Тестирования сбис озу

Вид материала

Задача

Содержание Сравнение различных способов реализации систем ФК СБИС ОЗУ Список литературы

Подобный материал:

• Запуск программы. «Пуск Программы сбиС++ Электронная отчётность сбиС++ Электронная, 53.4kb.
• А. А. Родионов, Д. В. Жохов,, 27.03kb.
• Лекций: 17 Лабораторных: 17 sv. 8 Проектирование систолических вычислителей на сбис., 40.77kb.
• Правила приема дополнены различными льготами. Теперь на курсы принимаются: без тестирования,, 131.12kb.
• Программа государственного экзамена по специальности 220100 «Вычислительные машины,, 83.9kb.
• Инструкция по подготовке и отправке электронной отчетности в пк «сбис++», 62.84kb.
• Программа настройки конфигурации компьютера, 197.31kb.
• Обработка результатов тестирования на современном этапе развития теории тестов, 116.64kb.
• Установка и настройка программного обеспечения «СБиС++ Электронная отчетность», 40.25kb.
• Системы тестирования (Электронное тестирование), 157.18kb.

Н.Г. ГРИГОРЬЕВ, А.В. ЗУБАКОВ, А.В. ЯНЕНКО

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»


МИКРОКОНТРОЛЛЕРНАЯ СИСТЕМА ТЕСТИРОВАНИЯ СБИС ОЗУ
НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ


Описывается аппаратно-программный комплекс для тестирования СБИС ОЗУ на устойчивость к воздействию отдельных ядерных частиц, основанный на использовании микроконтроллера C8051F120 фирмы Silabs. Особенностью разработанной системы является возможность маскирования дефектных ячеек тестируемой СБИС ОЗУ. Разработанная система тестирования показала свою работоспособность и эффективность при реальных испытаниях микросхем ОЗУ на стойкость к воздействию протонов и нейтронов по эффектам одиночных сбоев.


Задача исследования и оценки параметров чувствительности СБИС оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) к локальным радиационным эффектам, к которым относится для данного типа микросхем тиристорные эффекты и одиночные сбои от отдельных ядерных частиц, является актуальной, что обусловлено следующими основными причинами. Развитие микроэлектронных технологий и уменьшение технологических норм проектирования приводят к снижению сбоеустойчивости чувствительных структур СБИС ОЗУ. Размеры транзисторов в ячейках памяти оказываются близкими к минимальным размерам, а их топология часто выполняется по более жестким проектным нормам по сравнению с другими элементами ОЗУ. Кроме того, в некоторых случаях для уменьшения площади на кристалле привязку к подложке кристалла и к карманам выполняют не в каждой ячейке, а через 4–16 ячеек, что также снижает помехоустойчивость накопителя. В цепях управления ОЗУ одиночные эффекты имеют характер переходных процессов и с малой долей вероятности могут приводить к изменению информации в накопителе. В настоящее время существуют схемотехнические решения и технологии, значительно повышающие сбоеустойчивость ячеек памяти (например, кремний на изоляторе) [1], однако по экономическим причинам даже в аппаратуру для специальных применений устанавливают «коммерческие» микросхемы, в которых могут наблюдаться одиночные сбои не только от отдельных заряженных частиц, но также от атмосферных нейтронов [2].

Оценка параметров чувствительности СБИС ОЗУ к локальным радиационным эффектам (пороговой энергии для протонов или линейных потерь энергии для ионов и сечения насыщения одиночных эффектов) проводится расчетно-экспериментальными методами по результатам радиационных испытаний на моделирующих установках и имитаторах [3]. Для проведения таких испытаний требуется разработка аппаратно-программного обеспечения для задания режима и функционального контроля (ФК) СБИС ОЗУ.

Задача построения оптимальной для радиационных испытаний систем ФК СБИС ОЗУ стоит довольно давно и успешно решается [4]. Необходимость развивать существующие решения обусловлена следующими факторами:

1) расширением номенклатуры испытываемых СБИС ОЗУ (статические асинхронные, синхронные, динамические и т.д.);

2) более жесткими условиями экспериментальной зоны, в которых аппаратура для ФК в большей степени подвержена спецвоздействию (например, в случае нейтронных генераторов);

3) необходимостью проведения исследований частично годных образцов с неустойчивой работой части ячеек памяти.

