WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

БАРБАШОВ ВЯЧЕСЛАВ МИХАЙЛОВИЧ

МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ПРИ РАДИАЦИОННЫХ И

ЭЛКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ НА

ОСНОВЕ АППАРАТА НЕЧЕТКИХ ФУНКЦИЙ

05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и

систем управления

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Автор:

Москва – 2010

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена решению важной научной проблемы - созданию и развитию методов и средств теоретического и экспериментального моделирования работоспособности современных изделий микроэлектроники при воздействии радиационных и электромагнитных излучений на основе аппарата нечетких функций, позволяющих решить важную народнохозяйственную задачу определения и обеспечения радиационной стойкости перспективной электронной компонентной базы (ЭКБ) устройств вычислительной техники и систем управления военного, космического и другого специального назначения.



Актуальность работы связано с тем, что в современных и перспективных системах управления, предназначенных для работы в условиях воздействия радиационных и электромагнитных излучений различного физического происхождения, широко используются современные функционально-сложные изделия микроэлектроники. Применение традиционных подходов к оценке и прогнозированию таких устройств, основанных на анализе деградации электрических характеристик, во многих случаях не применим в силу трудоемкости и невозможности учета всех возможных факторов, влияющих на показатели радиационной стойкости.

Переход на функциональный уровень с одной стороны, расширяет возможности анализа, но с другой стороны, приводит к потере важной для потребителя информации о поведении объекта на электрическом уровне (на уровне параметров). Поэтому возникла необходимость разработки новых методов, основанных на многоуровневом иерархическом подходе и учитывающих специфику современной ЭКБ.

Анализ поведения ЭКБ к воздействию дестабилизирующих радиационных факторов показал невозможность их создания без использования различных систем моделирования ЭКБ, обеспечивающих необходимую адекватность описания и точность расчета. Методы и средства автоматизированного проектирования сложных объектов, как правило, строятся по иерархическому принципу. За последние годы сформировалась определенная структура уровней иерархии и в микроэлектронике. Необходимость учета воздействия радиационных и электромагнитных излучений вносит в процедуру моделирования дополнительные сложности.

Использование традиционного подхода прогнозирования радиационной стойкости ЭКБ заключается в выделении уровней описания объекта и моделирования его поведения на каждом из них, сталкивается с рядом ограничений, вызванных отсутствием формальной связи между алгебраической структурой моделей различных уровней описания. Такие ограничения вызваны следующими факторами: сложностью ЭКБ, многообразием физических эффектов, вызывающих неоднозначную и нестабильную работу, а также наличием зависимости радиационной стойкости от режимов работы.

Типичной для задач, связанных с обеспечением качества функционирования ЭКБ, является трехуровневая иерархия, включающая функционально-логический, электрический и физический уровни модельного описания. Анализ и моделирование радиационного поведения ЭКБ на физическом и электрическом уровнях описания дает детальную оценку поведения объекта, однако он не эффективен вследствие ограниченных возможностей физических, а так же электрических моделей и больших размерностей решаемых задач. При переходе на функционально-логический уровень моделирования имеет место существенное сокращение сложности задачи и объема вычислений. Так, например, моделирование ионизационной реакции цифровых ЭКБ на функционально-логическом уровне с использованием VHDL-моделей дает выигрыш по времени моделирования воздействия импульсного ИИ по сравнению со "SPICE" от 380 раз (для 4-х разрядного сумматора) до 6000 раз (при моделировании 16-разрядного микропроцессора). При этом потеря в точности моделирования не превышает 15% по времени событий.

Однако сложившаяся процедура моделирования не всегда позволяет достичь намеченного результата при анализе радиационного поведения современной ЭКБ.

Основными недостатками существующих сегодня приемов реализаций иерархического подхода для решения задач радиационной стойкости являются:

1). Взаимная независимость функционально-логического уровня относительно электрического не позволяет отразить в явном виде зависимость радиационно-чувствительных параметров ЭКБ от уровня и характера воздействия;

2). Предположения о пороговом и недетерминированном характере отказов ЭКБ, в то время как радиационные отказы ЭКБ являются детерминированными и не носят пороговый характер отказа. Такие отказы являются следствием непрерывных физических процессов в полупроводниковых материалах ЭКБ при облучении.

Таким образом, существующие недостатки приводят к трудностям анализа радиационного поведения ЭКБ в рамках стандартной иерархии модельного описания. Они обусловлены физикой происходящих при облучении ЭКБ процессов. Так, например: модели функционально-логического уровня представляют собой детерминированные модели конечных цифровых автоматов (элементами носителя в этом случае являются формальные логические переменные или абстрактные непрерывные функции времени); модели электрического уровня описываются с помощью физических законов (уравнения Максвелла, законы диффузии и т.п.), связанных с переносом электрического заряда и влиянием электрических, магнитных и радиационных полей на параметры рассматриваемых ЭКБ (физический смысл элементов носителя для этого уровня – токи и напряжения, концентрация носителей заряда и т.п.); на физическом уровне используются, как правило, вероятностные модели, описываемые дифференциальным уравнением Шредингера, кинетическим – Больцмана, а элементами носителя являются координаты частиц в обычном пространстве или в пространстве волнового вектора.

Преодоление таких ограничений возможно посредством совместного использования и сопоставления моделей, имеющих не только разнообразную математическую структуру, но и оперирующих переменными различной физической природы.

В этой связи автором предложено решение важной и актуальной научной задачи, направленной на повышение достоверности анализа и прогнозирования радиационной стойкости ЭКБ на основе использования аппарата нечетких функций. Разработаны методы моделирования радиационного поведения ЭКБ на основе критериальных функций принадлежности (КФП), которые являются исходными для нахождения взаимосвязи между моделями функционально-логического и электрического уровней при решении задачи оценки радиационной стойкости. Решение этих задач представляется возможным путем введения новых классов функционально-логических моделей цифровых устройств на основе автомата Брауэра. Такие модели сочетают в себе как основные преимущества традиционных логических моделей, так и моделей, обеспечивающих возможность задания в них в явной форме зависимостей радиационного поведения элементов цифровых устройств от режима работы, конструктивно-технологических, схемотехнических и архитектурных реализаций. К особенности автомата Брауэра относится то, что входными воздействиями являются не только электрические сигналы, но и радиационные переменные другой физической природы, не интерпретированные в рамках общепринятых моделей электрического или функционально-логического уровня описания. Использование функционально-логических моделей радиационного поведения цифровых устройств, типа автомата Брауэра, позволяет ввести на этом уровне моделирования систему обобщенных показателей (индексы сравнения), отражающих характер нарушения их работоспособности при облучении и относительный вклад в него отдельных элементов, входящих в состав анализируемого объекта.

На каждом из уровней иерархического моделирования реализуется комплекс методов и средств как экспериментального, так и математического моделирования. При этом данные экспериментального моделирования соответствующего уровня являются исходными для корректировки параметров моделей и реализуются системой экспериментальных методов на базе физических имитаторов, основанные на применении имитирующих воздействий различной физической природы. В этом случае следует отметить, что возникающие при облучении в ЭКБ радиационные эффекты приводят к адекватному изменению электрических и функционально-логических характеристик, возникающих в реальных условиях эксплуатации.

В этой связи расчетно-экспериментальные методы определения показателей стойкости ЭКБ к воздействию радиационных и электромагнитных факторов заключаются в совместном использовании моделей и экспериментальных результатов определения доминирующих эффектов в ЭКБ.

Появившиеся и развитые в последние годы методы имитационного моделирования радиационных эффектов открывают в этом плане новые возможности. Использование имитационного воздействия обеспечивает значительное снижение стоимости и увеличение производительности проводимых испытаний при сохранении необходимого соответствия и достоверности результатов, полученных на моделирующих физических установках. При этом появляется возможность существенного расширения экспериментальных данных, получаемых непосредственно в процессе проведения испытаний ЭКБ. В этом случае происходит значительное улучшение технико-экономических характеристик за счет сокращения объема испытаний на моделирующих физических установках.

Поэтому, в настоящее время существует актуальная научная проблема, заключающаяся в разработке нового поколения методов и средств расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения ЭКБ при воздействии ионизирующих и электромагнитных излучений, основанных на использовании аппарата нечетких функций и направленных на повышение радиационной и электромагнитной стойкости перспективной ЭКБ устройств вычислительной техники и систем управления объектов специального назначения.

Настоящие исследования проводились с 1980 по 2011 год в МИФИ, НИЯУ МИФИ и ЭНПО СПЭЛС, итогом которых и является данная работа.

Состояние вопроса. Основы исследования физики радиационных эффектов в полупроводниковых приборах и изделиях электронной техники были заложены Н.А. Ухиным, Е.А. Ладыгиным, Ф.П. Коршуновым, В.С. Вавиловым, а также представлены в целом ряде отечественных и зарубежных работ. Современные исследования радиационной стойкости ЭКБ показывают, что разнообразие технологий ЭКБ, особенности схемотехнического и конструктивного исполнения микросхем, их функциональная реализация и условия применения приводят к существенному различию в характере поведения конкретных ЭКБ под действием радиации. Методы и средства моделирования в этой области отражены в работах Т.М. Агаханяна, Е.Р. Аствацатурьяна, Д.В. Громова, А.Ю. Никифорова В.С. Першенкова, В.Д. Попова, П.К. Скоробогатова, А.И. Чумакова, И.И. Шагурина и других российских и зарубежных ученых.

Решение задач прогнозирования радиационных отказов и разработка методов повышения радиационной стойкости БИС и СБИС возможны только на основе средств автоматизированного проектирования. Основы теории и использования САПР для целей радиационной электроники заложены в работах А.Я. Архангельского, Н.Г. Левшина и ряда других авторов. Можно констатировать, что используемые модели компонентной базы описывают по существу различные аспекты поведения одного и того же объекта, их на практике упорядочивают в определенной последовательности, сводя к иерархически организованной структуре уровней модельного описания: физический, электрический и функционально-логический.

Результаты исследований влияния поверхностных радиационных эффектов в структуре диэлектрик – полупроводник на свойства КМОП элементов и ЭКБ получили развитие в работах В.С. Першенкова, В.Д. Попова, А.Ю. Никифорова, В.А. Тельца, А.И. Чумакова, Дж. Митчелла, а также в целом ряде других отечественных и зарубежных работ.

В работах Л.О. Мыровой, А.З. Чепиженко, Л.У. Рикетса обобщены исследования в области воздействий ионизирующих и электромагнитных излучений. В трудах А.И. Чумакова рассмотрены основные радиационные эффекты в полупроводниковых приборах и ЭКБ при воздействии радиационных факторов космического пространства. Впервые с единой позиции проанализированы отказы и сбои, вызываемые отдельными ядерными частицами, обобщены методы защиты от них.

Возможности использования аппарата нечетких функций в области моделирования поведения ЭКБ при воздействии радиационных излучений были продемонстрированы в работах: Е.Р. Аствацатурьяна, В.А. Беляева, В.Л. Зайцева, П.К. Скоробогатова, Н.С. Трушкина, автора диссертации.

Поэтому возникла необходимость развития предложенных методов и средств, а также распространения их на современные изделия микроэлектроники, которые основаны на расширении возможностей функционально-логического моделирования, реализованного на модели нечеткого цифрового автомата Брауэра. Такой подход позволяет формализовать задания межуровневых связей функционально-логического и электрического при решении задачи прогнозирования радиационного поведения ЭКБ.

