一種低開銷的三節點翻轉容忍鎖存器設計

摘 要：【目的】隨著半導體技術的發展，集成電路特征尺寸不斷縮小，導致其對軟錯誤更加敏感，因此需要對集成電路存儲單元進行加固。【方法】使用Hspice進行實驗與仿真，基于PTM32nm CMOS工藝，提出了一種低開銷的三節點翻轉容忍鎖存器結構。【結果】該鎖存器包含2個單節點自恢復模塊、1個二級錯誤攔截模塊、3個傳輸門。每個自恢復模塊由1個施密特觸發器和1個鐘控的施密特觸發器組成，首尾相連形成環形結構，有效地實現了三節點翻轉的容忍。【結論】仿真結果表明：與現有的其他功能相同的鎖存器相比，所提出的鎖存器具有完整的三節點容忍能力，并且將功耗、延遲、面積、功率延遲積分別降低了約37.58%、41.25%、27.77%、75.83%。

關鍵詞：鎖存器；軟錯誤；三節點翻轉

中圖分類號：TN47???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1003-5168（2024）08-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.002

Design of a Low-Cost Triple-Node-Upsettolerant Latch

QIN Xuewei

（School of Computer Science and Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China）

Abstract： [Purposes] With the development of semiconductor technology， the shrinking feature size of integrated circuits has made them more sensitive to soft errors， necessitating reinforcement of the storage units in integrated circuits. [Methods] Experiments and simulations were conducted using Hspice. Based on the PTM32nm CMOS process， a low-cost triple node upsets tolerant latch （LTNTL） structure was proposed. [Findings] The latch consists of 2 single-node self-recovery modules， 1 secondary error interception module， and 3 transmission gates. Each self-recovery module consists of a Schmitt trigger and a clock-gating Schmitt trigger connected in a loop structure， effectively achieving tolerance to TNU. [Conclusions] Simulation results demonstrate that compared to other latches with same functions， the proposed latch has complete TNU tolerance capability and reduces power consumption， delay， area， and power-delay product by approximately 37.58%， 41.25%， 27.77%， and 75.83%， respectively.

Keywords： latch; soft errors; triple node upset

0 引言

自從半導體技術進入納米時代以來，晶體管的尺寸顯著減小，導致電路節點的臨界電荷也顯著減少。集成電路（IC）越來越容易受到高能輻射影響而發生錯誤［1］。當輻射環境中的中子、質子、α粒子、γ射線等高能粒子撞擊電路的敏感區域時，在庫倫作用下，會有電子空穴對沿著高能粒子的運動軌跡產生［2］。晶體管的漏極會收集這些產生的電荷，當收集到的電荷超過臨界電荷時，電路的邏輯狀態可能會發生變化，從而導致單節點翻轉（SNU）的發生。近年來由于集成電路尺寸的進一步縮小，產生的電荷共享效應使雙節點（DNU）和三節點（TNU）翻轉也變得更普遍［3］。而鎖存器是集成電路中最常用的時序結構，硬化鎖存器以容忍這些錯誤已成為一個重要的課題。

本研究設計了一種基于施密特觸發器和C單元的高魯棒性三節點容忍鎖存器（LTNTL）原理，包含兩個由2個施密特觸發器組成的單節點自恢復模塊和一個由3個C單元組成的錯誤過濾模塊。當鎖存器中出現錯誤時，可以防止錯誤傳播到輸出節點或直接恢復錯誤，實現最多三個節點的錯誤容忍。

1 加固鎖存器設計

本研究所設計的LTNTL鎖存器結構如圖1所示。其中D和Q表示輸入和輸出；CLK和CLKB分別為系統時鐘和負系統時鐘；TG1-TG3是3個傳輸門；N1-N6和N6b是內部數據節點；ST1-ST4為施密特觸發器，其中ST2和ST4上添加了時鐘控制；C1-C3為C單元，其中C3也添加了時鐘控制以降低功耗與延遲，并在C2添加了一個反相器以保證內部數據正確。C單元是一種常用的錯誤過濾元件［4］，如圖2中（a）（c）所示。它具有兩個輸入和一個輸出，當兩個輸出相同時，將輸出相反的值；若其中一個輸入的值發生變化，輸出將保持不變。施密特觸發器也和C單元一樣，具有錯誤過濾能力［5］，如圖2中（b）（d）所示。但它只有一個輸入，當其輸入節點翻轉時，會將其延遲傳輸到輸出節點。也就是說，如果能快速將輸入節點值恢復，就不會影響輸出節點的值。

