面向SoC 的SRAM 讀出電路加固設(shè)計(jì)

沈 婧，薛海衛(wèi)，陳玉蓉，張猛華，王 蕾

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58 研究所，江蘇 無錫 214035)

0 引言

高能帶電粒子在器件的靈敏區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量帶電粒子的現(xiàn)象，它屬于電離效應(yīng)。當(dāng)能量足夠大的粒子射入集成電路時(shí)，由于電離效應(yīng)(包括次級(jí)粒子的)，產(chǎn)生數(shù)量級(jí)多的電離電子-空穴對(duì)，引起半導(dǎo)體器件的軟件錯(cuò)誤，使邏輯器件和存儲(chǔ)器產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)，CMOS 器件產(chǎn)生單粒子閉鎖，甚至出現(xiàn)單粒子永久損傷的現(xiàn)象，輻射主要包括質(zhì)子、中子、重離子和α 粒子[1-3]。集成度的提高、特征尺寸的降低、臨界電荷和有效LET 閾值下降等會(huì)使抗單粒子擾動(dòng)能力降低。器件的抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力明顯與電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、工藝條件等因素有關(guān)[4]。

鎖存器經(jīng)常被用于現(xiàn)在的超大規(guī)模集成電路中，特別是SoC 和CPU 的流水線結(jié)構(gòu)中[5-6]。數(shù)據(jù)讀出電路的數(shù)據(jù)鎖存也是必不可少的，因此提高鎖存器的抗單粒子能力意義重大。本文基于雙互鎖(DICE)結(jié)構(gòu)[7-8]和Muller_C單元[9-10]，對(duì)SoC 片上SRAM 的數(shù)據(jù)讀出電路進(jìn)行了抗輻射加固設(shè)計(jì)，并先后提出了兩種不同結(jié)構(gòu)的讀出電路。

1 基于雙互鎖結(jié)構(gòu)(DICE)讀出電路加固設(shè)計(jì)

在讀出電路設(shè)計(jì)的過程中，需要考慮以下幾個(gè)問題：

(1)保留數(shù)據(jù)鎖存能力；

(2)盡量提高抗單粒子和抗閂鎖能力；

(3)不能影響數(shù)據(jù)讀出的速度；

(4)翻轉(zhuǎn)后恢復(fù)時(shí)間要盡量短。

本文提出了SoC 片上RAM 的兩種讀出電路結(jié)構(gòu)，第一種電路結(jié)構(gòu)是基于DICE 單元和Muller_C 延時(shí)結(jié)構(gòu)的單模讀出通路設(shè)計(jì)，靈敏放大器的輸出通過基于Muller_C單元的延時(shí)結(jié)構(gòu)[11]分別為DICE 單元提供兩組輸入信號(hào)，該設(shè)計(jì)不僅可以保證信號(hào)的抗SEU 能力，也能有效地降低單粒子的瞬態(tài)擾動(dòng)，缺點(diǎn)是延時(shí)單元會(huì)增加數(shù)據(jù)讀出的時(shí)間；第二種電路結(jié)構(gòu)是基于DICE 結(jié)構(gòu)的雙模讀出電路，在DICE 單元的基礎(chǔ)上，對(duì)靈敏放大器采用雙模設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)抗單粒子能力略高于第一種讀出電路設(shè)計(jì)，同時(shí)靈敏放大器的輸出在作為DICE 單元輸入的同時(shí)又與最后一級(jí)Muller_C 單元直接相連，從而減少了數(shù)據(jù)讀出時(shí)間。

1.1 常見讀出電路

圖1 是常見的數(shù)據(jù)讀出電路，位線的0/1 通過SA 運(yùn)放之后經(jīng)過一級(jí)Muller_C 單元讀出，Muller_C 結(jié)構(gòu)前是一個(gè)鐘控的鎖存器。靈敏放大器使能信號(hào)控制靈敏放大器工作，將這一電壓差放大為滿擺幅的DPU 和DPN 信號(hào)，將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出。當(dāng)讀出結(jié)束后靈敏放大器停止工作，并且將其差分輸入端口充電至“1”，這時(shí)DPN 為“1”，DPU 為“0”，使數(shù)據(jù)無法寫入鎖存器中從而保證讀出數(shù)據(jù)的正確性。靈敏放大器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在讀出存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信號(hào)時(shí)，SP 為“1”，這時(shí)鎖存器的反饋鏈被打斷，從而提高了數(shù)據(jù)讀出的速度，當(dāng)讀出結(jié)束后，SP 跳變?yōu)椤?”，從而所存讀出的數(shù)據(jù)。它們?cè)赟P 信號(hào)的控制下被鎖存，并在Q 端輸出。

