s e 1 0 c k e dl o o p s ，p l l ) 是对齐输出相位和输入相位的反馈系统， 可以实现时钟产生与同步、时钟数据恢复、倍频与频率综合、减小偏斜和抖动等 功能，在电子学和通信领域得到了广泛应用。作为电子系统的关键部件，近来被 确认为空间电子元器件中的辐射加固薄弱环节【1 0 】，可能严重影响到系统的可靠性。 由于电路结构的特殊性，p l l 易于受到辐射效应的影响，尤其以单粒子瞬变 ( s i n g l e e v e n tt r a n s i e n t ，s e t ) 对其的影响更为显著。辐射效应对p l l 的影响通 常会引起全局性作用，波及整个时钟域或系统间的同步，进而连锁反应到整个芯 片甚至整个系统。因此，p l l 的s e t 敏感性对于空间电子系统的整体加固性能至 关重要，抗辐射加固锁相环也是当今空间应用集成电路研究的热点问题之一。 欧空局( e s a ) 将p l l 与标准单元、i o 和存储器并列作为必须预先研究的关 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 键辐射加固a s i c 的设计基础。美国国防部高级研究计划署( d 时a ) 也资助了 支持p l l 等数模混合电路加固设计软件的研发。因此，抗辐射电路的研究涉及国 家的核心利益，而对p l l 的s e t 效应进行研究并进行加固设计，对于抗辐照集成 电路的设计具有重要的理论支撑和应用价值。 1 2 1 锁相环简介 1 2 锁相环的s e t 效应 本文研究的对象为电荷泵型p l l ，其典型的结构如图1 2 所示，由鉴频鉴相器 ( p h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o r ，p f d ) 、电荷泵( c h a r g ep u m p ，c p ) 、环路滤波器 ( l o o pf i l t e r ，l p f ) 、压控振荡器( v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ，v c o ) 、分频 器( d i v i d e r ，d i v ) 等部件组成。 图1 2p l l 基本组成结构 其工作原理是：鉴频鉴相器( p f d ) 感应参考时钟c l kr e f 和反馈时钟c l kf b 的相位和频率差，并利用脉冲宽度将其表示出来，相应地输出u p d n 信号对。在 u p d n 信号的控制下，电荷泵( c p ) 为环路滤波器( l p f ) 电容提供充电或放电 电流。环路中的低通滤波器积分电流形成v c o 控制电压v 甜，并滤除高频噪声。 在v 酬的作用下，由压控振荡器综合出不同频率的时钟信号。该时钟信号经过分频 器( d i v ) 分频为与c l kr e f 同频的反馈时钟c l kf b ，由此构成了一个完整的控 制环路。 1 2 2 锁相环的单粒子效应 电路以电荷收集的形式存储和传递信息，任何能够改变存储电荷或传递电荷 的事件都可能在电路的输出中产生错误，这些错误被称为瞬态故障、软错误或单 粒子翻转。导致电荷改变的事件可能是一个高能核粒子，或者是一个电子源。受 到的影响来源于高能粒子或重离子入射半导体。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 辐射环境中，对p l l 影响最大的辐射效应包括总剂量效应( t i d ) 和单粒子 瞬态效应( s e t ) 两种。t i d 是长期辐照过程中多次粒子入射造成半导体材料中陷 阱电荷累积引起器件失效，它使p l l 特性改变，曲线偏移，影响锁定。而s e t 是 短期、瞬态作用，主要产生抖动、p l l 失锁。在模拟电路内产生的瞬时信号时间 可能很短，但可在连接它们的数字电路中留下痕迹，导致数字电路的工作状态变 化【1 1 】。 重离子、激光实验和模拟结果表明，当单粒子轰击p l l 的敏感结点时，会导 致时钟输出偏离预期轨迹，出现频率或相位偏差，甚至造成振荡中止【l2 1 ，如图1 3 所示。虽然在反馈环路的作用下，p l l 最终会恢复到初始状态，但可能已经带来 了灾难性的后果，比如导致微处理器功能中断或系统通信中断。重离子轰击实验 发现v c o 中止振荡10 n s 将使p l l 花费8 1 x s 恢复到稳态条件【1 2 1 。对于工作频率为 1 g h z 的p l l 来说，将导致微处理器中断工作8 , 0 0 0 个周期；对于2 5 g b p s 的 p c i e x p r e s s 接口来说这段时间已经长到足够丢失2 0 ，0 0 0 位数据了。 _ ： 怠 _ o o o o t i m e r t $ ) 图1 3 重离子轰击导致v c o 输出振荡中止【1 2 】 电荷泵的输出节点是p l l 中最灵敏的结点【1 3 1 ，任何一个与环路滤波器相连的 晶体管受到轰击后都会造成该结点产生瞬态错误电流，使p l l 的控制电压受到干 扰，从而导致p l l 失锁，即便重新恢复锁定也需要一定的时间。 鉴频鉴相器和分频器是p l l 中的数字电路部分，受s e t 的影响也会给系统带 来严重的后果。鉴频鉴相器受s e t 影响，可能使p l l 输出偏差很大而导致环路失 锁。分频器在每个输入上升沿进行采样，每级寄存单元受到单粒子轰击后都错失 一次翻转，这可能导致p l l 失锁。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1p l l 的s e t 研究与加固 目前国际上多家机构展开了抗辐照加固锁相环的相关技术的研究，其中专注 于研究辐射加固p l l 的较为突出的公司和机构有工业界的a e r o f l e x 公司、m a x w e l l 公司和p e r e g r i n e 公司，以及学术界的v a n d e r b i l t 大学、a r i z o n a 州立大学和o r e g o n 州立大学。 1 9 9 6 年j o b e 等人采用面向系统的s e e 测试方法对p l l 的辐照效应进行了研 究【1 4 1 ，随后p l l 的抗辐照设计受到了越来越多的关注。早期对p l l 的抗辐照研究 主要注重对p l l 整体的辐射响应建模和分析，随着工艺尺寸的缩小，s e t 对p l l 的影响越来越突出且机理复杂。近几年的抗辐照研究更多地集中在p l l 的s e t 特 征化问题【1 4 】- 【2 0 1 ，尤其是p l l 中对辐照敏感的部分，例如v c o 1 2 】【1 6 】【2 1 】【2 5 】和 c p 1 3 ”】【1 8 】，从影响机理、工艺和设计参数、电路加固和实验方法等方面均进行了 较深入的探讨。 对于电路的辐射效应，最直接有效的方法是进行物理实验，如宽束重离子 【2 6 】【2 7 】、微束离子【2 8 1 、各种激光试验【2 9 】【3 1 1 ，但是开展电路的辐射实验对实验条件要 求太高，而且实验开展的时间周期长，对电路设计时间带来很大的压力。随着c a d 技术的进步，研究方法由最初的物理实验手段逐渐发展到实验和计算机模拟相结 合的方法，从器件级、电路级和系统级对电路进行模拟，有效提高了研究效率。 借助于计算机模拟技术对辐射效应进行研究不仅易于开展、成本低，而且能够快 速对电路行为进行设计验证。在电路模拟技术中，又以器件模拟得到的结果和物 理实验最为接近，但是模拟时间长。研究证明，为了真正地把握沉积和收集现象 的复杂性，针对目标晶体管的器件级2 d 或3 d 模拟是必需的【3 2 】【3 3 1 。在此基础上， 发展出了基于t c a d ( t e c h n o l o g yc a d ) 的混合模拟技术，进一步发展了电路级 的s e t 模型和行为级的s e t 快速模拟技术，这些方法都得到了广泛的应用，并取 得了较好的效果【3 2 h 3 8 】。 总的来说，国际上针对s e t 加固p l l 的研究仍处于初级阶段。各部件敏感性 分析是研究初期的焦点，设计加固是当前的研究重点。s e t 加固p l l 产品很少， 有代表性的是a e r o f l e x 公司的r a d c l o c kp l l ，具有很高的抗辐射能力，但是频率 只有2 0 0 m h z ，满足不了高性能芯片的要求。 近年来，国家宇航事业的大力推动下，国内多家单位也对单粒子效应及其加 固技术进行了研究并取得了一系列的成果。比如，西北核技术研究所对s e u 的机 理、建模、数值模拟和试验等进行了研究【3 9 】- 【4 2 】；西安微电子技术研究所研制了电 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 阻加固的s r a m t 4 列；中科院半导体所和中电集团5 8 所研制了抗辐照加固的s o l s r a m t 删；西北工业大学研制了基于s p a r cv 8 体系结构的抗辐照加固微处理器 4 5 1 1 4 6 1 ；中科院空间科学与应用研究中心利用脉冲激光研究了运放和光耦电路的 s e t 现象1 4 7 j 。 但是国内对p l l 中s e t 效应相关基础问题的研究才刚起步，对于s e t 加固 p l l 的研发，国内尚没有完整、系统的研发方案。 