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, аналогонвые узлы, интерфейсы и т.д.). Это привело к созданию специализированных сверхбольших интегральных схем типа система на кристалле (СнК). Она представляет собой сложную интегральную схенму, объединяющую все основные функционнальные элементы: процессорные ядра, разнообразные контроллеры ввода/вывода, память с контроллерами и другие компоненты. Отличительной чертой СнК является то, что основные функциональные блоки проекнтируются 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 производительнонсти проектирования было предложено повторное использование интелнлектуальной 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 лодиночные события. Для их учета необходимо включить аппарат моделирования таких эффектов в процесс проектирования.

Одиночные события Ч 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.