Цель диссертации - повышение достоверности анализа и прогнозирования радиационной стойкости изделий микроэлектроники на основе комплексного развития методов и средств расчетно-экспериментального моделирования на функционально-логическом уровне описания при воздействии радиационных и электромагнитных излучений; создание теоретических положений и технических средств для определения критериальных функций принадлежности по выбранной модели и выявление их взаимосвязи с моделями двух уровней.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- обоснованием использования иерархического подхода организации структуры уровней модельного описания, включающего переменные не только электрического и логического уровней, но и характеристики радиационного воздействия на ЭКБ;

- выделением доминирующих механизмов, приводящих к изменению электрических параметров ЭКБ при воздействиях ионизирующих излучений и мощных одиночных импульсов напряжения и разработкой механизма их учета на вышележащих уровнях;

- выбором и обоснованием использования теории нечетких множеств для построения математических моделей ЭКБ при воздействии радиационных и электромагнитных излучений, позволяющего ввести в модель конечного автомата дополнительные истинностные переменные - КФП и тем самом расширить набор базисных операторов, значение переменных которых принадлежат непрерывному множеству [0, 1];

- созданием и реализацией расчетно-экспериментального метода определения КФП логических элементов и ЭКБ по виду радиационного воздействия и выбранной модели физического и электрического уровней иерархического описания и выявления их взаимосвязей;

- разработкой методик математического моделирования работоспособности ЭКБ на функционально-логическом уровне описания на основе использования аппарата нечетких функций при воздействии ионизирующих и электромагнитных излучений;

- развитием и реализацией математических моделей с использованием критериальных функций принадлежности (КФП) и автомата Брауэра, позволяющих учесть радиационные факторы;

- развитием расчетно-экспериментальных методик определения доминирующих показателей стойкости ЭКБ для построения КФП при воздействии ионизирующих и электромагнитных излучений;

- адаптацией к функционально-логическому уровню описания базовых методик и аппаратных средств для имитационного моделирования доминирующих механизмов воздействия стационарного ИИ, импульсного ИИ и электромагнитного излучения на ЭКБ;

- проведением расчетной и экспериментальной проверки созданного математического обеспечения для оценки работоспособности ЭКБ при воздействии ИИ на базе разработанных методик исследований и внесением изменений в параметры моделей ЭКБ электрического уровня;

- разработкой методов повышения точности прогнозирования радиационной стойкости цифровой ЭКБ с целью обеспечения заданных требований по стойкости при воздействии ионизирующих и электромагнитных излучений.

Научная новизна и значимость диссертации:

1. На основе математического аппарата теории нечетких множеств и критериальных функций принадлежности разработаны оригинальные методы построения функционально-логических моделей радиационного поведения ЭКБ, дающие возможность определить взаимосвязь между моделями разных уровней (функционально-логического и электрического), что позволило учесть особенности радиационного поведения электрических характеристик ЭКБ на функционально-логическом уровне описания.

  1. Впервые на базе метода КФП предложен новый класс функционально-логических моделей цифровых устройств (автоматы Брауэра), сочетающий в себе достоинства традиционных логических моделей схемного типа и моделей, обеспечивающих возможность задания в них в явной форме зависимостей, учитывающих радиационное поведение элементов цифровых устройств от режима работы, конструктивно-технологических, схемотехнических и архитектурных особенностей их реализации.
  2. На основе автомата Брауэра, предложены индексы сравнения, характеризующие систему обобщенных показателей, отражающих степень соответствия статических или динамических критериальных параметров электрического уровня описания выбранному разработчиком критериальному отношению. При этом, в качестве показателя работоспособности выбирается отношение, устанавливающее соответствие результатов функционирования устройства при заданных: предыстории облучения, структуре входных данных и режимах работы некоторой эталонной функции при нулевом уровне воздействия.
  3. Разработаны оригинальные алгоритмы расчета статических КФП, КФП «отжига» логических элементов и ЭКБ при стационарном облучении, импульсных КФП, КФП, отражающие динамические процессы в асинхронных автоматах при стационарном облучении и позволяющие использовать их в соответствии с типом излучения и выбранными критериальными параметрами для определения уровня стойкости.
  4. Разработаны методические основы расчетно-экспериментального моделирования проведения исследований ЭКБ на стойкость к воздействию стационарного, импульсного и электромагнитного излучений, позволяющие существенно повысить достоверность проведения экспериментальных исследований, снизить погрешности и, на этой основе, в несколько раз сократить объем и продолжительность испытаний на моделирующих установках и имитаторах. Полученные расчетным путем критические и доминирующие параметры ЭКБ дали возможность целенаправленно разрабатывать методики испытаний, которые позволили рекомендовать разработанные методы прогнозирования в качестве необходимого этапа при проведении испытаний ЭКБ на стойкость к остаточным, переходным эффектам и импульсной электрической прочности.

Практическая значимость и внедрение результатов работы:

1. Научные результаты диссертации использованы на практике при разработке и обеспечения радиационной стойкости на предприятиях «НИИМЭ и Микрон», ОАО «НПП Сапфир», ОАО «Ангстрем», ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.А. Седакова, Секции приклодных проблем при Президиуме РАН, ОАО «ЭНПО СПЭЛС» и др., которые позволили улучшить радиационную стойкость цифровых ИС: БИС ППЗУ 556РТ7 к воздействию специальных факторов с характеристиками 7.И7 (7.С4) до группы 2Ус, БИС ППЗУ 1622 РТ5, ПЗУ 1656РЕ4 с характеристиками 7.И7 (7.С4) до группы 3Ус, БИС КМОП/КНС ОЗУ 1604РУ1/2, 1620РУ1/2, Б1620РУ2-2, Б1620РУ54-2, 1620РУ7Т с характеристиками 7.И6 (7.С5) в том числе микросхемы серий: 1284, 1100, 1825, 1890, 1886, 1878, 1287, 1446, 1508, 5508, 5525, 5801, 5659, 5107, 5600 и др; базовые матричные кристаллы серий: 5511БЦ1У и НБЦ1501Ти др.; микросхемы памяти серий: 1620, Б1620, 1638, 1645, 1636, 1640 и др. до уровня безотказной работы соответствующей требованиям ТЗ и ТУ.

  1. Разработаны, апробированы и внедрены на базовых предприятиях оборонной промышленности и в организациях МО РФ методики испытаний различных перспективных ЭКБ на моделирующих установках и лабораторных имитаторах, которые позволяют учитывать особенности ЭКБ на основе метода КФП, осуществляющей взаимосвязь между моделями разных уровней. Разработанные методики испытаний позволяют улучшить технико-экономические характеристики ЭКБ за счет повышения оперативности испытаний и обеспечения точности экспериментальных результатов.
  2. Проведена серия испытаний различных типовых КМОП, КМОП/КНС, КМОП/КНИ, n-МОП, ТТЛ, ТТЛШ, И2Л ЭКБ при воздействии ионизирующих излучений и мощных одиночных импульсов напряжения, подтвердивших достоверность разработанных расчетно-экспериментальных методов и моделей определения показателей стойкости анализируемой элементной базы с точностью, определяемой адекватностью параметров модели электрического уровня описания и погрешностью дозиметрии.
  3. Впервые проанализирована и экспериментально определена система параметров для оценки стойкости ЭКБ на функционально-логическом уровне описания к воздействию одиночных импульсов напряжения (ОИН) основными источниками которых являются: электромагнитное излучение естественного и искусственного происхождения; электрические разряды; разряды, вызванные накоплением заряда в элементах космических аппаратов при воздействии излучений, исследованы и систематизированы зависимости критериальных параметров работоспособности ЭКБ (цифровых устройств) на кремниевых, КНИ, КНС и GaAs структурах – всего более 30 типов изделий и тестовых структур.
  4. На основе метода КФП для кремниевых, КНИ, КНС, GaAs ИС проведен теоретический анализ адекватности и достоверности методик испытаний и измерения параметров. С учетом полученных результатов разработаны методики имитационных испытаний для определения фактических показателей импульсной электрической прочности (ИЭП) по критерию параметрических отказов, что позволило расширить диапазон справочных данных и повысить достоверность испытаний. Показано, что показатели ИЭП зависят от предельно-допустимых значений амплитуды, длительности и формы ОИН, группы выводов испытуемых изделий, конструктивно-технологических параметров структур. Апробация проведена в ходе сравнительных испытаний на имитаторах различных классов.
  5. Разработаны и обоснованы методы и рекомендации по повышению стойкости ЭКБ, обеспечивающие использование ЭКБ с предельными уровнями стойкости (ГОСТ РВ 20.39.414.2-98) на основе отбора типов ЭКБ с оптимальными параметрами базовых структур, режимов и условий эксплуатации. Результаты исследований внедрены в «НИИМЭ и Микрон», ОАО «НПП Сапфир», ОАО «Ангстрем», ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.А. Седакова, Секции приклодных проблем при Президиуме РАН, ОАО «ЭНПО СПЭЛС» и др. в ходе разработки более 10 серий радиационно-стойких ИС. Материалы диссертации использованы при подготовке межотраслевого методического руководства МО РФ (Инв. № 12/186) по методам оценки и обеспечения радиационной стойкости, а также более чем в 30 НИР и ОКР по исследованию и созданию радиационно-стойких изделий микроэлектроники и систем на их основе.
  6. Результаты диссертации использованы в учебном процессе НИЯУ МИФИ при постановке учебных курсов «Общая электротехника и электроника», «Автоматизированное проектирование электронных устройств», а также были использованы при подготовке лабораторного практикума по курсам «Организация микропроцессорных систем» и «Общая электротехника и электроника».

Апробация результатов работы.

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на 2-х Международных, 15 Всесоюзных и Всероссийских, 21 региональных, межотраслевых и отраслевых конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе: на I межотраслевом совещании «Создание ППП и ИС устойчивых к воздействию внешних факторов для особо надежной не резервируемой РЭА», г. Винница, 1982 г.; на « ХII совещании по координации НИР на ИЯР», г. Алма-Ата, 1982 г.; на I Всесоюзном совещании-семинаре «Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах ИС», г. Гурзуф, 1983 г.; на ХХХ научной конференции МИФИ «Физическая электроника, электронные приборы и установки, и электрофизические установки и ускорители», г. Москва, 1983 г.; на II межотраслевом совещании «Проблемы создания ППП и ИС, устойчивых к воздействию внешних факторов для особо надежной РЭА», г. Душанбе, 1984 г.; на ХХХI научной конференции МИФИ «Физическая электроника, электронные приборы и установки, и электрофизические установки и ускорители», г. Москва, 1985 г.; на II Всесоюзном совещании-семинаре «Математическое моделирование и экспериментальные исследования электрической релаксации в элементах ИС, г. Одесса, 1986 г.; на Совещании-семинаре «Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ, элементов и материалов к воздействию ИИ ЯВ», г. Москва, 1986 г.; на ХХХII научной конференции МИФИ «Радиационная электроника и микроэлектроника», г. Москва, 1987 г.; на III межотраслевом совещании-семинаре «Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ, элементов и материалов к воздействию ИИ ЯВ» г. Баку, 1987 г.; на ХV Всесоюзном совещании по использованию ИЯР, г. Обнинск, 1988 г.; на V межотраслевом совещании «Создание ППП и ИС устойчивых к воздействию внешних факторов», г. Москва (НПО «Взлет»), 1988 г.; на IV межотраслевом совещании-семинаре «Проблемы создания полупроводниковых приборов и ИС, стойких к воздействию внешних факторов (ВВФ)» г. Винница, 1998 г.; на VII Международной конференции по микроэлектроники «Микроэлектроника-90», Белорусь, 1990 г.; на V Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы радиационной и электромагнитной стойкости радиоэлектронной аппаратуры и электрорадио изделий», г. Челябинск-70, 1990 г.; на V межотраслевом совещании-семинаре «Проблемы создания полупроводниковых приборов, ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ», г. Петрозаводск, 1991 г.; на VI межотраслевом семинаре «Радиационные процессы в электронике», г. Москва, 1994 г.; на международной конференции «Proceedings of the Third Workshop on Electronics for LHC Experiments», London, 1997; на научной сессии МИФИ «МИФИ-1998 - 2009», г. Москва, 1998, 1999, 2002, 2004, 2005, 2006, 2008, 2009 гг.); на Российской научной конференции «Радиационная стойкость электронных систем – Стойкость 1998 - 2009» г. Лыткарино, 1998, 1999, 2001, 2003, 2005, 2006, 2009, 2010 гг.; на научно-технической конференции «Электроника, микро- и наноэлектроника», гг. Пушкинские горы, Гатчина, Петрозаводск, 2001, 2006, 2008 г.; на Российской научно-технической конференции «Аппликативные вычислительные системы (АВС` 2008)», г. Москва, 2008 г.

