【摘 要】
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随着集成电路（IC）制造技术向深纳米技术时代发展,电路的集成度和性能得到了显著改善。然而,随着电路节点的临界电荷随着电路集成规模的增加而不断降低,尤其对于特殊环境下的关键应用,辐射引起的可靠性问题也变得越来越严重。即使是陆地环境中的辐射粒子也可能导致软错误。软错误包括单粒子翻转、单粒子瞬态、单粒子多节点翻转等。由于近年来先进工艺的特征尺寸急剧减小以及电荷共享效应,单粒子撞击的也可能导致多个节点同时
【基金项目】
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纳米集成电路边缘缺陷测试分析仪研制（基金委国家重大科研仪器研制项目,No.62027815）; 集成电路近似计算基础理论与设计方法（国家自然科学基金重点合作项目,No.61834006）
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随着集成电路（IC）制造技术向深纳米技术时代发展,电路的集成度和性能得到了显著改善。然而,随着电路节点的临界电荷随着电路集成规模的增加而不断降低,尤其对于特殊环境下的关键应用,辐射引起的可靠性问题也变得越来越严重。即使是陆地环境中的辐射粒子也可能导致软错误。软错误包括单粒子翻转、单粒子瞬态、单粒子多节点翻转等。由于近年来先进工艺的特征尺寸急剧减小以及电荷共享效应,单粒子撞击的也可能导致多个节点同时发生翻转。如果这些翻转发生在时序电路中,它们可能会导致数据损坏、执行错误,甚至系统崩溃。这促使我们设计高度可靠的容软错误电路,尤其是在恶劣辐射环境下的航空航天应用中。本文针对纳米工艺下集成电路易遭受高能粒子轰击产生软错误,造成三节点翻转和由于容错而产生高阻态的问题,在分析和总结前人加固方案的基础之上,设计并提出了两种锁存器设计加固方案:（1）基于三模冗余的完全容忍三节点翻转的加固锁存器（HRPDNUL）;（2）新型低开销的完全容忍三节点翻转的锁存器（LCOTNUTRL）。HRPDNUL锁存器由3个HRPUL单元,三个反相器和一个钟控反相器构成。每个HRPUL由四个互锁的C单元组成,HRPUL单元能提供良好的单节点翻转自恢复能力,并且利用传统的三模冗余思想,将单节点翻转自恢复单元进行组合优化,使锁存器能够完全容忍三节点翻转。通过HSPICE仿真分析表明,该锁存器以牺牲20.65%的面积开销为代价,延迟降低了 25.97%,功耗降低了 42.41%,功耗延迟积降低了 67.57%。LOCTNUTRL锁存器由两个单节点翻转自恢复单元构成,并在输出端使用四个反相器,利用电流竞争来阻止软错误的传播,就避免了因使用C单元产生的高阻态,使得电路的稳定性加以提升。HSPICE仿真实验表明,LOCTNUTRL能完全容忍三节点翻转,并且延迟降低了 57.74%,功耗降低了 7.7%,面积开销降低了11.74%,功耗延迟积降低了 63.59%,锁存器对工艺、电压和温度变化不敏感,所以该锁存器可以更可靠的适用于航空航天等一些关键应用中。图[38]表[8]参[73]
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