當CLK=1且NCK=0時，鎖存器工作在透明模式，并且傳輸門中的所有晶體管導通，同時ST2、ST4、C3關閉，輸入數據傳輸到N1、N3、Q節點，雖然施密特觸發器可以延遲數據傳輸，但由于透明期時間長于延遲時間，于是數據可以正確傳輸到N2、N4節點，從而數據傳輸到所有內部節點。當CLK=1且NCK=0時，鎖存器工作在鎖存模式，所有傳輸門關閉，ST2、ST4、C3打開，N1、N3、Q節點的值也分別由ST2、ST4、C3控制刷新。

2 容錯原理和仿真實驗

本研究設計的鎖存器可以實現任意情況的SUN、DNU、TNU完全容忍。下面將討論鎖存模式下鎖存器遭受錯誤時的容忍原理。

2.1 SNU

SNU：假設電路中只有1個節點發生錯誤。此時可以分為2種情況。

情況1：錯誤發生在自恢復模塊中。以N1翻轉為例，此時ST1和C1將錯誤攔截，N2和N4的值不會發生改變，同時由于N2數據正常，可以通過ST2將N1恢復。

情況2：錯誤發生在過濾模塊中。以N6b翻轉為例，此時C3將錯誤攔截，由于N6數據正常，可以通過反相器將N6b恢復。綜上所述，鎖存器可以實現SNU的容忍。

2.2 DNU

DNU：假設電路中有2個節點發生了翻轉，此時可以分為以下3種情況。

情況1：2個錯誤都發生在錯誤攔截模塊中。以N5和N6發生翻轉為例，錯誤邏輯值通過反相器和C3傳播，將N6b和Q翻轉，此時由于自恢復模塊中的N1、N2、N3、N4邏輯值正常，所以N5和N6可以通過C1和C2恢復，之后N6b和Q也將被反相器恢復。

情況2：1個錯誤發生在自恢復模塊中，1個錯誤發生在錯誤攔截模塊中。以N1、N6為例，此時N6b翻轉，然后ST1、C1、C2將錯誤攔截，由于N2、N4邏輯值正常，所以N1和N6將會分別被ST2和C2恢復，之后N6b也將被反相器恢復。

情況3：2個錯誤都發生在自恢復模塊中。以N1、N2翻轉為例，此時錯誤會被C1和C2攔截，其他節點將不會發生錯誤，Q節點將保持正確邏輯值，N1和N2將在下個透明期恢復。綜上所述，鎖存器可以實現DNU的容忍。

2.3 TNU

TNU：假設電路中有3個節點發生了翻轉，此時可以分為以下4種情況。

情況1：3個錯誤都發生在錯誤攔截模塊中。以N5、N6、Q發生翻轉為例，這種情況與DNU中的情況1類似，此時N6b會被翻轉，由于此時自恢復模塊中的N1、N2、N3、N4邏輯值正常，所以N5和N6將可以通過C1和C2恢復，之后N6b和Q也將被反相器恢復。

情況2：1個錯誤發生在自恢復模塊中，2個錯誤發生在錯誤攔截模塊中。以N1、N5、N6發生翻轉為例，此時N6b和Q會被翻轉，接下來的過程與DNU中的情況2類似，由于N2、N3、N4正常，N2會通過ST2將N1恢復，然后N1、N2、N3、N4會通過C1和C2將N5和N6恢復，之后N6b和Q也將被反相器恢復。

情況3：2個錯誤發生在自恢復模塊中，1個錯誤發生在錯誤攔截模塊中。以N1、N3、N6發生翻轉為例，此時N1和N3會通過C1將N5翻轉，N6將N6b翻轉，N5和N6b會將Q翻轉。由于N2和N4邏輯值正確，N1和N3將會被ST2和ST4恢復，然后N1、N3、N2、N4會通過C1和C2將N5和N6恢復，之后N6b和Q也都將被反相器恢復。