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 96 научных трудах, из которых 63 опубликованы, в том числе: 1 межотраслевое методическое руководство МО РФ (№ 12/186), 2 учебных пособия, 26 статей, из них 17- входящие в перечень ВАК РФ, более 38 тезисов докладов на международных, Всесоюзных, Российских конференциях и семинарах.

Основные результаты диссертации вошли в отчетные материалы по 30 госбюджетным и договорным НИР и ОКР.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Содержит 341 страницы печатного текста (включая приложения), 44 таблицы, 186 рисунка и библиографию, включающую 197 наименований.

Автор защищает:

  1. Метод расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения ЭКБ на основе иерархически организованной структуры уровней модельного описания, включающей автомат Брауэра для формирования нечетких логических функций с целью повышения достоверности моделирования радиационной стойкости.
  2. Метод построения функционально-логических моделей радиационного поведения ЭКБ, дающий возможность формализовать задания межуровневых связей (функционально-логического и электрического) и позволяющий учесть особенности радиационного поведения электрических характеристик ЭКБ на функционально-логическом уровне моделирования.
  3. Модели и результаты моделирования радиационного поведения ЭКБ различных типов и сложностей при описании остаточных, переходных радиационных эффектов и эффектов воздействия электромагнитного излучения. Методики расчета КФП, которые определяются раздельно для каждого вида излучения и учитывают характер протекания физических процессов в ЭКБ.
  4. Функционально-логические модели цифровых устройств (автоматы Брауэра), которые отличаются от традиционных, введением дополнительных истинностных переменных – КФП, приводящих к расширению набора базисных операторов. Это позволило перейти к модели, где значения переменных принадлежат непрерывному множеству [0, 1] и обеспечить возможность задания в них в явной форме зависимостей радиационного поведения ЭКБ цифровых устройств от режима работы, конструктивно-технологических, схемотехнических и архитектурных особенностей их реализации.
  5. Новый класс параметров - индексы сравнения, характеризующие радиационную стойкость ЭКБ с позиции их функционально-логического описания.
  6. Алгоритмы расчета КФП логических элементов ЭКБ: при стационарном и импульсном облучении, послерадиационном «отжиге» и алгоритм расчета КФП, отражающих динамические процессы, для обеспечения заданных уровней показателей стойкости полупроводниковой компонентной базы.
  7. Методику определения и уточнения параметров моделей с помощью использования имитационных методов моделирования стационарного, импульсного ИИ и электромагнитного излучения, включающих: анализ работы ЭКБ, основанный на использовании аппарата нечетких функций с целью определения параметрических и функциональных отказов ЭКБ, рекомендации по обеспечению адекватности моделирования с использованием данной методики.
  8. Результаты применения расчетно-экспериментальных методов определения стойкости ЭКБ к воздействию ионизирующих и электромагнитных излучений, подтверждающие обоснованность применения предложенных методов и моделей на широком классе ЭКБ.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ





Во введении обоснована актуальность темы диссертации, указаны её цели, задачи, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

  1. Многоуровневое иерархическое моделирование поведения цифровой ЭКБ при воздействии радиационных и

электромагнитных излучений

Сложность ЭКБ, многообразие физических эффектов, вызывающих нестабильную работу при воздействии радиационных факторов, приводит к необходимости совместного использования и сопоставления моделей, имеющих не только разнообразную математическую структуру, но и оперирующих переменными различной физической природы (логические, электрические, физические и т.п.).

Для создания законченных функционально-логических моделей (ФЛ) компонентной базы и интегральных схем в диссертации определены доминирующие эффекты при воздействиях ионизирующих и электромагнитных излучений.

В ходе исследования показано, что отказы ЭКБ вызваны эффектами: ионизации; структурными повреждениями; выделением тепла.

В зависимости от типа ИИ и характера физических процессов, происходящих в ЭКБ при облучении принято разделять на поверхностные, объемные и локальные ионизационные эффекты. Воздействие импульсных ИИ на ПП и ЭКБ приводит к кратковременной ионизации, что проявляется на электрическом уровне ионизационными токами p-n переходов. Ионизационная реакция ПП и ЭКБ определяется первичными и вторичными объемными ионизационными эффектами:

- первичные эффекты обусловлены ионизацией различных областей ПП и ЭКБ и связанными с этим кратковременными (соизмеримыми с тактовыми частотами и быстродействием ЭКБ) изменениями параметров приборов (статические, динамические, функциональные).

- вторичные ионизационные эффекты определяются реакцией облучаемого объекта на ионизацию (усиление ионизационного тока, "радиационное защелкивание", индуцированный вторичный пробой и т.п.) и могут в общем случае носить долговременный характер.

Наряду с внутренними процессами в кристаллах ПП и ЭКБ при радиационных воздействиях имеют место сопутствующие внешние эффекты воздействия электромагнитных помех на выводы и токи утечки между выводами. В частности появление на выводах ЭКБ импульсов напряжения и тока происходит в результате воздействия на ЭКБ ЭМИ, что может привести к параметрическим отказам ЭКБ, к отказам вследствие теплового вторичного пробоя, электрического защелкивания и пережигания металлических шин. Таким образом, специализированный характер применения ЭКБ обуславливает широкий спектр возможных радиационных факторов (рентгеновское, -излучение, электроны, нейтроны и т.п.).

В соответствии с этим радиационная стойкость ЭКБ в процессе функционирования определяется неоднозначностью характера отказа, различием в чувствительности ЭКБ, влиянием режима работы, наличием конкурирующих процессов - деградации и восстановления. Все эти факторы приводят к тому, что во многих случаях радиационные отказы ЭКБ и входящие в ее состав логические элементы являются следствием непрерывных физических процессов в материалах под действием излучения и носят не пороговый, и во многих случаях, немонотонный характер. Это позволяет отказаться от бинарного множества состояний (лог. «0», лог. «1» или «исправен» «неисправен») и ввести для описания состояния объекта исследования характеристическую функцию принадлежности, значения которой лежат в интервале [0, 1].

Актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью повышения стойкости ЭКБ и прогнозирования отказоустойчивости аппаратуры при использовании, как на этапе проектирования, так и в реальных ЭКБ в условиях ограниченных возможностей существующих методов моделирования радиационного поведения ЭКБ. Проведенный в диссертации анализ деградации статических, динамических и функциональных параметров ЭКБ показал преимущество и эффективность использования расчетно-экспериментальных методов моделирования работоспособности ЭКБ и устройств на функционально-логическом уровне их описания, работающих в условиях возникновения остаточных, переходных радиационных эффектов и воздействия электромагнитного импульса. При этом функционально-логическая модель опирается на математический аппарат алгебры Брауэра, что позволяет сохранить преимущества булевой функционально-логической модели и, вместе с тем, дает возможность анализировать влияние доминирующих физических механизмов деградации на процесс параметрического отказа цифровых ЭКБ.

Обоснована необходимость исследования существующих модельных представлений для описания работоспособности ЭКБ с целью разработки методов функционально-логического моделирования радиационного поведения ЭКБ, устройств и методов повышения стойкости на схемотехническом и функционально-логическом уровнях описания.

Непосредственное моделирование радиационного поведения ЭКБ на электрическом уровне не в полной мере характеризует их радиационную стойкость, поэтому не может быть практически использовано для построения моделей качества функционирования ЭКБ, частным случаем которой является проблема анализа радиационной стойкости, так как расчетные модели ограничены существующими вычислительными ресурсами. Сделан вывод, что решение таких проблем необходимо искать в классе обобщенных моделей на функционально-логическом уровне.

В ходе исследования показано, что решение вопроса об адекватности методов и средств расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения ЭКБ требует использования многоуровневого модельного описания, включающего в себя функционально-логический, электрический и физический уровни (Рис. 1).

Использование иерархического подхода обусловлено требованиями к работоспособности ЭКБ, которые формируются на основе выполняемых функций и характеризуются электрическими или функционально-логическими параметрами (изменение СПХ, отклонение токов и напряжений, сбои, потеря информации, и т.п.).

Рисунок 1. Иерархическая структура уровней модельного описания электронной аппаратуры

При этом описание и выбор методов расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения ЭКБ должны определяться, как ее спецификой, так и видом воздействия излучения, однозначно связанных с критериями работоспособности на всех уровнях описания. Исходя из иерархически организованной структуры уровней модельного описания, связанной с обеспечением радиационной стойкости,

рассмотрены существующие традиционные модели надежности цифровых ЭКБ,основанные на предположении о пороговом характере отказа, при котором во всем диапазоне внешних воздействующих факторов рассматриваются только два возможных состояния объекта моделирования – «исправен» и «неисправен». Это предположение служит основой для описания функционирования ЭКБ при помощи модели цифрового автомата с привлечением аппарата теории вероятностей (булевы надежностные сети). Однако при построении моделей на функционально-логическом уровне описания корректный учет доминирующих физических механизмов отказов элементов в рамках вероятностного подхода становится невозможным. Это связано с тем, что изменение и деградация параметров внутренних элементов ЭКБ под действием внешних факторов есть непрерывный процесс, при котором точное определение порогового значения внешнего фактора невозможно вследствие зависимости этого значения от заданного критерия работоспособности и от функционирования ЭКБ. Поэтому построение функционально-логических моделей должно начинаться с учета некорректности, возникающей при описании не порогового (параметрического) отказа в рамках булевой надежностной сети.

Для задач, связанных с анализом радиационной стойкости ЭКБ, в качестве функционально-логической модели принято использовать надежностные модели, основанные на вероятностной логике, имеющей структуру булевой решетки и вероятностную метрику. Вместе с тем, преимущественно детерминированный характер радиационных эффектов, наблюдаемых при облучении ЭКБ, их зависимость от предыстории облучения, режима, входных воздействий, условий функционирования приводят к необходимости введения параметрических зависимостей в функционально-логическую модель. В этом случаи описание модели представляется в виде нечетких зависимостей критериальной функции принадлежности (КФП) в дизъюнктивной и конъюнктивной нормальной форме (ДНФ, КНФ, соответственно). Такая модель представляет собой выражение, которое реализовано на основе минимаксной логики, где каждому логическому состоянию ЭКБ сопоставляется функция принадлежности (i), определяемая по критериям работоспособности.

С точки зрения специфики радиационного поведения ЭКБ наибольший интерес представляют операторы (табл. 1), удовлетворяющие аксиоме эквивалентности (идемпотентности), но неудовлетворяющие аксиомам исключения третьего и непротиворечивости.

Таблица 1 – Операторы удовлетворяющие аксиоме эквивалентности и неудовлетворяющие аксиомам исключения третьего и непротиворечивости

Название

операторов

Операторы

пересечения

объединения

Ограниченные нечеткие

Вероятностные

Минимаксные Заде

Логарифми-ческие Франка

Выполнение первой аксиомы эквивалентности подразумевает эквивалентность информации, содержащейся в двух одинаковых по значениям оценках стойкости, полученных разными способами. Что же касается второй аксиомы исключения третьего (непротиворечивости), то ее невыполнение связано с не пороговым характером отказа большинства ЭКБ.