Особенности поставленной задачи и условия проведения исследований определяют факторы, влияющие на ограничения и требования к системе функционального контроля. Основные факторы связаны с максимальной длиной конечного сигнального кабеля и необходимостью защиты электронного блока функционального контроля, которые являются взаимопротиворечащими:

– ограничение на длину конечного сигнального кабеля (определяются экспериментально): статические ОЗУ – до 5 м, синхронные ОЗУ до 1 м, динамические ОЗУ – до 20 см;

– необходимость радиационной защиты аппаратуры ФК: если для ускорителей ионов и протонов излучение локализовано в области расположения испытываемых микросхем и требует незначительного удаления аппаратуры ФК от микросхемы, то, например, для нейтронных генераторов излучение распространяется от мишени во все стороны, и защитить аппаратуру довольно сложно.

Еще одним фактором является необходимость обеспечения предельного динамического режима работы. Как правило, для исследования одиночных сбоев достаточно квазидинамического ФК, при этом длительность циклов обращения к памяти достигает десятков и сотен микросекунд в зависимости от реализации системы ФК, а упрощенный полный цикл ФК проходит за время от единиц до нескольких десятков секунд в зависимости информационной емкости СБИС ОЗУ. Однако, если в СБИС наблюдается тиристорный эффект, то время функционального контроля становится критичным, и его необходимо максимально уменьшить. Последние исследования показали, что это необходимо делать также при сканировании на одиночные сбои кристалла СБИС ОЗУ локальным излучением пикосекундного лазерного имитатора, обеспечивая не более одного импульса лазера на полный цикл функционального контроля.

В ходе многочисленных исследований одиночных радиационных эффектов в СБИС ОЗУ были выработаны и использовались следующие схемы построения систем функционального контроля (см. рисунок): с использованием блоков ФК на основе стандартной системы ФК (например, National Instuments), на основе системного блока персонального компьютера (ПК) со специализированными устройствами ввода-вывода (УВВ) и на основе однокристальных микроконтроллеров (МК).

О


Рис. 1. Варианты построения системы функционального

контроля СБИС ОЗУ

сновная особенность всех вариантов – дистанционное управление электронным блоком функционального контроля для обеспечения возможности наблюдения за ходом эксперимента и оперативного реагирования на нештатные ситуации при сохранении радиационной защиты персонала. Длина линий связи зависит от используемого источника воздействия и может быть от единиц до нескольких сотен метров. При длине линии связи более 15 м использование интерфейса RS232 становится нецелесообразным, так как падает скорость связи.

Для организации связи наиболее удобной оказалась обычная локальная сеть Ethernet на коаксиальных линиях (они, как правило, есть всегда на моделирующих установках) или витой паре. При этом используются стандартные программы для дистанционного управления, позволяющие оператору на консоли видеть монитор удаленного системного блока и управлять им. В качестве консоли обычно используется портативный компьютер. Для связи микроконтроллерного блока ФК с персональным компьютером могут использоваться интерфейсы RS232 и SPI, обычно реализованные в микроконтроллерах.

У каждого способа реализации системы ФК СБИС ОЗУ есть свои преимущества и недостатки, и в каждом конкретном случае приходится выбирать вариант реализации исходя из ограничений по средствам, временным рамкам подготовки к исследованиям и условиям эксперимента (см. таблицу). В частности, системы ФК на основе дорогостоящих стандартных модульных измерительных систем больше подходят для лабораторных условий и применения на имитаторах. Они обеспечивают высокое быстродействие и универсальность за счет возможности аппаратного формирования временных интервалов с использованием ПЛИС, однако имеют высокую стоимость и требуют специальной подготовки инженерного персонала. Системы ФК на основе системного блока с платами цифрового и аналогового ввода-вывода не обладают достаточным быстродействием для реализации динамического ФК за счет программного формирования временных диаграмм. Проблемой является также влияние задержек, связанных с квантованием времени выполнения параллельных процессов в стандартной операционной системе Windows. Однако невысокая стоимость аппаратной части и простота программирования с использованием современных пакетов проектирования делают такую систему исключительно гибкой, быстро перестраиваемой и легкой в освоении. Блоки ФК на однокристальных микроконтроллерах являются компромиссным вариантом, практически лишенным недостатков первых двух способов. Низкая стоимость аппаратной части позволяет использовать такие блоки ФК в условиях воздействия радиации – ремонт сводится к замене микроконтроллера. При этом современные микроконтроллеры обладают достаточным быстродействием, чтобы на программном уровне обеспечить динамический режим работы СБИС ОЗУ. Использование в микроконтроллерах флэш-памяти программ позволяет легко перестраивать его на разные типы СБИС ОЗУ без удаления из блока ФК.