情況4：3個錯誤都發生在自恢復模塊中。以N1、N2、N3發生翻轉為例，這種情況類似DNU中的情況3，N1和N3通過C1將N5翻轉，由于N4正常，C2將會攔截錯誤，N6和N6b也保持正常，于是C3也會攔截錯誤，不會影響Q的邏輯值。綜上所述，鎖存器可以實現TNU的完全容忍。

2.4 仿真實驗

仿真實驗使用預測技術模型（PTM）32納米CMOS技術和Synopsys HSPICE工具進行模擬。電源電壓為0.9 V、溫度為27 ℃、時鐘周期設置為4 000 ps、占空比為50%、PMOS的W/L為2/1、NMOS的W/L為1/1，模擬故障注入的仿真波形如圖3所示。

其中，0～6 ns為SNU模擬，分別模擬N1、N3、N5、Q發生錯誤的情況，從波形圖可以看出，它們都可以迅速從錯誤中恢復，因此鎖存器可以容忍SNU。

6～14 ns為DNU模擬，分別模擬（N1，N2）、（N1，N3）、（N1，N5）、（N5，Q）發生錯誤的情況，從波形圖可以看出（N1，N2）發生錯誤時N1、N2節點不能恢復，但輸出節點Q保持正常，所以這種情況不會影響輸出。除此之外其他節點組在發生錯誤后也均能快速恢復，因此鎖存器可以容忍DNU。

14～30 ns為TNU模擬，分別模擬（N1，N2，N3）、（N1，N2，Q）、（N1，N3，N5）、（N1，N3，N6）、（N1，N3，Q）、（N1，N5，N6）、（N1，N6，Q）、（N5，N6，Q）發生錯誤的情況，從波形圖可以看出，當（N1，N2，N3）、（N1，N2，Q）發生錯誤時，N1、N2、N5等節點會無法恢復，但都不會影響最終的輸出節點Q，而其他的節點組也都可以在極短的時間內恢復正確的邏輯值。因此鎖存器可以容忍TNU。綜上所述，本研究設計的鎖存器對所有的SNU，DNU，TNU均具有完全的容忍能力。

3 性能與開銷對比

將本研究設計的鎖存器與其他相關鎖存器SHLR［6］、DNCS［7］、DNURL［8］、NTHLTCH［4］、TNUHL［1］、DICE4TNU［9］、LCTNURL［10］進行全面對比，包括容忍能力、功耗、延遲、面積、功耗延遲積。所有鎖存器均使用PTM32納米CMOS工藝，實驗條件均與本次試驗相同，對比結果見表1。

SHLR為SNU容忍鎖存器，DNCS、DNURL、NTHLTCH為DNU容忍鎖存器。由表1可知，與其他鎖存器相比，本研究設計的LTNTL鎖存器由于使用了更多的元件以構建錯誤過濾結構，所以略微增加了功耗和面積，但提高了容忍能力，同時降低了傳輸延遲和PDP。LTNTL鎖存器的延遲僅略低于DICE4TNU鎖存器，并擁有最低的PDP。

與TNUHL、DICE4TNU、LCTNURL這三個TNU容忍鎖存器對比結果見表2。本研究設計的鎖存器在保持容忍能力的前提下，功耗、延遲、面積、PDP分別降低了37.58%、41.25%、27.77%、75.83%。

4 結語

隨著半導體工藝的發展，由高能粒子撞擊引起的TNU變得更加嚴重。許多現有鎖存器對TNU沒有抗性或者自身開銷較大。針對這些問題，本研究設計了一種高性能、低功耗的LTNTL鎖存器。該設計結合了施密特觸發器、時鐘門控技術、高速傳輸路徑，在降低功耗、延遲、面積的同時具有較高的可靠性。HSPICE仿真結果表明了該鎖存器的TNU容忍能力，與現有的抗輻射鎖存器相比，該鎖存器的功耗、延遲、面積、PDP分別降低了37.58%、41.25%、27.77%、75.83%。

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收稿日期：2023-10-27

作者簡介：秦學偉（1999—），男，碩士生，研究方向：集成電路可靠性設計。