Анализ базовых операторов из таблицы 1 показывает, что единственными операторами, удовлетворяющими одновременно всем выше перечисленным условиям, являются минимаксные генерирующие нечеткие функционально-логические модели дистрибутивной структуры.

Поэтому традиционные вероятностные и информационные подходы анализа и прогнозирования качества функционирования ЭКБ при облучении не отражают особенностей их стойкости в условиях воздействия радиационных и электромагнитных излучений. В этом случаи подходы к расчетно-экспериментальному моделированию и проектированию должны существенно отличаться от различных физических, конструктивно-технологических, схемотехнических, функционально-логических методов, используемых в настоящее время. Это приводит к необходимости разработки новых методов и методик расчетно-экспериментального моделирования ЭКБ.

  1. Функционально-логическое моделирование качества

функционирования современной цифровой ЭКБ при воздействии

радиационных и электромагнитных излучений

Основным недостатком существующих на сегодняшний день подходов к реализации многоуровневого иерархического моделирования является замкнутость функционально-логического уровня относительно электрического, что не позволяет отразить в них в явном виде зависимость радиационно-чувствительных параметров устройства от уровня и вида воздействия. Показано, что метод критериальных функций принадлежности (КФП) создает основу для формализации задания межуровневых связей функционально-логического и электрического уровней при решении задачи анализа радиационной стойкости.

На базе метода КФП в диссертационной работе предлагается новый класс функционально-логических моделей цифровых устройств (автоматы Брауэра), сочетающий в себе, как основные преимущества традиционных логических моделей схемного типа, так и моделей, обеспечивающих возможность задания в них в явной форме зависимостей радиационного поведения элементов цифровых устройств от режима работы, конструктивно-технологических, схемотехнических и архитектурных особенностей их реализации.

Для создания функционально-логических моделей ЭКБ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов было установлено, что использование математических моделей, адекватно отражающих функционирование ЭКБ, заключается в необходимости совместного использования и сопоставления их, имеющих различную математическую структуру и физическую интерпретацию. Если учесть, что все они описывают поведение одного и того же объекта, их можно упорядочить и разделить на два класса модельного описания. В первом классе для описания функционирования ЭКБ в условиях воздействия внешних факторов используется модель с привлечением логики с вероятностными операторами. В этом случае общим для булевых надежностных сетей, к которым относятся модели подобного класса, является то, что в пространстве состояний, построенных для внутренних элементов ЭКБ, выполняются аксиомы булевой решетки. При этом, когда необходим учет физических механизмов отказа ЭКБ построение функционально-логической модели такого класса предполагает переход от аксиоматики булевой решетки к аксиоматике векторной решетки с соответствующей заменой алгебраических операций (объединение и пересечение множеств на булевом вероятностном пространстве) на операции «минимум», «максимум» и «дополнение»:

, для ,                                (1)

где - критериальные функции принадлежности нечетких подмножеств А и В.

В этом случае отсутствие аксиомы «исключенного третьего» или «условия дополнительности» булевой алгебры , в аксиоматике векторной решетки приводит к тому, что характеристическая функция , значение которой лежит в интервале не выбирается произвольно, а определяется конкретным характером доминирующих физических процессов, приводящих к отказу. При этом функционально-логическая модель, построенная на основе булевой алгебры за исключением аксиом «исключенного третьего» или «условия дополнительности», опирается на математический аппарат алгебры Брауэра. Это позволяет сохранить преимущества булевых функционально-логических моделей и, вместе с тем, дает возможность анализировать влияние доминирующих физических механизмов деградации на процесс параметрического отказа цифровой ЭКБ. В этом случае нечеткая функционально-логическая модель оперирует расширенной базой входных воздействий для любых переменных не только электрического или логического уровней описания функционального состояния, но и существенно другой физической природы.

Проведенный анализ особенностей функционирования ЭКБ в условиях воздействия ИИ и ЭМИ позволил установить следующее:

- процессы развития отказов ЭКБ зависят от условий, при которых происходит облучение объекта (электрический, функциональный режимы и т.д.);

- отсутствует ярко выраженная граница между областями работоспособности и неработоспособности цифровой ЭКБ из-за параметрического характера их отказа;

- зависимости параметров ЭКБ от интенсивности воздействия являются непрерывными функциями;

- доминирующие механизмы деградации ЭКБ, как правило, оказывают слабое взаимное влияние;

- традиционная булева модель исправного устройства должна являться частным случаем разрабатываемой модели отказа при нулевом значении внешнего воздействия;

- логические модели входных воздействий должны принадлежать интервалу [0, 1], что обусловлено непрерывным характером протекающих процессов в элементах ЭКБ при облучении.

Анализ многообразия логических моделей показал, что моделями, удовлетворяющими требованию непрерывности основного множества, характеризующими стойкость ЭКБ по отношению к тому или иному механизму радиационного отказа, являются модели, основанные на логике с вероятностными операторами или бесконечнозначной логикой. При этом вероятностная логика входит в широкий класс нечетких логик. Нечеткая логика является простым случаем треугольных норм и конорм, из которых следует, что требованиям невыполнимости аксиом – «исключенное третье» и «непротиворечивость», удовлетворяют минимаксная и «пороговая» нечеткие логики.

Определено, что наиболее близкой к структуре Булевой алгебры является минимаксная логика, относящаяся к классу алгебр Брауэра, ассоциированной с , дизъюнкцией и конъюнкцией высказываний при выполнении условий дистрибутивной решетки для алгебраической модели на интервале [0, 1] и определяется по правилам (Таблица 2.):

; ,                (2)

Показано, что операции min и max являются единственно возможными операциями объединения и пересечения для алгебраической модели на интервале [0, 1]. Поэтому в построении моделей радиационного поведения ЭКБ и устройств на их основе минимаксная нечеткая логика является предпочтительнее по набору своих алгебраических свойств по сравнению с булевой решеткой, частично упорядоченной структурой и т.д.

Таблица 2 - Основные операции над нечеткими множествами

Опе-

ра-

ции

Нечеткие множества

Нечеткие логики

Мини-макс-

ные,

«Вероят

ностные

Ограни-ченные

Мини-

макс-

ные

«Вероят-

ностные»

Ограни-

ченные

Объе-

дине-

ние

Пере-

сече-

ние

До-

пол-

нения

Примечание: - объединение, пересечение и дополнения обычных множеств, соответственно; - вероятностная сумма, пересечение и дополнения обычных множеств соответственно; - ограниченная сумма, пересечение обычных множеств; - основные операции в этих логиках: конъюнкция, дизъюнкция и отрицание соответственно.

Использование автомата Брауэра (АБ) позволяет не только прогнозировать возможность возникновения различного рода функциональных отказов, характерных для сложных цифровых устройств, но и реализовать новый класс параметров (индексы сравнения), характеризующих радиационную стойкость устройств с позиции их функционально-логического описания.

На основании проведенных в диссертации исследований сформулированы требования к функционально-логическим методам моделирования работоспособности ЭКБ, включающих формирование функционально полной системы моделей на основе АБ для всех уровней описания комбинационных и последовательностных ЭКБ, предложены и обоснованы критерии работоспособности (Рис. 2).

Рисунок 2. Модификация моделей автомата Брауэра цифровых устройств

В основу таких методов, позволяющих обеспечить необходимую полноту описания цифровых ЭКБ и систем на их основе, положены табличный, схемно-логический методы и метод скалярных индексов сравнения (табл. 3), а также метод выделения информационных цепей (Табл. 4).

Проведен анализ и выбран тип алгебраической модели описания радиационного поведения ЭКБ на функционально-логическом уровне (Табл. 2). Рассмотрены особенности функционирования ЭКБ в условиях воздействия непрерывного и импульсного ионизирующих излучений, а также электромагнитного излучения.

Разработана функционально-логическая модель для БИС микропрограммного типа, для которой функциональные отказы доминируют над параметрическими. При этом большое число разнообразных видов функциональных отказов, наряду с практически неограниченным числом реализуемых БИС функций, приводит к малой информативности традиционных усредненных подходов их описания. Показано, что модель конечного автомата микропрограммных устройств (МПУ) традиционно строится в виде композиции операционного и управляющего автоматов.

Таблица 3. - Отношения, характеризующие функционирование цифровых устройств в условиях воздействия радиационных факторов

Название отношения

Определение отношения


Функция работоспособ-ности ФР, общее определение

ФР по j-му выходу R-м входном наборе сигналов

ФР по j-му выходу инвариантно входным наборам

ФР по R-му входному набору инвариантно выходным наборам

Обобщения ФР

Функция чувствительности (ФИ), общее определение

Дифференциальная функция важности по Бирнбауму

где

Информационная функция чувствительности первого порядка ИФЧ 1)

Функция предпочтения (ФП)

Функция несовпадения (ФН)

Примечание:

1. Н – функция нечеткой симметрической разности (Н (а, в) = max [min (a, в), min (, в)]).

2. i (ai1, …, ain ) – векторный параметр или переменная, варьируется координата аir; (а ir, i) = (аi1, …, аi r-1, а ir, аi r+1,…, ain); {0,1}.

3. - ФР цифрового устройства при его реализациях .

4. Н1(а, в) = |а - в|.

Это позволяет реализовать автомат Брауэра (АБ) схемного типа для МПУ в виде комбинации операционного автомата (ОАБ) типа МУРА или управляющего автомата (УАБ) типа МИЛИ:

                                               (3)

                                               (4)

                                       (5)

                                                       (6)

                                               (7)

где - множество двоичных факторов входных данных и команд МПУ, микроопераций, условий и выходных данных МПУ, соответственно; - множество двоичных векторов состояний ОАБ и УАБ, соответственно; - функции выхода и перехода ОАБ и УАБ, соответственно; (i = 1, 2, 3; j = 1,2) – векторы критериальной функции принадлежности (КФП), определяющие качество функционирования модулей МПУ в условиях воздействия радиационных факторов; nj – номера тактов автоматного времени (n1 n2), принадлежащих единому циклу выполнения микрооперации.

При этом параметрами АБ схемного типа, которые можно использовать в качестве КФП микроопераций, могут быть функции работоспособности , инвариантные структуре входных данных ОАБ:

                               .

Полученные теоретические результаты позволяют обоснованно определять допустимые границы области эксплуатации МПУ при заданных уровнях воздействия, структуре входных данных и алгоритме работы.

Результаты аналитических расчетов подтверждены экспериментальными данными, полученными при испытаниях различных ТТЛШ, КМОП, КМОП/КНС ЭКБ (Табл. 4, Рис. 3, 4).

На примере ТТЛШ БИС ПЗУ (К1656РЕ4) (табл. 4), видно, что наличие экспериментальной зависимости РС от режима работы (режимы «хранение» и «считывание») совпадают с теоретическими результатами (рис. 3, 4). Так, БИС в режиме «хранение» обладает большей чувствительностью к облучению, чем в режиме «считывание», что составляет 1,5 раза (рис.3б). Это видно по кривой КФП (рис. 3а, х = 1), которая пересекает уровень 0,5 значительно раньше, чем кривая (рис. 3 б, х = 0).

Таблица 4. – Структурный информационный маршрут ТТЛШ БИС ПЗУ К1656РЕ4 и его характеристики

Информационный маршрут

КФП

ФР

х=0

х=1

При расчете БИС использовалась модель инжекционной зависимости ВN(Фн) (Рис. 4а):

,        (8)

где - радиационная константа деградации времени жизни в n-кремнии при высоком уровне инжекции; tпр – время пролета носителей; Фн – флюенс нейтронов; хэ, Рэ, Sэ – глубина залегания периметра и площади эмиттерного перехода; Iкк – ток коллектора, при котором наблюдается спад зависимости; ВN(Iк); А – коэффициент, определяющийся технологическими параметрами (А 10), Iб0 – ток базы VT1 до облучения.