1 3 2 工具开发与支持 集成电路设计已经步入超深亚微米时代，单粒子效应的影响会越来越突出， 普通商用电路面临着越来越大的可靠性威胁，单粒子效应可能会成为高性能芯片 设计中不可忽略的设计因素。随着电路规模的增大和工艺特征尺寸的减小，抗辐 射电路的设计和验证工作复杂性急剧增加，对支持集成电路设计的e d a 工具提出 了新的要求。国外的机构和公司已经意识到这一点，并且展开了相关的研究项目。 美国国防部高级研究计划署提交了一项名为h i e r a r c h i c a lc a dt o o l sf o r r a d i a t i o nh a r d e n e dm i x e ds i g n a le l e c t r o n i cc i r c u i t s ) ) 的项目计划。该项目致力于开 发并验证自动设计辐射加固混合信号电路的c a d 工具。目标是开发并验证具有辐 射加固电路设计能力，能够提高电路对t i d 、s e e 和瞬时剂量率等辐射效应的免 疫力的工具。 o r o r a 高科技设计公司计划开发以行为模型为中心的设计流程。该流程基于 i e e e 标准和v h d l a m s ，并具有配套的自动分析、综合和辐射加固混合信号集 成电路和系统的c a d 工具。作为提供商用s e e 分析工具的s i l v a c o 公司，在2 0 0 4 年宣称发布a t l a s2 3 d 单粒子效应模块和s m a r t s p i c e s e e 模块。这些模块已经 被集成到h i p e x 全芯片寄生参数提取工具和h y p e r f a u l t 混合级别故障模拟器中。 s i l v a c o 公司提供了一个完整的设计流程，从器件级、电路级、单元级、模块或芯 片级识别、分析和消除模拟、数字和混合信号i c 设计中的s e e 。 d r c h r i s t o p h e rn i c k l a w 为混合信号应用开发了一个集成辐射驱动设计环境， 支持器件模拟( t c a d ) 、v e r i l o g a 实现的集约和行为级模型、电路模拟( s p i c e 和v e r i l o g ) 、以及为电路设计创建辐射增强模型。 但是在抗辐射电路设计领域，由于设计技术的敏感性，国外对这些技术严格 封锁，在工具的设计和支持上，只有走自主创新之路，尚没有见到国内关于抗辐 射电路设计和分析工具的相关报道。本文在第二、三两章将对该方面的工作进行 一次有益的尝试，针对电路的单粒子效应敏感性分析过程设计一个自动化平台。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 3 发展趋势 一、随着工艺的进步，s e t 对集成电路的影响将会更加突出。 特征尺寸缩减导致电路结点电容减小，从而减小了结点上存储的电荷，s e t 更加容易产生。另一方面特征尺寸缩减导致晶体管的驱动能力减小，结点电压也 更难于恢复到原来状态。此外，随着晶体管延迟的减小和截止频率的增大，能够 无衰减传播的脉冲宽度和高度也在减小。 工艺进步导致工作电压的缩减同样导致电路结点上存储的电荷减小，s e t 更 加容易产生。同时工艺引发的频率提高对于s e t 也有影响。研究表明，随振荡频 率增大，受s e t 激励影响的周期数会增加。它源于这样的事实：随工作频率的增 加，单位时间的周期数增大，而信号中断时间几乎无变化，也就是说，粒子撞击 招致的瞬态影响与频率无关。因此，工艺的进步将导致s e t 问题日趋严峻，使s e t 在辐射效应中所占比重不断增大，进一步主导辐射效应【4 8 j 【5 1 j 。 二、r h b d 设计方法仍然是进行辐射加固电路设计的重要手段。 对电路进行抗辐射加固有两种思路，一是依托特殊的工艺。s o s 和s o i 抗辐 照工艺已经被广泛应用于抗辐射电路设计中，b i n gz h a o 5 2 j 以及w i c k h a mc h e n 5 3 j 等人对s 0 1 工艺下的s e t 效应进行了研究。相关的p l l 产品如p e r e g r i n e 半导体 公司为航天和国防客户定制的p e 9 7 0 1 和p e 9 7 0 2 锁相环电路就是采用名为 u l 恤c m o s 的s o s 专用工艺制造。二是在电路设计上对电路的抗辐照性能进行增 强( r a d i a t i o nh a r d e n e db yd e s i g n ) 。相较而言，基于r h b d 的设计思路更受电路 工程师的青睐，因为电路设计可以不依赖具体的工艺，使得设计和制造具有更大 的灵活性和更低的成本。 