Сравнение различных способов реализации систем ФК СБИС ОЗУ

Характеристика	Блок ФК на МК	Блок ФК на ПК + УВВ	Стандартная измерительная система
Количество выводов для подключения СБИС ОЗУ	Ограничено количеством портов МК	Возможно расширение	Возможно расширение
Быстродействие (возможность реализации динамического ФК)	Квазидинамический, близкий к предельным Tc ~ 1 мкс	Для обычных УВВ – квазидинамический, медленный, Tc ~ 10 мкс	Возможен предельный режим (УВВ на базе ПЛИС)
Возможность регулирования напряжения логических уровней КМОП	Возможно: UПИТ МК = UВЫХ 1	Требуются специальные УВВ	Требуются специальные УВВ
Программирование	Ассемблер или Си	Язык Си	Labview, требует специальная подготовка
Цена (аппаратная часть оборудования), у.е.	~100	~1000	~10000
Риск при использовании в условиях радиации	Низкий	Средний	Высокий

В качестве примера использования микроконтроллеров в блоке ФК СБИС ОЗУ можно рассмотреть следующие варианты.

Использование 8-разрядных микроконтроллеров с RISK-архитектурой семейства Atmel AVR ATmega с расширенным диапазоном питания (от 1,8 до 5,5 В) позволяет обеспечивать логические уровни КМОП для микросхем с питанием как 3,3 В, так и 5 В (до 5,5 В) в рамках одной оснастки и корректно измерять ток потребления в статическом режиме, что необходимо при периодическом контроле на катастрофический отказ. В данном семействе фирмой Atmel предлагаются микроконтроллеры с количеством портов ввода-вывода от 23 до 86 и тактовой частотой от 8 до 20 МГц, что обеспечивает выполнение одной микрокоманды за время от 128 до 50 нс. Следует отметить, что при пониженных напряжениях питания доступны только частоты 8…10 МГц. Микроконтроллеры обладают достаточным наборов последовательных интерфейсов (RS232 (USART), SPI и т.д.) для реализации связи с управляющим компьютером и могут программироваться в системе по интерфейсу SPI. Также имеется встроенный 8-канальный АЦП, совмещенный с 8-раз­ряд­ным портом ввода вывода, что удобно использовать для контроля выходных логических уровней испытываемой СБИС. Данный вид микроконтроллеров широко используется при радиационных испытаниях СБИС памяти [5] в составе нестандартной оснастки: под каждую испытываемую СБИС изготавливается специальная плата с микроконтроллером в контактирующем устройстве, обеспечивающем его быструю замену при необходимости.

Другим вариантом, привлекательным с точки зрения минимизации затрат на изготовление специальной нестандартной оснастки, является использование серийно выпускаемых отладочных макетов для микроконтроллеров, которые предлагаются различными фирмами. При выборе конкретного типа микроконтроллера следует принимать во внимание как его электрические и динамические параметры (напряжение питания, тактовая частота, количество портов ввода-вывода), так и доступность средств проектирования, желательно с использованием языков верхнего уровня типа Си, а также удобство подключения испытываемого объекта к отладочному макету через разъемы. Не последнюю роль при выборе типа отладочного макета и микроконтроллера играет наличие скоростных интерфейсов в составе макета (USB, Ethernet).

Для тестирования тестовых образцов ОЗУ, речь о которых пойдет ниже, использовались контроллеры Silicon Laboratories и Philips (NXP) и стандартные макетные платы к ним. Серийная плата на базе МК Silicon Laboratories С8051F120 обеспечивает тактовую частоту МК до 100 МГц при питании 3,3 В, имеет 8 двунаправленных портов по 8 бит, встроенные АЦП и ЦАП, интерфейсы RS232 и USB. Цифровые выводы толерантны к напряжению 5 В, что позволяет использовать эту плату для испытаний СБИС с питанием 5 В.