х = 0

х = 1

а)

б)

Рисунок 3. Расчетные зависимости КФП и ФР информационного маршрута ТТЛШ БИС ПЗУ (К1656РЕ4) (табл. 4) от флюенса быстрых нейтронов при входном логическом состоянии: «0» и «1»

а)

б)


Рисунок 4. Экспериментальные и расчетные зависимости и КФП ТТЛШ БИС ПЗУ К1656РЕ4 от флюенса быстрых нейтронов: а) - 1, 2 – область разброса величины в партии ИС из 5 шт.; 3 – расчетная зависимость; б) – КФП в пассивном (1) и активном (2) режимах работы, где критериальным параметром является I0вх(Uвх, Фн)

  1. Методы моделирования радиационного поведения цифровой ЭКБ на функционально-логическом уровне описания

В настоящее время отсутствует методология создания методов моделирования радиационного поведения ЭКБ на функционально-логическом уровне описания, хотя и осуществляется реальное моделирование, и разрабатываются модели отдельно на физическом, электрическом и функционально-логическом уровнях. При этом взаимная независимость моделей различных уровней иерархии и сложность идентификации их параметров в пределах каждого уровня затрудняет задание межуровневых связей и не позволяет обеспечить необходимую достоверность.

Поэтому актуальным является разработка подхода к созданию методов моделирования. Реализация такого подхода к определению показателей стойкости лежит в основе метода критериальных функций принадлежности (КФП), в соответствии с которым изменение характеристик ЭКБ от вида воздействий и особенностей поведения КФП делится на группы и определяется раздельно для каждого типа радиационных воздействий (стационарное, импульсное). Аналогично нормативно-технической документации система параметров ЭКБ делится на три основные группы: статические, динамические и функциональные. Поэтому и КФП целесообразно делить на аналогичные группы и определять раздельно для каждого типа радиационных и электромагнитных излучений.

Для создания законченных моделей ЭКБ с учетом переходных эффектов, в случае однородного равновесного энерговыделения в зависимости от концентрации неравновесных носителей и от длительности импульса ИИ, КФП делятся:

1. КФП, характеризующие уровень бессбойной работы (УБР), где различают два основных случая:

- диапазон «длинных» импульсов ИИ (tи>Tгр), где не зависит от длительности импульса и равна стационарному значению, которое определяется мощностью дозы ИИ, временем жизни и геометрическими размерами областей базы;

- диапазон «коротких» импульсов ИИ (tи<<Tгр) характеризуется линейной зависимостью и полностью определяется мощностью дозы и длительностью импульса.

2. КФП, описывающая процесс восстановления работоспособности ЭКБ .(tвос.) после воздействия ИИ, через которую определяется количественная оценка времени потери работоспособности (ВПР). Время восстановления работоспособности ЭКБ и время «отжига» при дозовых эффектах .(tотж.) адекватно отражают поведение ЭКБ после воздействия ИИ на функционально-логическом уровне описания. В этом случае, КФПОТЖ эквивалентна КФПВПР и описывается следующим соотношением:

,        (9)

где - КФП, - время облучения и отжига соответственно, - коэффициент, характеризующий условия облучения ЭКБ (облучение ЭКБ при включенном и выключенном источнике питания, режимы функционирования).

КФП «отжига» включает две составляющие: первая КФП учитывает зависимость накопления заряда в элементах ЭКБ с учетом входного состояния (логические «1» («0»)) и режима  в момент облучения; вторая КФП характеризует послерадиационный дрейф СПХ («отжиг») с учетом условий облучения и входного состояния (рис. 5).

Рисунок 5. Зависимость динамики изменения Uпор в КМОП ИС от поглощенной дозы

Расчетные и экспериментальные зависимости КМОП БИС от поглощенной дозы приведены на рис. 6 и 7.

Разработаны методические основы построения КФП для логических элементов (ЛЭ) ЭКБ при различных излучениях в основе которых лежит взаимосвязь между вероятностными и порядковыми моделями качества

функционирования, которые для нечеткой логики Заде по своим свойствам являются моделями со структурой метрических решеток де Моргана и могут быть заданы мерой внутренней неопределенности состояния системы при разных уровнях воздействия по отношению к критерию rij, определяющему область работоспособности ЭКБ и являющаяся показателем размытости d(rij). Показано, что показатель размытости – это строго возрастающий с увеличением размытости нечеткого множества симметричный и аддитивный функционал, принимающий максимальное значение в точке и определяющийся соотношением:

,                (10)

где - строго возрастающая функция на [0, 0,5] от , т.е. , , - дестабилизирующий фактор.

Рисунок 6. Экспериментальные зависимости U0вых от времени восстановления (tp) 3-х образцов КМДП БИС ОЗУ К1617РУ6 при поглощенной дозе ИИ - D = 1,2107 рад(Si) и мощности поглощенной дозы Р = 103 рад(Si)/с

Рисунок 7. Расчетные (а) и экспериментальные (б) зависимости µотж. от поглощенной дозы КМОП БИС ОЗУ 1617РУ6

Для метрических решеток нечетких множеств показатель размытости может быть представлен в следующей форме:

где - нормированный множитель; - базовый носитель модели уровня ; - расстояние между двумя нечеткими множествами и ; - подмножество уровня 0,5.

Таким образом, показатель размытости нечеткого множества P определяется величиной коэффициента нечетности:

,                (11)

в интервале значений , на котором строится функция принадлежности. При этом вид КФП логического элемента (ЛЭ) характеризуется неидеальной формой его переключательной характеристики при непрерывных физических механизмах радиационных эффектов, в то время как при определении , форма функции принадлежности есть двоичная аппроксимация функции . Таким образом, величина характеризует неточность Булевой модели ЛЭ по сравнению с моделью, в которой учитывается непрерывность изменения выходной характеристики. Значение приведенного коэффициента неточности на основании вышеизложенного определяется согласно выражению (3.12):

               (12)

где - выходная характеристика ЛЭ; - пороговая характеристика ЛЭ.

Функция принадлежности с учетом (11), (12) в однопараметрическом случае имеет следующий вид:

,                (13)

Здесь интерпретируется как состояние логического «0» («1»). При этом функция принадлежности характеризует степень принадлежности переменной нечеткому подмножеству в котором каждому состоянию на выходе ЛЭ сопоставляется КФП , характеризующая истинность принадлежности его логическому состоянию «0» или «1» по выбранным критериям.

На основании метода построения КФП разработаны методики и алгоритмы расчета статических КФП, КФП «отжига», динамических процессов в асинхронных автоматах с памятью ЛЭ ЭКБ при стационарном облучении, разработан алгоритм расчета КФП для описания функционирования ЭКБ в условиях воздействия импульсного ИИ.

  1. Прогнозирование и обеспечение работоспособности цифровой

ЭКБ различных типов при воздействии радиационных излучений

С использованием разработанных методов построения моделей радиационного поведения ЭКБ на функционально-логическом уровне созданы частные модели цифровых ЭКБ:

- биполярных БИС серии 1656, КМОП БИС серии 1617 в условиях возникновения долговременных изменений статических параметров, обусловленных эффектами смещений и ионизации;

- КМОП БИС серии 1617 в условиях возникновения релаксационных процессов заряда после облучения, обусловленных эффектами ионизации;

- КМОП БИС серии 1617 в условиях возникновения переходных ионизационных эффектов;

- КМОП БИС серии 1617 в условиях возникновения долговременных изменений динамических параметров, учитывающих конструктивно-технологические, схемотехнические и структурные особенности.

Предложены методы применения модели автомата Брауэра для комбинационных и последовательностных цифровых устройств, и на их основе осуществлено прогнозирование радиационного поведения ЛЭ табличным и схемно-логическим методами. Получены результаты расчетов радиационной стойкости реальных КМОП БИС ОЗУ К1617РУ6 (рис. 8, 9, 10) и ТТЛШ БИС ПЗУ К1656РЕ4 (рис. 11) на функционально-логическом уровне их описания.

На основе предложенных моделей для сравнительного анализа разработаны обобщенные характеристики работоспособности цифровых ЭКБ в виде функций работоспособности, чувствительности.

Достоверность разработанных методов и средств расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения ЭКБ на функционально-логическом уровне подтверждаются в работе результатами экспериментальных исследований типовых представителей БИС на моделирующих установках (МУ) и имитаторах лазерного, рентгеновского излучений и специализированного генератора мощных одиночных импульсов напряжения.

Рисунок 8. Выходной каскад КМОП БИС ЗУ 1617РУ6: принципиальная схема; нечеткая модель:

Рисунок 9. Экспериментальные зависимости изменения Uвых от поглощенной дозы ИИ КМОП БИС ОЗУ К1617РУ6 при облучении электронами с энергией Ее = 130 кэВ

Рисунок 10. Расчетные и экспериментальные зависимости КФП КМОП БИС ОЗУ от поглощенной дозы ИИ: а, б – экспериментальные зависимости; в, г – расчетные зависимости

а)

б)


в)

г)


Рисунок 11. Прогнозирования радиационного поведения функционального узла ТТЛШ БИС от флюенса быстрых нейтронов при входном логическом состоянии: «0» и «1»: электрическая схема разрешение выборке (РВ) (а); нечеткая функционально-логическая модель (б); графические изображения КФП и ФР (в); аналитические выражения КФП и ФР (г)

5. Расчетно-экспериментальное моделирование стойкости

цифровой ЭКБ к воздействию электромагнитных излучений

современных источников

С целью оценки импульсной электрической прочности (ИЭП) цифровых ЭКБ в диссертации проведено расчетно-экспериментальное моделирование воздействия мощных одиночных импульсов напряжения (ОИН), вызванных ЭМИ. Определено, что в этих условиях задача анализа влияния ОИН, наводимых ЭМИ на ЭКБ, сводится к двум более частным:

- определению параметров косвенной помехи (наводки), создаваемой ЭМИ на электрических межсоединительных цепях электронных устройств, в том числе на выводах ЭКБ;

- анализу поведения элемента (ПП или ЭКБ) под действием наведенных ОИН.

Установлено, что современные БИС не описываются в рамках одной модели повреждения, поэтому оценка качества функционирования должна быть ориентирована на компоновку моделей с отражением специфики задач. По времени, характеру развития и влиянию на параметры БИС эффекты подразделяются на первичные и вторичные, а первичные и вторичные делятся на переходные и остаточные. Первичные эффекты вызывают временную потерю работоспособности ЭКБ под действием наведенных токов и напряжений, которые проявляются в форме функционального сбоя, изменения внутреннего состояния элемента, выхода режима ЭКБ за допустимые пределы. Влияние ОИН на параметры ЭКБ проявляется в следующих формах: время потери работоспособности; деградация электрических параметров и как следствие функциональный отказ; снижение надежности; катастрофический отказ. Для развития вторичных эффектов необходимо накопление энергии во внутреннем объеме области полупроводника.

На основании проведенных в диссертации исследований сделан вывод, что катастрофические отказы в ЭКБ связаны с параметрами сигналов, воздействующих на внутренние элементы:

- превышение энергии уровня повреждения, выделенной в некотором внутреннем элементе за определенное время;

- превышение предельного уровня тока, протекающего через выделенный внутренний элемент; превышение напряжения предельного и порогового значений, приложенного к некоторому внутреннему элементу;

- превышение предельного значения скорости изменения напряжения на некотором внутреннем элементе.

При описании ЭКБ, как правило, используют представление ее модели в виде композиции двух цифровых автоматов - управляющего и операционного. Такая модель не отражает зависимость импульсной электрической прочности (ИЭП) от структурной, схемотехнической организации ЭКБ и технологии производства.

