Национальный Исследовательский Ядерный Университет «МИФИ»
Отчет по Домашнему Заданию №1
по курсу “Сети компьютеров”
на тему:
Радиационно-стойкая элементная база сетевого оборудования космических аппаратов
(ИМС памяти)
Подготовил студент группы Е9-03
Никитин Т.А.
Проверил доцент кафедры №27
Лапшинский В.А.
Москва
30.11.2014
Оглавление
Реферат
Список определений, обозначений и сокращений
1. Введение
2. Радиационная стойкость
2.1. Накопление полной поглощенной дозы
2.2. Одиночные эффекты
2.2.1 Сбои
2.2.2 Тиристорный эффект
3. ИМС памяти
4. Сетевое оборудование космических аппаратов
Заключение
Литература
Реферат
Этот отчет посвящен радиационно-стойкой элементной базе сетевого оборудования космических аппаратов (ИМС памяти). Какие типы памяти используются в сетевом оборудование космических аппаратов и какими способами осуществляется повышение их радиационной стойкости.
Число страниц: 22
Рисунков: 11
Источников в списке литературы: 12
Ключевые слова: ИМС, память, сетевое оборудование, радиационная стойкость,
Список определений, обозначений и сокращений
ИМС — интегральная микросхема.
КА — космический аппарат.
ИИКП — ионизирующее излучение космического пространства.
СО — сетевое оборудование.
Baud — Бод — единица измерения символьной скорости, количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду.
SRAM — static random access memory — cтатическая память с произвольным доступом.
DRAM — dynamic random access memory — динамическая память с произвольным доступом.
Сетевая карта (или NIC) — периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети.
MAC-адрес (от англ. Media Access Control) — уникальный идентификатор, присваиваемый каждой единице активного оборудования компьютерных сетей.
ТЗЧ — тяжелая заряженная частица.
ЛПЭ — линейная передача энергии.
КНИ — кремний на изоляторе.
КНС — кремний на сапфире.
1. Введение
Разработка электронного оборудования космических аппаратов тяжелый и трудоёмкий процесс. Как правило, такое оборудование стоит на порядок выше и при этом уступает по ряду параметров. Причина этого объясняется условиями эксплуатации космических аппаратов — резкие перепады температур, ионизирующее излучение и невозможность технического обслуживания и ремонта. Высокая стоимость доставки груза на околоземную орбиту не позволяет часто и быстро менять вышедшие из строя аппараты. Это заставляет заказчиков космических аппаратом (будь то телекоммуникационные компании или военные) предъявлять повышенные требования к надежности. Главным отличием от земных условий эксплуатации, безусловно, является ионизирующее излучение и наличие тяжелых заряженных частиц обладающих высокой энергией. [1]
Рисунок 1 Радиационные пояса Земли
2. Радиационная стойкость
Основных радиационных эффектов два – накопление полной поглощенной дозы и эффекты, связанные с воздействием одиночных ионизирующих частиц. [1]
2.1. Накопление полной поглощенной дозы
Полная поглощенная доза излучения обуславливает дрейф некоторых характеристик микросхемы, вызывающий отказы. Наиболее важные механизмы различаются от технологии к технологии; для современных микросхем актуальны радиационно-индуцированные токи утечки, а в старых технологиях важную роль играл сдвиг порогового напряжения транзистора.