Серийная плата на базе МК NXP LPC2378 обеспечивает тактовую частоту 60…72 МГц при напряжении питания 3,3 В, до 72 линий ввода-вывода с допустимым напряжением 5 В, АЦП (8 каналов), ЦАП, интерфейсы RS-232, USB2.0, Ethernet 100 Mbit. Особенностью этого МК является наличие встроенного интерфейса внешней памяти, что позволяет избежать программного формирования временных диаграмм и повысить скорость обмена данными с испытываемым ОЗУ.

В рамках реализации системы функционального контроля авторам пришлось решать еще одну задачу, которая часто возникает при испытаниях экспериментальных образцов СБИС ОЗУ, – неустойчивая работа части ячеек памяти. Такая частичная неработоспособность может проявляться как:

1) полностью нерабочие разряды данных;

2) полностью или почти полностью нерабочие банки памяти (непрерывные области адресного пространства);

3) неустойчивая работа отдельных ячеек памяти, приводящая к регистрации ложных одиночных сбоев.

В первых двух случаях эффективно работает полное маскирование неисправной области (ошибки в нерабочей области адресного пространства и разрядах данных игнорируются). Третий случай оказывается наиболее сложным, так как:

- простое маскирование разрядов и блоков адресного пространства приводит к неэффективной потере большого числа годных ячеек и уменьшения статистики по одиночным сбоям;

- нестабильные ячейки довольно сложно выявить и зарегистрировать: при каждом считывании проявляются новые нестабильные ячейки, причем скорость появления новых ячеек постепенно уменьшается.

Для решения этой проблемы авторами был предложении подход, реализованный в программном обеспечении разработанной системы. Для уменьшения неэффективных потерь работоспособных ячеек маскировались только «нестабильные» ячейки памяти. Это потребовало создания образа накопителя СБИС ОЗУ в памяти ПК, в который записывалась информация о нестабильных ячейках. Для эффективного выявления нестабильных ячеек была предложена специальная процедура подготовки к испытаниям. На первом этапе при пониженном напряжении питания, при котором нестабильность работы всех ячеек проявляется сильнее, проводился многократный ФК для выделения неустойчивых ячеек. Информация о нестабильных ячейках сохранялась в памяти ПК, а также в виде файла для повторного использования с конкретным образцом СБИС ОЗУ. При этом для повышения вероятности маскирования нестабильных ячеек в программном обеспечении была предусмотрена возможность маскирования всего столбца ячеек в случае, когда количество нестабильных ячеек в столбце превышает 5 %. На втором этапе проводилась верификация: многократное тестирование на одиночные сбои при нормальном напряжении питания. Верификация считалась успешной, если количество зарегистрированных самопроизвольных («ложных») одиночных сбоев не превышало десяти за интервал времени около 20 минут (примерно такое время продолжается сеанс облучения, в ходе которого регистрируется несколько сотен одиночных сбоев). Для приемлемой точности определения сечения, количество «ложных» одиночных сбоев не должно превышать 5 % от их общего числа, зарегистрированного в ходе дальнейшего эксперимента на пучке частиц.

Разработанная система функционального контроля была успешно апробирована при испытаниях на одиночные сбои при воздействии нейтронов 14 МэВ и протонов 1 ГэВ на экспериментальных образцах СБИС ОЗУ с информационной емкостью 4 Мбит, спроектированных в ГУП НПЦ ЭЛВИС.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Стенин В.Я., Бетелин В.Б., Бобков С.Г. и др. // Микроэлектроника. 2009. Т. 38. № 1. С. 48.

2. Баранов С. В., Чумаков А.И., Яненко А.В. // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научных трудов. М.: МИФИ, 2006. С. 151.

3. Чумаков А.И. Действие космической радиации на ИС. М.: Радио и связь, 2004.

4. Яненко А.В. // Научная сессия МИФИ-1999. Сб. научных трудов. М.: МИФИ, 1999. Т. 6. C. 146.

5. Яненко А.В. // Радиационная стойкость электронных систем "Стойкость-2001". Сб. научных трудов. М.: Паимс, 2001. Вып. 4. C. 217.