圖1 一般讀出電路

1.2 基于DICE 結(jié)構(gòu)讀出電路設(shè)計(jì)

1.2.1 單模雙互鎖結(jié)構(gòu)讀出電路

該讀出電路結(jié)構(gòu)主要由靈敏放大器、Muller_C 單元和延時(shí)電路組成，基于DICE 單元，數(shù)據(jù)經(jīng)過靈敏放大器為DICE 輸入信號(hào)QI1，通過延時(shí)結(jié)構(gòu)為DICE 單元提供另一路信號(hào)QI2，電路結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 基于DICE 結(jié)構(gòu)單模讀出電路

該結(jié)構(gòu)中延時(shí)電路由多級(jí)反相器組成，使得DICE單元的兩組輸入信號(hào)形成一定的延時(shí)錯(cuò)位，該延時(shí)必須要大于單粒子瞬態(tài)擾動(dòng)的脈寬[12-13]。結(jié)合工藝與器件仿真，該部分電路的延時(shí)時(shí)間在200 ps～300 ps。

加固后讀出電路的抗SEU 工作原理為：在讀出過程中，如果QI1、QI2 中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)被打翻，這時(shí)Q 輸出高阻，數(shù)據(jù)不能寫入DICE 鎖存單元，當(dāng)轟擊脈沖過去后，QI1、QI2 節(jié)點(diǎn)恢復(fù)到正確值，這時(shí)Q 輸出讀出的數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)被保存到DICE 單元中。在讀出數(shù)據(jù)后，節(jié)點(diǎn)QI1、QI2 與靈敏放大器的通路斷開，這時(shí)輸出Q 只與DICE 鎖存器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)有關(guān)，由DICE 鎖存器的抗SEU 特性可知，這時(shí)的輸出具有抗SEU 的能力。

但該結(jié)構(gòu)有一個(gè)缺點(diǎn)，就是QI2 通路的延時(shí)1 會(huì)增加數(shù)據(jù)輸入到Q 的時(shí)間，而對(duì)于SoC 芯片來說，該部分的延遲是希望被省下的，為了改進(jìn)SoC 時(shí)序的問題，對(duì)SRAM 讀出電路部分進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，這就形成了第二種雙模雙互鎖結(jié)構(gòu)電路。

1.2.2 雙模雙互鎖結(jié)構(gòu)讀出電路

本結(jié)構(gòu)在單模讀出電路基礎(chǔ)上做了改進(jìn)優(yōu)化，將延時(shí)電路產(chǎn)生的QI2 信號(hào)用雙模靈敏放大器來替代，并將QI1、QI2 直接與后兩級(jí)讀出單元相連，保證DICE 鎖存特性的同時(shí)進(jìn)一步縮短數(shù)據(jù)的讀出時(shí)間，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙模雙互鎖結(jié)構(gòu)讀出電路

雙模雙互鎖的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一個(gè)兩級(jí)OE 控制的讀出單元，鎖存單元的輸出QI1、QI2 經(jīng)過第一級(jí)OE控制的傳輸門作為第二級(jí)讀出單元的輸入，OE 使能關(guān)斷的情況下，第一級(jí)傳輸門關(guān)閉，鎖存單元的數(shù)據(jù)不會(huì)傳輸?shù)降诙?jí)讀出單元；第二級(jí)讀出單元因OE 的關(guān)斷而被上拉到固定高電平，第二級(jí)讀出單元也將關(guān)斷，沒有新的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絈。只有OE 使能，Q 的數(shù)據(jù)才會(huì)更新。

兩級(jí)帶OE 開關(guān)的讀出結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)讀出做了更好的隔離，只要OE 使能不打開，端口的數(shù)據(jù)就不會(huì)發(fā)生變化，數(shù)據(jù)的擾動(dòng)也將會(huì)在經(jīng)過兩級(jí)OE 開關(guān)的讀出電路后降低，再加上Muller_C 單元的本身特性，該SRAM 讀出電路讀出單元有很好的抗單粒子擾動(dòng)的性能，傳輸門的延時(shí)很小，也不會(huì)增加數(shù)據(jù)讀出的時(shí)間。