Под действием ионизирующего излучения в микросхеме происходит образование электронно-дырочных пар. Эти пары в нормальных условиях достаточно быстро рекомбинируют (то есть оторвавшийся электрон захватывается атомом обратно), однако в электрическом поле дырки и электроны могут разделяться (потому что заряды противоположного знака движутся в поле в разные стороны). Основной изолятор, используемый в кремниевых микросхемах – диоксид кремния (SiO2). Подвижность электронов и дырок в SiO2 различается на несколько порядков, поэтому электроны достаточно быстро выносятся кремний, а дырки могут накапливаться в оксиде и особенно на границе оксида с кремнием. [7]
Если заряд накопился в подзатворном диэлектрике МОП-транзистора, он будет влиять на его работу как дополнительно приложенное положительное напряжение (или как сдвиг порогового напряжения). В результате n-канальный транзистор будет постоянно приоткрыт. В старых технологиях с толстыми подзатворными диэлектриками сдвиг порогового напряжения n-канальных транзисторов мог быть достаточно большим для того, чтобы транзистор полностью переставал закрываться, что естественным образом приводило к потере работоспособности схемы. Впрочем, уменьшение порогового напряжения еще раньше приводило к тому, что общий ток потребления микросхемы превышал допустимый уровень из-за утечек.
В современных технологиях толщина подзатворного диэлектрика составляет единицы нанометров, и в них попросту не может накопиться достаточно дырок для того, чтобы пороговое напряжение транзистора серьезно изменилось. Поэтому определяющую роль играет накопление заряда в других имеющихся в микросхеме оксидах, а именно в боковой изоляции, разделяющей соседние транзисторы, и на ее границе в подзатворным диэлектриком. На рисунке 2 показано сечение МОП транзистора вдоль затвора. Светлый слой – кремний, темный – SiO2. Хорошо видно, что боковая изоляция намного толще, чем подзатворный диэлектрик. Различие картинок (а) и (б) связано с различными методами изготовления изоляции и играет важную роль в радиационной стойкости транзистора.
Рисунок 2 Разрез МОП структур с боковой изоляцией типа LOCOS и STI
В толстом изолирующем диэлектрике электрическое поле очень мало, и разделение электронно-дырочных пар проходит плохо. В подзатворном диэлектрике поле большое, однако сам оксид тонкий. А вот в переходной области оксид достаточно толстый, чтобы в нем накапливался заряд, а электрическое поле достаточно большое, чтобы дырки и электроны эффективно разделялись.
Транзистор в микросхеме можно представить как суперпозицию собственно транзистора и двух расположенных с боков паразитных транзисторов, у которых роль подзатворного диэлектрика играет переходный слой между подзатворным диэлектриком основного транзистора и боковой изоляцией. Пороговое напряжение основного транзистора при воздействии дозы излучения меняется мало, а вот порог паразитных структур может уменьшаться до нуля, создавая каналы протекания тока, не управляемые затвором. Через эти каналы ток свободно течет из стока в исток – что и называется током утечки.
Утечки приводят к росту тока потребления схемы (что может быть неприемлемо в космическом аппарате, где доступная мощность весьма скромна) и даже к функциональным отказам. Например, самая распространенная проблема флэш-памяти связана не с запоминающими элементами, а с генератором высокого напряжения, используемым для перезаписи. В этом генераторе есть ключи, которые из-за утечек перестают полностью закрываться, без чего невозможно формирование напряжения, достаточного для перезаписи памяти. [11]
2.2. Одиночные эффекты
Одиночные эффекты возникают при попадании в транзистор одной ионизирующей частицы (протона, нейтрона или ядра более тяжелого элемента) и делятся на «мягкие» (сбои) и «жесткие» (отказы), Последние – достаточно редкое явление, характерное для мощных схем и малоизученное. Варианты отказов включают пробой подзатворного диэлектрика и прогорание транзистора из-за возникновения проводящего канала между стоком и истоком, а также тиристорный эффект, на котором я остановлюсь подробнее чуть позже.
2.2.1. Сбои
У «мягких» сбоев есть два основных механизма – первичная и вторичная ионизация. Первая характерна для тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ; ими в данном контексте называют все ядра тяжелее протона), вторая – для протонов и нейтронов. Пролетая через микросхему, частица тормозится из-за взаимодействия с кристаллической решеткой и отдает ей часть своей энергии (этот процесс можно сравнить с нагревом при трении).
