抗辐照4K×32bit SRAM的研究与设计

论文摘要

SRAM作为超大规模集成电路的重要组成部分,由于其功耗低、速度快而被广泛应用于高速存储系统中,同时,随着航空航天技术的不断发展及进步,SRAM器件被越来越多的应用到各类航天器及其卫星的控制系统中,由于空间复杂的辐射环境,对SRAM提出了更高的要求,即在保证低功耗、高速度的同时,还要具有抗辐照的能力。本论文分析了标准6管单元的SRAM的存储单元的工作原理,然后简要分析了CMOS器件的单粒子效应的机理,在此基础上,采用四结点冗余结构的具有抗辐照功能的DICE(dual interlocked storage cell,双互锁存储单元)结构应用于SRAM存储单元的设计中,加强其抗辐照能力。介于SRAM的存储单元的结构一旦确定很难改变,所以基于SRAM的高速及低功耗考虑只能从SRAM的外围电路的设计中实现,本课题设计结合位线及字线的分割技术,合理划分整个SRAM的布局规划,设计SRAM的行列译码电路,以此降低SRAM的功耗并提高其存取速度。并将灵敏放大器电路及预充电电路应用于SRAM的读写控制电路设计中,用来提高SRAM的读取速度,降低其功耗。因为所设计的SRAM为双端口器件,对于SRAM对同一单元的读写操作情况,通过结合仲裁控制电路控制实现。本课题的设计采用130nm标准CMOS工艺。SRAM的测试验证工作,包括SRAM整体功能的仿真测试、SRAM的功耗分析及其抗辐照能力模拟仿真测试;对于整体功能的仿真验证,通过NanoSim混合仿真测试和利用Spectre搭建测试激励分别验证;对于SRAM的功耗测试,通过NanoSim验证完成对其的功耗分析;对于SRAM抗辐照能力的验证,主要验证其抗单粒子效应的能力。辐射环境下入射粒子对半导体器件的损伤的强弱程度可用线性能量传输值(LET, linear energy transfer)来衡量,单位是MeV ? cm 2mg。通过―瞬态脉冲注入法‖验证SRAM的抗单粒子效应的能力,在单粒子效应的模拟验证中,对重粒子撞击器件所产生的电流脉冲可以使用双指数函数来描述,并假设重粒子撞击器件的入射深度为1um,脉冲宽度约为200 ps,采用Synopsys的工具Hspice进行模拟仿真验证,通过模拟改变入射粒子所产生的积聚电荷量来改变注入脉冲的电流强度,得到所设计的SRAM存储单元的单粒子效应的关键电荷量Qc约为300 fc,其所对应的阈值LET值LETt h约为28.97 MeV ? cm 2mg,相比于标准6管单元的SRAM,在130 nm标准CMOS工艺下的LETt h约为10 MeV ? cm 2mg,基于DICE结构所设计的SRAM在抗辐照能力上有显著的提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文的主要工作
• 1.5 本文的组织结构
• 第二章 SRAM 的端口定义及整体划分
• 2.1 SRAM 端口定义
• 2.2 SRAM 模块结构
• 第三章 SRAM 电路设计
• 3.1 SRAM 存储单元的设计
• 3.1.1 存储单元工作原理
• 3.1.2 位线负载
• 3.1.3 CMOS 器件的单粒子效应
• 3.1.4 双互锁存储单元抗单粒子SEU 结构
• 3.2 SRAM 存储阵列及行列译码
• 3.2.1 基于字线的设计考虑
• 3.2.2 基于位线的设计考虑
• 3.2.3 存储阵列规划
• 3.3 SRAM 外围控制电路设计
• 3.3.1 SRAM 读模块
• 3.3.2 SRAM 写模块
• 3.3.3 仲裁电路模块
• 第四章 SRAM 仿真验证
• 4.1 SRAM 的整体功能仿真验证
• 4.1.1 NanoSim NCS 混合仿真测试
• 4.1.2 利用spectre 搭建测试激励进行测试
• 4.2 SRAM 的抗辐照功能的验证
• 4.2.1 瞬态脉冲注入法
• 4.2.2 Hspice 单粒子效应模拟仿真
• 4.3 SRAM 功耗测试
• 4.4 测试总结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果