Такая задача реализуема, если перейти к использованию метода критериальных функций принадлежности (КФП) в виде автомата Брауэра.

КФП для функционального отказа определяется как:

,                (14)

где - коэффициент неточности, который определяется как нормированный модуль разности между измененной под действием ОИН статической переключательной характеристикой и первоначальной ; где j – логическое состояние, для которого строится КФП.

В случае временной потери работоспособности ЭКБ КФП представляет функцию , где t – время с момента начала ОИН и амплитудой :

,                (15)

где ; - пороговая реакция логического элемента.

Для сравнения ИЭП отдельных узлов ЭКБ различных реализаций вводятся специальные характеристики в виде функций: работоспособности, чувствительности и неоднородности.

Функция работоспособности характеризует степень отличия результата функционирования после воздействия ОИН от результата функционирования исправной ЭКБ:

       (16)

где - нечеткие функции; – номер цикла функционирования БИС; - входные сигналы; - информационные сигналы; - вектор КФП.

В граничных точках функция работоспособности принимает вид:

       (17)

Для прогнозирования ИЭП ЭКБ на схемотехническом и структурном уровнях описания модель автомата Брауэра имеет вид:

,                (18)

где - векторы входных и выходных переменных цифровых устройств, соответственно; - вектор внутреннего состояния ЭКБ; - набор КФП, описывающий поведение элементов при воздействии ОИН; - вектор нечетких функций.

ЭКБ реализуется на большом количестве элементов характеристики каждого из которых в различной степени влияют на значения ФР всего цифрового устройства. Для выявления таких элементов вводится функция чувствительности ФР. Чувствительность ФР к варьированию характеристик отдельных элементов () можно определить через отношения приращения ФР, связанных с изменением этих величин, которые в однопараметрическом случае имеют следующий вид:

,                (19)

где - векторный параметр или переменная по которой варьируется координата ; - ФР цифрового устройства.

Выражение (19) используется для локализации доминирующего элемента (ДЭ), обуславливающего отказ в данном логическом состоянии цифрового устройства в целом. Элемент цифрового устройства, имеющий наихудшую ИЭП, т.е. , характеризуется как критический элемент (КЭ). Граничные значения для определяются следующим образом:

Таким образом, процесс прогнозирования функциональных отказов можно представить в виде определенной последовательности этапов:

- оценка существующей элементной базы ЭКБ с точки зрения определения КФП по критерию ИЭП;

- определение функции работоспособности ЭКБ по выражениям (16, 18);

- определение функции чувствительности по формуле (19);

- оценка уровня структурной неоднородности;

- окончательное определение уровня ИЭП как отдельных блоков ЭКБ, так и ЭКБ в целом с учетом приведенных выше исходных данных.

Проведенные исследования на примере КМОП БИС ОЗУ показали, что при воздействии ОИН в диапазоне амплитуд от 8В до 1000В и длительностей импульса 0,1 мкс, 1,0 мкс, 10 мкс наблюдаются четыре типа нарушения работоспособности: информационные сбои, параметрические отказы, «защелкивание» паразитных четырехслойных структур и необратимые повреждения, вызванные развитием вторичных эффектов (Рис. 12).

Информационные сбои имеют место при длительностях импульсов 1 и 10 мкс (Рис. 13). Длительности воздействующего импульса 0,1 мкс недостаточно для перезаряда внутренних паразитных емкостей и искажения информации, однако высокая скорость нарастания ОИН инициирует эффект "защелкивания". Энергии импульса длительностью 0,1 мкс недостаточно для развития эффектов необратимого повреждения, требующих определенного порогового уровня.

Рисунок 12. Типы и области нарушений работоспособности БИС ОЗУ 537РУ6 при воздействии ОИН различной длительности

Рисунок 13. Зависимость числа сбившихся ячеек БИС ОЗУ 537РУ6 от амплитуды ОИН, действующей по цепи питания: 1 – «поле нулей», tи = 1 мкс; 2 – «поле единиц», tи = 1 мкс; 3 – «поле нулей», tи = 10 мкс; 4 – «поле единиц», tи = 10 мкс

Информационные сбои происходят в сравнительно узком диапазоне амплитуд ОИН – от 34 В до 42 В. При дальнейшем увеличении амплитуды ОИН происходит защелкивание, приводящее к полной потери информации. При этом следует отметить, что стойкость БИС с записанной информацией «поле единиц» более высокая к воздействию ОИН по сравнению с «полем нулей». Разброс числа сбившихся ячеек в различных образцах БИС ОЗУ при одинаковой амплитуде ОИН доходит до 70%.

Результаты испытаний 5-ти типов ИС серии 1554ТБМ в виде значений предельно-допустимых напряжений в случае подачи ОИН на три группы выводов (входы, выходы и цепи питания) приведены на рис. 14(б, г), а зависимости изменения выходных напряжений (параметрический отказ) ИС 5659ИН2 при воздействии ОИН приведены на рис. 14(а, в).

Разработана функционально-логическая модель ЭКБ, адаптированная для воздействия мощного одиночного импульса напряжения (ОИН) на основе критериальных функций принадлежности (КФП). Определены наиболее чувствительные к воздействию элементы ЭКБ и проведен анализ изменения их характеристик от мощного ОИН. Показано, что для оценки катастрофических отказов в ЭКБ может быть использована модернизированная модель Вунша-Белла, где по результатам проведенных экспериментальных измерений ИЭП КМОП ИС 1554 серии был уточнен показатель степени модели, значение которого составляет – 0,385. При этом необходимо учитывать тот факт, что коэффициенты модели определяются технологическими параметрами изделия и практически не зависят от параметров ОИН.

а)

б)

в)

г)

Рисунок 14. Значения выходных (а), предельно-допустимых напряжений ИС (б) от ОИН при длительности 1,0 мкс и типовые осциллограммы напряжения и тока на выходе ИС 5659ИН2 (в) и 1554ИД4ТБМ (г) в предпробойном состоянии

Результаты аналитических и численных расчетов подтверждены экспериментальными данными, полученными при испытаниях различных серий цифровых ЭКБ.

6. Методическое обеспечение испытаний и экспериментальные исследования радиационного поведения цифровой ЭКБ

На основе разработанных методов моделирования создано методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований ЭКБ. Показано, что относительный характер оценки неадекватности при фиксированной структуре модели можно избежать, решив вопрос о достоверности задания ее базовых критериальных параметров экспериментальными методами. Учитывая универсальность иерархического подхода можно считать, что основные присущие ему закономерности инвариантны относительно способа анализа объекта, поэтому экспериментальные методы моделирования следует организовать по принципам, аналогичным теоретическим.

Сформулированы требования к составу ЭКБ для проведения испытаний. Показано, что наиболее полные экспериментальные данные могут быть получены в ходе испытаний ЭКБ, которые реализованы с разными конструктивно-технологическими и схемотехническими особенностями, а также имеющие разную организацию и степень интеграции.

Разработаны методики проведения экспериментальных исследований КМОП, КМОП/КНС, n-МОП, ТТЛ, ТТЛШ, И2Л БИС при воздействии стационарного нейтронного и ионизирующего излучений, высокоинтенсивного импульсного ИИ и ОИН, полученных на МУ (реактор быстрых нейтронов ИРТ-2000 МИФИ с флюенсом нейтронов - 109н/см2, линейный ускоритель электронов ЭЛУ-4 с длительностью импульса – 2мкс и мощностью дозы 109рад(Si)/c, гамма-установка РХ--30, Co60) и имитаторах (рентгеновские имитаторы на базе установок УРС 2 и РЕИС-И с мощностью дозы 103рад(Si)/с, лазерный имитатор РАДОН-5 с мощностью дозы 1011рад(Si)/с, специализированный генератор одиночных импульсов напряжения с длительностью импульсов 0,1мкс, 1,0мкс, 10мкс, амплитудой от 7В до1000В и двух - экспоненциальной формой импульса).

Проведен цикл испытаний ЭКБ различных схемотехнических и конструктивно-технологических исполнений. Отклонение уровней радиационной стойкости, полученных экспериментально от расчетного в зависимости от технологии изготовления, конструктивных и схемотехнических решений, степени интеграции, режимов работы и условий функционирования по критерию функциональных и параметрических отказов, не превышает 30 %. Погрешность полученных результатов расчетными методами определяется выбранной моделью на физическом уровне описания, а погрешность экспериментальных результатов - определяется точностью проведенной дозиметрии и составляет 30 %.

Типы

изделий

Выводы

Предельно-допусти-мое напряжение ОИН (в вольтах) в зависимости от длительности ОИН (в микросекундах)

Расчетная предельно-допустимая энергия ОИН (в миллиджоулях) в зависимости от длительности ОИН (в микросекундах)

0,1

1,0

10

0,1

1,0

10

Приемо-передатчик по стандарту RS-485 технология (БиКМОП), 5659ИН5Т

Вх. цепи

>1000

100

50

>8,9·

10-2

1,8·

10-2

2,7·

10-2

Вых. цепи

300

200

100

1,1·

10-2

5,6·

10-2

1,7·

10-1

Цепи пит.

>1000

>1000

300

>6,2·

10-2

5,8·

10-1

8,1·

10-1

Графический контроллер (технология – КМОП), 1890ВГ14Т

Вх. цепи

700

100

50

4,8·

10-2

1,7·

10-2

3,0·

10-2

Вых.

цепи

>1000

150

75

>7,5·

10-2

3,0·

10-2

5,9·

10-2

Цепи пит.

>1000

700

500

>5,9·

10-2

3,7·

10-1

1,8·

10-1

Статическое ОЗУ (1К8); (технология -КМОП/КНС, 1620РУ8У

Вх. цепи

-

300

200

-

9,2·

10-3

3,3·

10-1

Вых. цепи

-

100

-

-

1,8·

10-2

-

Цепи пит.

-

100

-

-

1,9·

10-2

-

Статическое ОЗУ (64К8) (технология -КМОП/КНИ), 1620РУ10У

Вх. цепи

300

150

100

8,8·

10-3

1,6·

10-2

7,3·

10-2

Вых. цепи

500

150

100

1,8·

10-2

1,6·

10-2

6,9·

10-2

Цепи пит.

1000

500

200

2,1·

10-2

1,0·

10-1

2,5·

10-1

8-ми разрядный микроконтроллер; (технология - КМОП), 1887ВЕ1У

Вх. цепи

>1000

500

200

>6,8·10-2

2,6·

10-1

4,0·

10-1

Вых. цепи

>1000

300

150

>6,5·

10-2

8,7·

10-2

1,7·

10-1

Цепи пит.

>1000

>1000

700

>6,1·

10-2

>5,4·

10-1

3,4·

10-0

Таблица – 5 Экспериментальные зависимости импульсной электрической прочности типовых представителей ИС по критерию напряжения и энергии от длительности ОИН

Исследованы особенности влияния длительности ОИН на импульсную электрическую прочность (ИЭП) цепей ЭКБ. Показано, что основной причиной, влияющей на ИЭП, является тепловая мощность, выделяемая в элементе ЭКБ. В качестве показателей ИЭП ЭКБ по данной группе выводов к воздействию ОИН заданной длительности и полярности являются следующие эффекты:

- искажение формы импульса выходного напряжения за счет снижения пробивного напряжения в области напряжения лавинного пробоя;

- появление характерных осцилляций тока за счет развития механизма токовой неустойчивости в режиме вторичного пробоя;

- искажение формы импульса тока, протекающего через исследуемый вывод ИС, за счет увеличения проводимости в цепи ЭКБ;

- практическое исчезновение импульса тока, протекающего через исследуемый вывод ЭКБ, за счет перехода в низкоимпедансное состояние в результате теплового вторичного пробоя.