Энергия, выделившаяся при пролете частицы, ионизирует атомы кремния. В нормальных условиях подавляющее большинство оторванных от атомов электронов возвращается обратно, но если ионизация происходит вблизи сильного электрического поля, оно может разделить электроны и дырки. Механизм сходен с тем, что происходит при накоплении дозы, но носители заряда не могут накапливаться в кремнии, и длительность одиночных эффектов измеряется не в месяцах, а в пикосекундах.
Сильное электрическое поле в кремнии – это истоковый pn-переход закрытого транзистора, разделение заряда вблизи которого приводит к тому, что носители заряда одного знака попадают в лини земли/питания, а второго – на сток транзистора. С точки зрения внешнего наблюдателя результат процесса выглядит как импульс тока с передним фронтом в несколько десятков пикосекунд и задним – в несколько сотен. Точные параметры импульса зависят от многих факторов, в том числе технологии изготовлении микросхемы, угла падения частицы и т.д.
Если проинтегрировать получившийся импульс тока по времени, мы получим полный заряд, выделившийся в результате попадания ТЗЧ. Минимальный заряд, приводящий к сбою, называется критическим зарядом сбоя. Критический заряд зависит от параметров как пораженной схемы, так и падающей частицы; кроме того, его очень сложно измерить экспериментально, поэтому он обычно применяется для моделирования взаимодействия схемы и частицы и для сравнительного моделирования сбоеустойчивости разных схем. [6]
Энерговыделение принято выражать при помощи линейной передачи энергии (ЛПЭ), измеряемой в МэВ×см2/мг или точнее, в (МэВ/(мг/см3))/см. Одна единица ЛПЭ – это количество энергии выделяемое пролетающей частицей за сантиметр пролетаемого расстояния на единицу плотности вещества, через которое летит частица. Определение на первый взгляд весьма запутанное, но выбранная именно таким образом единица измерения обладает несколькими важными достоинствами: во-первых, численное значение относительно просто измерить экспериментально; во-вторых, в-третьих, применяемые на практике значения обычно укладываются в диапазон от единицы до сотни.
ЛПЭ – величина не постоянная, то есть параметры пролетающей частицы у крышки корпуса микросхемы, на границе кристалла и непосредственно у транзистора под многочисленными слоями будут разными. Из этого, однако, не следует, что более толстый корпус может помочь – зависимость ЛПЭ от дистанции, пройденной в кремнии, обычно имеет максимум на некоторой глубине (так называемый Брэгговский пик). Подобный эффект используется в радиационной терапии и в некоторых операциях изготовления микросхем: параметры имплантируемых ионов подбираются таким образом, чтобы они останавливались на определенной глубине и создавали на глубине слой с большим уровнем легирования.
Протоны и нейтроны имеют очень маленькую ЛПЭ (приблизительно 0,01 МэВ×см2/мг), однако при пролете высокоэнергетического протона/нейтрона через кремний существует вероятность ядерной реакции, продуктами которой являются ионы с коротким пробегом, но большой ЛПЭ (до 15 МэВ×см2/мг). В технологических процессах с не алюминиевой, а медной металлизацией (180 нм и ниже), кроме того, описаны механизмы взаимодействия протонов с вольфрамом, применяемым для контактов первого уровня (и расположенным, таким образом, прямо над чувствительными pn-переходами). ЛПЭ продуктов таких реакций может достигать 30 МэВ×см2/мг.
Характерные минимальные ЛПЭ падающих частиц, приводящие к сбою – в пределах десятки для технологий с проектными нормами 500-250 нм, и порядка единицы для суб-100 нм технологий, в которых критический заряд может быть так мал, что даже первичная ионизация от протонов и нейтронов способна вызвать сбой. Кроме того, маленький критический заряд сбоя приводит к тому, что достаточный заряд может разделиться при пролете частицы не только через обратно смещенный стоковый pn-переход, но и через несмещенный истоковый, что существенно увеличивает уязвимую площадь на кристалле.