然而国内辐射加固工艺技术尚不完善，综合工业界建立的p l l 设计加固与方 法，采用r h b d 方法实现抗辐照加固将是一种行之有效的解决方案，而且商用工 艺在设计服务、良品率、功耗和性能上更具优势。 三、计算机模拟仍然是进行辐射效应特征化的重要手段，并且趋于大规模模 拟。 p l l 是一个复杂的环路系统，对其s e t 效应的机理分析非常复杂，难以得到 通用的数学模型，目前对p l l 的研究和设计加固都是针对于具体的电路结构和环 路设计。而且p l l 的s e t 效应不仅和环路结构有关，还与入射能量、入射位置和 作用时刻有深刻的关系【5 4 1 。要比较全面地刻画p l l 的s e t 响应，通过物理实验将 这些条件实现是很复杂的，但是基于计算机模拟的方法可以较容易实现，而且成 本相对较低。事实上，基于大规模的计算机模拟的s e t 效应特征化方法已经在美 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位i p , 文 四、电路响应速度的提高，要求s e t 电流源模型必须考虑电压的耦合作用。 为了提高研究效率，基于s p i c e 的电路级模拟直被广泛采用，一直以来采 用的s e t 宏模型都是建模为一个独立与电路响应的电流源，在s p i c e 中以p w l 的方式引入，并且和t c a d 的模拟结果达到了较好的一致性。但是，近年来发现 基于双指数模型i q 的方法得到的结果与物理实验的结果差距越来越大”，尤其当 电路的响应时f b j 快到低于2 0 0 p s 的时候，电路响应对s e t 作用过程的影响已经不 可咀被忽略，t u r o w s k i i ”】详细分析了p w l 方法的局限性，p w l 的这种局限性在模 拟电路，如v c o 中尤其值得关注。对于s e t 电路级电压耦台模型的研究，已经有 一些卓有成效的方法f 5 9 州】，但是这些方法或者适用性与精度较差，或者实现和操 作起来比较复杂。开发能够和现有设计流程良好兼容的电压耦台模型将在模拟电 路s e t 效应的研究中具有重要意义。 1 4 论文的主要工作和组织结构 14 1 本文的主要工作 文献i “魄出了一种基于“机理一建模与仿真_ 加固方法”的研究路线，如图14 所示。该方法利用建模的方法将模拟层次不断提升，取得了物理精度和模拟速度 上的良好折衷，即基于物理机理，利用建模方法不断提升层次，从而将物理失效 机制反映到i c 设计。 一样 凰 闰14 从机理到电路设计的研究建模过程 本文采用了该研究路线，针对p l l 中的s e t 效应进行了分析和研究，对其敏 感性进行了量化评估，并且基于评估的结果进行了加固设计并开展了芯片测试， 同时对加固后的锁相环芯片进行了敏感性的加固效果验证，如图15 所示。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 5 本文的主要工作 具体而言，本文的主要工作有以下几个方面： 1 、敏感性分析平台的设计与实现。为了对p l l 的s e t 效应进行全面的量化 评估，基于a w k 脚本语言设计了电路级敏感性自动分析工具。该工具支持多元组 条件下的s e t 大规模电路模拟的自动化过程；直接基于s p i c e 电路网表，提取了 待轰击节点的位置信息；在此基础上实现了h s p i c e 电路模拟脚本的自动生成；提 供了配置接口，可以灵活地根据需要产生进行自动模拟的h s p i c e 脚本；提供了高 效清晰的目录和数据管理机制，便于做大规模的电路模拟，并且对数据处理过程 进行了合理的安排，解决了大规模模拟中的数据存储问题。 2 、锁相环s e t 敏感性分析与加固效果评估。针对p l l 系统，提出了s e t 敏 感性评估方法和指标。分别对1 g h z 的普通p l l 和s e t 加固后的p l l 进行了遍历 模拟( 大规模电路模拟) ，提取了p l l 的s e t 响应特征数据，并对加固效果进行 了评价。 3 、基于v e r i l o g a 的模拟加速与s e t 效应表征。为了解决大规模电路模拟中 的时间开销问题，对锁相环的电路模块( 例如v c o ) 进行了v e r i l o g a 行为级建 模，并且引入到h s p i c e 的模拟过程中，在保证待分析模块s e t 敏感性分析结果一 致的前提下，极大地加速了模拟过程。 4 、基于v e r i l o g a 的电压耦合s e t 模型及应用。创造性地将v e r i l o g a 建模 与电压耦合的查找表( l u t ) 技术结合到一起，成功地