Например, полученные по результатам испытаний фактические показатели ИЭП микросхем 5659ИН5Т, 1890ВГ14Т, 1620РУ8У, 1620РУ10У, 1887ВЕ1У представлены в табл. 5 в виде зависимостей предельно-допустимых значений напряжения и энергии от длительности ОИН.

Отдельные вопросы, представляющие интерес с точки зрения решения прикладных задач на основе полученных в диссертации результатов приведены в приложениях к работе.

Заключение

Основным научным результатом диссертационной работы является решение научно-технической проблемы – разработка и развитие методов и средств расчетно-экспериментального моделирования воздействий ионизирующих и электромагнитных излучений на ЭКБ, изготовленных по различным технологиям на основе метода КФП. И это позволяет решить важную народнохозяйственную задачу повышения точности и достоверности прогнозирования радиационной стойкости перспективной ЭКБ устройств вычислительной технике и систем управления объектов специального назначения (в том числе военной техники), для улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик.

Основным теоретическим результатом является создание теории разработки системы нечетких функционально-логических моделей на основе метода КФП для прогнозирования радиационной стойкости ЭКБ и выработка рекомендаций для проектирования ЭКБ новых поколений, обладающих заданной радиационной стойкостью. Так, например, при проектировании биполярных БИС ПЗУ и ППЗУ серий 556, 1622, 1656 со стойкостью с характеристиками 7.И7 (7.С4) до групп 2Ус, 3Ус ГОСТ РВ 20.39.414.2-98 в целом методом повышения радиационной стойкости на электрическом уровне описания является повышение плотности тока. Однако реализация этого конструктивно-технологического метода наталкивается на ряд ограничений из-за специфики схемотехники (уменьшение площади переходов транзисторов для повышения плотности тока приводит к увеличению сопротивлений областей, уменьшению тока в тракте программирования и снижению помехоустойчивости внутри ИС, возрастания вклада тока боковых потерь эмиттера, приводящих к существенному снижению коэффициента усиления). В этом случаи наиболее эффективным способом не требующие существенной переработки БИС, является непосредственное увеличение уровней токов в критических точках БИС с использованием модифицированного схемотехнического базиса, который не приведет к существенному увеличению элементов при более высокой стойкости. В связи с тем, что дешифраторы и мультиплексоры потребляют основную часть мощности, то перераспределение мощности требует рассмотрения БИС на структурном уровне.

Основными требованиями при реализации предложенной схемотехники являлись низкая рассеиваемая мощность дешифратора в режиме считывания при высокой нагрузочной способности в режиме программирования, а также максимальное быстродействие БИС ППЗУ.

Обеспечение этих противоречивых факторов не возможно только схемотехническими методами без использования методов структурной оптимизации (двухкаскадная структура с динамической коммутацией мощности в выбранные элементы дешифратора).

Оптимальная организация накопителя ППЗУ, обычно выбирается из условия минимизации общего сопротивления шин для обеспечения максимального тока программирования и повышения помехоустойчивости при переходных процессах в момент ИИИ.

Теоретические результаты, полученные в диссертации:

1. На основании анализа доминирующих механизмов радиационных отказов цифровых ТТЛ, ТТЛШ, И2Л, КМДП, КМДП/КНС, КМДП/КНИ, n-МОП БИС было установлено, что решение задачи об адекватности моделирования радиационного поведения ЭКБ требует модели включающих в себя функционально-логический, электрический и физический уровни описания. Показана неэффективность стандартных средств моделирования для прогнозирования функциональных отказов ИС и устройств на их основе. Обоснована необходимость перехода на функционально-логический уровень модельного описания таких отказов.

2. Созданы и развиты методы разработке инструмента моделирования радиационно-стойких ЭКБ, позволяющего определить направление повышения радиационной стойкости при возникновении остаточных, переходных радиационных эффектов и эффектов при воздействии электромагнитного импульса на функционально-логическом уровне описания. Показано, что адекватное моделирование возможно только при создании многоуровневых моделей. Сформулированы цели и задачи сквозного многоуровневого проектирования на физическом, электрическом и функционально-логическом уровнях.

3. Разработаны алгоритмы расчета статических КФП, КФП «отжига» ЛЭ ИС при стационарном облучении, импульсных КФП и алгоритм расчета КФП, отражающих динамические процессы в асинхронных автоматах с памятью при стационарном облучении. Рассмотренные КФП определяются аналитически через критериальные соотношения, заданные на языке моделей электрического уровня и обеспечивают взаимосвязь между электрическим и функционально-логическим уровнями модельного описания.

4. На основании сформулированных требований к функционально-логическим методам, позволяющие учесть радиационную стойкость ЭКБ в процессе проектирования, рассмотрены функционально полные системы моделей АБ на всех уровнях описания данного класса ЭКБ, что позволяет определить и обосновать доминирующие критерии работоспособности.

5. Разработан метод построения функционально-логических моделей в целях применения автомата Брауэра для комбинационных и последовательностных цифровых устройств. На основе развитого метода создана система обобщенных показателей (индексы сравнения), отражающих характер нарушения работоспособности ЭКБ при облучении и относительный вклад в него отдельных элементов, входящих в состав анализируемого объекта. Использование разработанных структурных и схемотехнических методов позволили улучшить стойкость БИС серии 556 к воздействию специальных факторов с характеристиками 7.И7 (7.С4) до группы 2Ус, БИС серии 1622 с характеристиками 7.И7 (7.С4) до группы 3Ус, БИС серии 1656 с характеристиками 7.И7 (7.С4) до группы 3Ус, до группы 3У и повысить устойчивость к воздействию высокоинтенсивного ИИ до уровня безотказной работы, соответствующей требованиям ТУ в КМДП/КНС БИС серии 1604, 1620, Б1620 с характеристиками 7.И6 (7.С5) до уровня безотказной работы, соответствующей требованиям ТУ. Определены фактические показатели импульсной электрической прочности большой номенклатуры отечественных ЭКБ для использования в справочных данных, в том числе микросхемы серий: 1284, 1100, 1825, 1890, 1886, 1878, 1287, 1446, 1508, 5508, 5525, 5801, 5659, 5107, 5600 и др; базовые матричные кристаллы серий: 5511БЦ1У и НБЦ1501Ти др.; микросхемы памяти серий: 1620, Б1620, 1638, 1645, 1636, 1640 и др.

6. Разработаны методики проведения испытаний ЭКБ различных конструктивно-технологических исполнений и технические средства для экспериментальных исследований радиационного поведения ЭКБ при воздействии стационарного нейтронного, ионизирующего и электромагнитного излучений с использованием моделирующих установок и имитаторов. Это позволило с учетом разработанных функционально-логических моделей сформулировать требования к системе контроля параметров ЭКБ.

7. На основе разработанных функционально-логических методов моделирования предложены методики радиационных испытаний ЭКБ, которые позволили провести цикл испытаний ЭКБ различных схемотехнических и конструктивно-технологических исполнений на электрическом и функционально-логическом уровнях контроля параметров. По результатам испытаний определены зависимости радиационной стойкости этих устройств от технологии изготовления, конструктивных и схемотехнических решений, степени интеграции, режимов работы и условий функционирования по критерию функциональных и параметрических отказов. Подтверждены предположения в различиях уровня стойкости и немонотонном характере радиационных отказов ЭКБ при воздействии стационарного ИИ. Погрешность результатов, полученных расчетными методами, определяется адекватностью выбранной модели на электрическом уровне описания, а погрешность экспериментальных результатов определяется точностью проведения дозиметрии и составляет 30 %.

Результаты диссертации изложены в следующих основных публикациях:

1. Барбашов В.М. Использование метода критериальных функций принадлежности для прогнозирования функциональной безопасности БИС при воздействии радиационных и электромагнитных излучений// Безопасность информационных технологий (БИТ). 2009, Вып. 1, с. 62 – 68.

2. Барбашов В.М. Моделирование информационных сбоев для обеспечения функциональной безопасности электронных систем при воздействии одиночного импульса напряжения// Безопасность информационных технологий (БИТ). 2009, Вып. 3, с. 69 – 75.

3. Барбашов В.М. Нечеткое функциональное моделирование качества функционирования электронных систем при воздействии радиационных факторов// Датчики и системы. 2009, Вып. 9, с. 56 – 61.

4. Барбашов В.М. Методы построения КФП для прогнозирования функциональных отказов БИС при воздействии радиационных и электромагнитных излучений// Микроэлектроника. 2010, том. 39, № 2, с.113 - 125.

5. Аствацатурьян Е.Р., Барбашов В.М., Годовицын В.А., Чумаков А.И. Устройство для контроля плотности потока быстрых нейтронов// Приборы и техника эксперимента (ПТЭ), 1983 вып. 3, с. 31-32.

6. Барбашов В.М., Белянов А.А., Чумаков А.И. Основные механизмы отказов в биполярных микросхемах при остаточных повреждениях// Вопросы атомной науки и техники, Серия 3 «Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру», 1987, вып. 1, с. 10-14.

7. Барбашов В.М., Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. Система контроля электрической прочности функционально сложных интегральных схем// Вопросы атомной науки и техники, Серия 3 «Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру».1998, Вып. 3-4, с. 121-130.

8. Барбашов В.М., Трушкин Н.С. Прогнозирование безопасности функционирования микропрограммных БИС в условиях возникновения информационных сбоев// Безопасность информационных технологий (БИТ). 2008, Вып. 2, с. 61-64.

9. Барбашов В.М., Трушкин Н.С. Взаимосвязь вероятностных и порядковых моделей при моделировании функциональной безопасности БИС// Безопасность информационных технологий (БИТ). 2008, Вып. 3, с. 90-95.

10. Барбашов В.М., Трушкин Н.С. Функционально-логическое моделирование качества функционирования ИС при воздействии радиационных и электромагнитных излучений// Микроэлектроника. 2009, том 38, № 1, с. 34-47.

11. Барбашов В.М. Логическое моделирование процессов релаксации в КМДП БИС ОЗУ// В сб. докладов Российской научной конференции «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-98», М.: СПЭЛС-НИИП, 1998, с. 59-60.

12. Барбашов В.М. Оценка качества функционирования БИС при воздействии ионизирующих излучений// В сб.: Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2001», М.: Паимс, 2001, вып.4, с. 27-28.

13. Барбашов В.М. Использование функционально-логического моделирования для оценки качества функционирования БИС при воздействии ионизирующего излучения// В сб.: Электроника, микро- и наноэлектроника -2001: тез. докл. Всерос. научно-техн. конф., Пушкинские Горы, 25-28 июня 2001 г., с. 181-183.

14. Барбашов В.М. Логическое моделирование информационных сбоев цифровых устройств при воздействии одиночного импульса напряжения// В сб.: Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2009». М.: Паимс, 2009, вып. 12, с. 49-50.

15. Барбашов В.М. Особенности построения магнитно-транзисторных ОЗУ работающих в полях импульсного высокоинтенсивного ионизирующего излучения// В сб. тез. докладов «Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ, элементов и материалов к воздействию ИИ ЯВ» - М.: ЦНТИ «Поиск», 1986, с. 62-63.

16. Барбашов В.М. Стойкость специализированных блоков памяти на основе магнитных элементов типа «БИАКС» к мощности дозы высокоинтенсивного ионизирующего излучения// В сб. тез. докладов «Вопросы обеспечения радиационной стойкости электрорадиоизделий, элементов и материалов к воздействию ионизирующего излучения ядерного взрыва» - М.: 1987, с. 87-88.

17. Барбашов В.М. Функционально-логическое моделирование информационных повреждений импульсом электрического перенапряжения// В сб. докладов научной сессии «МИФИ-98». ч. 5, «Электроника», М.: МИФИ, 1998, с. 227-229.