本結(jié)構(gòu)的抗SEU 工作原理與第一種電路結(jié)構(gòu)一樣，雙模電路結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)輸入的加固起到了更好的效果，兩級(jí)的Muller_C 單元起到了更好的抗擾動(dòng)作用。而數(shù)據(jù)讀書時(shí)間方面，通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比，雙模雙互鎖結(jié)構(gòu)的讀出電路數(shù)據(jù)讀出時(shí)間比第一種結(jié)構(gòu)縮短了約350 ps。

1.3 讀出時(shí)間Ta 對(duì)比

基于sign off 工藝角和電壓，采用SPICE 仿真工具，分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的SRAM 進(jìn)行了詳盡的仿真驗(yàn)證，4 kB容量的SRAM 讀出時(shí)間對(duì)比如表1 所示。

表1 兩種SRAM 結(jié)構(gòu)讀出時(shí)間對(duì)比(ns)

由表1 的仿真數(shù)據(jù)可以得出，在相同容量的條件下，采用雙模雙互鎖讀出結(jié)構(gòu)的SRAM 讀出時(shí)間縮短10%左右。

2 版圖設(shè)計(jì)

為了防止數(shù)據(jù)輸入通路的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)翻轉(zhuǎn)，在版圖設(shè)計(jì)過程中充分考慮兩組信號(hào)輸入通路之間的間距。

圖4 為單模雙互鎖結(jié)構(gòu)的SRAM 讀出電路，敏感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為間距5.4 μm；圖5 為雙模雙互鎖結(jié)構(gòu)的SRAM讀出電路，敏感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為間距4 μm。

圖4 單模輸入雙互鎖讀出電路版圖

圖5 雙模輸入雙互鎖讀出電路版圖

3 單粒子翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

本設(shè)計(jì)的兩種不同結(jié)構(gòu)的SRAM 分別應(yīng)用于同一款SoC 芯片的兩個(gè)版本，片內(nèi)SRAM 容量為32 kB，流片工藝為0.18 μm CMOS 工藝，單粒子仿真采用結(jié)合TCAD及SPICE 軟件相結(jié)合的方法[14-15]。

單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)采用中國(guó)原子能科學(xué)研究院的HI-13重離子加速器，分別在F、CL、Ti、Ge 和I 五種離子下對(duì)電路進(jìn)行了輻射實(shí)驗(yàn)，兩種結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果如表2所示。

表2 SoC 片內(nèi)SRAM 5 種離子輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在F 離子和CL 離子下，片內(nèi)SRAM 均未發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在Ti 離子、Ge 離子、I 離子下片內(nèi)SRAM均發(fā)生了不同位數(shù)的翻轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在受到較高能量輻射時(shí)，芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)更容易產(chǎn)生。

通過SEU 數(shù)目和單粒子翻轉(zhuǎn)截面的數(shù)據(jù)對(duì)比，相同試驗(yàn)條件下雙模DICE 結(jié)構(gòu)的SRAM 的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)略少于單模DICE 結(jié)構(gòu)的SRAM，計(jì)算得出的單粒子翻轉(zhuǎn)截面結(jié)果數(shù)量級(jí)一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩種結(jié)構(gòu)的SRAM具有相當(dāng)?shù)目箚瘟Ｗ臃D(zhuǎn)能力。

4 結(jié)論

本文提出的兩種基于DICE 結(jié)構(gòu)和Muller_C 單元的讀出電路結(jié)構(gòu)均能有效地提高SoC 片內(nèi)SRAM 的抗單粒子能力和抗擾動(dòng)能力。采用兩種結(jié)構(gòu)SRAM 的SoC 電路于0.18 μm CMOS 工藝線流片驗(yàn)證。雙模DICE 讀出結(jié)構(gòu)的SRAM 電路讀出時(shí)間比單模DICE 讀出結(jié)構(gòu)的SRAM 電路讀出時(shí)間縮短10%，在實(shí)際設(shè)計(jì)SoC 片上RAM時(shí)，可綜合考慮面積、速度、抗SEU 能力來選擇讀出電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。