18. Барбашов В.М. Моделирование функциональных отказов ИС при воздействии одиночного импульса напряжения// В сб.: Аппликативные вычислительные системы (АВС`2008). М.: НОУ Институт Актуального образования «ЮринфоР-МГУ», 2008, http//jurinfop.exponenta.ru/ACS2008, ABC`2008, с. 220-222.

19. Barbashov V.M., Nikiforov A.Y., Skorobogatov P.K. Electrical Overstress Hardness of Electron Components// Proceedings of the Third Workshop on Electronics for LHC Experiments. London, September 22-26, 1997, pp. 546-549.

20. Барбашов В.М., Скоробогатов П.К. Функционально-логическое моделирование ионизационной реакции в цифровых устройствах// В сб. докладов Российской научной конференции «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-98», М.: СПЭЛС-НИИП, 1998, с. 57-58.

21. Аствацатурьян Е.Р., Архангельский А.Я., Барбашов В.М., Левшин Н.Г., Приходько П.С. Многоуровневая система иерархического моделирования и проектирования ИМС с повышенным качеством и безотказностью// В сб. докладов VII международной конференции по микроэлектроники «Микроэлектроника-90» т. 3 «Моделирование приборов и технологических процессов системы автоматизированного проектирования интегральных схем». Минск, 1990, с. 166.

22. Барбашов В.М., Зайцев В.Л., Чумаков А.И. Особенности появления рекомбинационных свойств разупорядоченных областей на характеристики биполярных полупроводниковых структур// В сб. тез. докладов Всесоюзного совещания-семинара «Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах интегральных схем». -М.: «Радио и связь», 1983, с. 70-71.

23. Барбашов В.М., Пронин С.А., Раткин А.В., Скоробогатов П.К. Схемотехнические методы повышения радиационной стойкости биполярных цифровых интегральных микросхем// В сб. докладов межотр. совещания «Создание полупроводниковых приборов и интегральных микросхем устойчивых к воздействию внешних факторов не резервируемой РЭА». - М.: ЦНТИ «Поиск», 1984, с. 65-74.

24. Барбашов В.М., Голотюк О.Н., Соколов В.А. Проектирование систем электронно-вычислительной аппаратуры, устойчивых к массовым сбоям// В сб. научных трудов «Электроника в экспериментальной физике»/ Под. ред. Т.М. Агаханяна – М.: «Энергоатомиздат», 1985, 25-28.

25. Барбашов В.М., Ахабаев Б.А., Скоробогатов П.К. Математическая модель электрической релаксации заряда в полупроводниковых структурах ИМС при воздействии лазерного излучения// В сб. докладов II Всесоюзного совещания–семинара «Математическое моделирование и экспериментальные исследования электрической релаксации в элементах интегральных схем», Одесса - М.: 1986, с. 91-92.

26. Аствацатурьян Е.Р., Барбашов В.М., Пронин С.А. Методы повышения радиационной стойкости биполярных цифровых  ИМС// В сб. статей «Вопросы создания радиационно-стойких полупроводниковых приборов и ИС» - М.: ЦНТИ «Поиск», 1988, с.16-19.

27. Барбашов В.М., Галкин А.С. Организация энергонезависимого ОЗУ на основе магнитных элементов типа «БИАКС»// В сб. научных трудов «Электроника и автоматизация в научных исследованиях» / Под. ред. В.М. Рыбина - М.: «Энергоатомиздат», 1988, 95-97.

28. Барбашов В.М., Годовицын В.А. Анализ предельных возможностей  специальных запоминающих устройств с использованием магнитных элементов типа «БИАКС» при воздействии нейтронного излучения// В сб. тез. докладов «XV Всесоюзное совещание по использованию ИЯР» - М.: 1988, с. 5.

29. Барбашов В.М., Китаев С.С., Раткин А.В. Исследования релаксации заряда в КМДП/КНС БИС ОЗУ// В сб. «Экспериментальные устройства предварительной обработки данных»/ Под. ред. Т.М. Агаханяна – М.: «Энергоатомиздат», 1990, с. 13-17.

30. Аствацатурьян Е.Р., Барбашов В.М., Беляев В.А., Гурарий А.Л. Моделирование остаточных радиационных эффектов в БИС на функционально-логическом уровне// В сб. докладов V межотраслевого семинара «Проблемы создания полупроводниковых приборов, ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ». – М.: АДС «Радтех-СССР», 1991, с. 30-31.

31. Аствацатурьян Е.Р., Барбашов В.М., Ахабаев Б.А., и др. Лабораторный имитационный комплекс// В сб. докладов V межотраслевого семинара «Проблемы создания полупроводниковых приборов, ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ». – М.: АДС «Радтех-СССР», 1991, с. 89-90.

32. Аствацатурьян Е.Р., Барбашов В.М. Анализ эффекта отжига в БИС ЗУ на функционально-логическом уровне// В сб. докладов VI межотраслевого семинара «Радиационные процессы в электронике». – М.: 1994, с. 159-161.

33. Аствацатурьян Е.Р., Барбашов В.М., Беляев В.А. и др Система расчетного функционально-логического моделирования радиационных отказов// В сб. докладов VI межотраслевого семинара «Радиационные процессы в электронике». – М.: 1994, с. 161-163.

34. Аствацатурьян Е.Р., Барбашов В.М., Никифоров А.Ю., Поляков И.В., Григорьев Н.Г. Основные механизмы отказов и методы оценки стойкости КМДП/КНС ИС к переходным и дозовым эффектам// Петербургский журнал электроники – Санкт-Петербург, РНИИ «Электронстандарт», 1994, с. 27-36.

35. Барбашов В.М., Никифоров А.Ю., Вавилов В.А. и др. Опыт контроля стойкости КМОП ИС в ходе освоения их производства// В сб. докладов Российской научной конференции «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-98», М.: СПЭЛС-НИИП, 1998, с. 19-20.

36. Барбашов В.М., Попов М.Ю., Скоробогатов П.К. Система параметров для оценки стойкости современных ИС к воздействию импульсов электрического перенапряжения// В сб. докладов научной сессии «МИФИ-98». ч. 5, «Электроника», М.: МИФИ, 1998, с. 229-231.

37. Барбашов В.М., Скоробогатов П.К. Система контроля стойкости сложных ИС к импульсным электрическим перенапряжениям// В сб. докладов Российской научной конференции «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-98», М.: СПЭЛС-НИИП, 1998, с. 91-92.

38. Барбашов В.М., Скоробогатов П.К. Особенности функционально-логического моделирования переходных ионизационных эффектов в цифровых больших ИС// В сб. докладов научной сессии «МИФИ-1999». том 6, М.: МИФИ, 1999, с. 130-131.

39. Барбашов В.М., Малюдин С.А., Скоробогатов П.К. Аддитивные эффекты воздействия одиночных импульсов напряжения на ИС// В сб. докладов Российской научной конференции «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-99», М.: СПЭЛС-НИИП, 1999, с. 143-144.

40. А.С. Артамонов, В.М. Барбашов, Д.В. Громов и др. Лабораторный практикум по курсу «Организация микропроцессорных систем»: Учебно-методическое пособие. М.:МИФИ, 2000. – 40 с.

41. Барбашов В.М., Скоробогатов П.К. Влияние длительности одиночных импульсов напряжения на импульсную электрическую прочность ИС серии 1554// В сб. докладов научной сессии «МИФИ-2002», том 1, М.: МИФИ, 2002, с. 201-202.

42. Барбашов В.М., Герасимчук О.А., Скоробогатов П.К. Результаты испытаний ИС серии 1554ТБМ на импульсную электрическую прочность// В сб.: Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2003». М.: Паимс, 2003, вып.6, с. 105-106.

43. Барбашов В.М., Герасимчук О.А., Скоробогатов П.К. Исследования совместного воздействия одиночных импульсов напряжения и ионизации на полупроводниковые структуры// В сб.: Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2003». М.: Паимс, 2003, вып.6, с. 127-128.

44. Барбашов В.М., Герасимчук О.А., Скоробогатов П.К., и др. Сравнение импульсной электрической прочности КМОП ИС, выполненных по эпитаксиальной и КНС технологиям// В сб.докладов научной сессии «МИФИ-2004», том 1, М.: МИФИ, 2004, с. 183-184.

45. Барбашов В.М., Герасимчук О.А. Оценка качества функционирования БИС при воздействии импульсов электрического перенапряжения// В сб. докладов научной сессии «МИФИ-2005», том 1, М.: МИФИ, 2005, с. 175-176.

46. Барбашов В.М., Герасимчук О.А., Скоробогатов П.К., и др. Влияние технологии исполнения на импульсную электрическую прочность КМОП ИС// В сб.: Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2005». М.: Паимс, 2005, вып. 8, с. 131-132.

47. Барбашов В.М., Герасимчук О.А., Епифанцев К.А. Влияние длительности одиночного импульса напряжения на отказы ИС в следствие вторичного пробоя// В сб.: Электроника, микро- и наноэлектроника-2006: тез. докл. Всерос. научно-техн. конф., Гатчина, июнь 2006 г., с. 200-201.

48. Барбашов В.М., Герасимчук О.А., Епифанцев К.А. Сравнение импульсной электрической прочности КМОП ИС одного типа, выполненных по КНС технологии различными производителями// В сб. докладов научной сессии «МИФИ-2006», том 1, М.: МИФИ, 2006, с. 187-188.

49. Барбашов В.М., Герасимчук О.А., Епифанцев К.А., Скоробогатов П.К. Анализ взаимосвязи нечеткости и неопределенности в оценки качества функционирования БИС при воздействии одиночного импульса напряжения// В сб.: Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2006». М.: Паимс, 2006, вып. 9, с. 121-122.

50. Барбашов В.М., Герасимчук О.А., Муравьева О.В. Повышение достоверности испытаний ИС на импульсную электрическую прочность// В сб.докладов научной сессии «МИФИ-2008», том 8, М.: МИФИ, 2008, с. 79-80.

51. Барбашов В.М., Трушкин Н.С. Функционально-логическое моделирование качества функционирования ИС при воздействии одиночного импульса напряжения// В сб.: Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2008». М.: Паимс, 2008, вып. 11, с. 133-134.

52. Барбашов В.М., Трушкин Н.С. Моделирование функциональных отказов ИС при воздействии одиночного импульса напряжения// В сб.: Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2008». М.: Паимс, 2008, вып. 11, с. 135-136.

53. Барбашов В.М., Трушкин Н.С. Прогнозирование качества функционирования микропрограммных БИС в условиях возникновения долговременных изменений статических параметров// В сб.: Электроника, микро- и наноэлектроника - 2008: докл. Всерос. научно-техн. конф., Петрозаводск, 6-11 июля 2008 г., с. 213-219.

54. Барбашов В.М. Логическое моделирование информационных сбоев цифровых устройств при воздействии одиночного импульса перенапряжения// В сб.докладов научной сессии «МИФИ-2009», том 1, М.: МИФИ, 2009, с. 187.

55. В.М. Барбашов, А.А. Краснюк, В.М. Онищенко Лабораторный практикум по курсу «Общая электротехника и электроника»: Учебно-методическое пособие. М.:НИЯУ МИФИ, 2009. – 100 с.

56. Першенков В.С., Барбашов В.М., Будкин В.А. и др. Опыт подготовки кадров для новейших областей науки и техники на факультете «Автоматика и электроника» НИЯУ МИФИ// Датчики и системы. 2010, Вып. 3 (130), с. 3 – 8.

57. Барбашов В.М. Методы прогнозирования поведения интегральных схем при радиационных воздействиях на основе аппарата нечетких функций// В сб. докладов научной сессии «МИФИ-2010», том 1, М.: МИФИ, 2010, с. 146.

 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.