Короткий импульс тока воспринимается микросхемой как импульсная помеха, и, если его амплитуда достаточно велика, он может привести к переключению элемента, стоящего за пораженным транзистором – это и есть радиационно-индуцированный сбой. Комбинационные и аналоговые схемы в момент прохождения импульса тока выдает неверный результат, а запоминающие элементы переключаются насовсем. Таким образом, наиболее уязвимой частью микропроцессора является кэш-память: ее на кристалле много, и сбои в ней не проходят сами по себе.
Рисунок 3 Шеститранзисторная ячейка статической двоичной памяти SRAM
Для примера удобнее всего описать механизм сбоя в шеститранзисторной ячейке статической памяти. Запоминающий элемент состоит из двух соединенных положительными обратными связями инверторов (M1-M2 и M3-M4) и двух ключей (M5-M6) (см. рис. 3). В режиме хранения два транзистора закрыты, а два открыты, и на выходах инверторов противоположные значения. [3] Пусть для определенности открыты транзисторы M1 и M4. При попадании ТЗЧ в сток закрытого транзистора (M2 или M3) возникает импульс ионизационного тока, и в ячейке начинаются два процесса: срабатывание положительной обратной связи и рассасывание индуцированного заряда. Эти процессы являются независимыми (их временные константы определяются разными транзисторами) и конкурирующими (эффекты от воздействия процессов противоположны).
Пусть попадание произошло в транзистор закрытый транзистор M2, на стоке которого в результате появился импульс тока. Транзистор М1 в этот момент полностью открыт и имеет маленькое сопротивление, то есть индуцированный ТЗЧ ток через него проходит в землю. Однако емкость узла nQ может быть достаточно большой для того, чтобы его потенциал этого узла вырос на значительное время. Возрастание потенциала узла nQ приводит к переключению второго инвертора (M3-M4). При этом выходное напряжение второго инвертора меняется таким образом, что сопротивление транзистора M1 растет, а транзистор M2 приоткрывается. Если этот процесс происходит дольше, чем процесс рассасывания заряда, то запоминающий элемент переключается, и в нем оказывается записано неверное значение – это и есть радиационно-индуцированный сбой. [11]
Сбои в комбинационной логике проходят несколько проще сбоев в запоминающих элементах – здесь нет обратной связи, и повышение потенциала пораженного узла напрямую передается на следующий каскад. В случае, если амплитуда напряжения достаточно велика, следующий каскад переключается – и дальше по схеме распространяется переходный процесс («иголка» на профессиональном жаргоне). Со сбоями в комбинационной логике связаны дополнительные эффекты, влияющие на то, как схема реагирует на сбой. С одной стороны, есть эффект логического маскирования: не все изменения входных состояний влияют на выход схемы (например, переключение одного из входов элемента «2-И-НЕ» не влияет на выход, если на втором входе логический ноль). С другой стороны, если выход пораженной схемы нагружен несколькими элементами, то сбой попадет на входы каждого из них (представьте себе сбой в самом начале дерева тактовых сигналов). И наконец, временное маскирование: на выходе любой комбинационной схемы стоит триггер, запоминающий значения в определенные промежутки времени. При работе на малых частотах вероятность того, что импульс целиком придется на время, в которое триггер ничего не запоминает, довольно велика, однако с ростом частоты длительность импульса (от нескольких сотен пикосекунд до наносекунды) оказывается сравнима с периодом тактового сигнала, и на больших тактовых частотах интенсивность значащих сбоев в комбинационной логике может быть даже выше интенсивности сбоев в запоминающих элементах (в стоящих на выходах комбинационных схем триггерах тоже могут быть сбои).
Эффективный диаметр трека ТЗЧ – порядка микрона, что существенно больше размеров логических элементов в современных технологиях. Поэтому от попадания одной частицы могут сбиться одновременно несколько элементов, например ячеек кэш-памяти. В технологии 65 нм «несколько» могут быть десятью, что создает существенные сложности в применении помехоустойчивых кодов и заставляет серьезно модифицировать топологию элементов микросхемы. [11]
2.2.2. Тиристорный эффект
При попадании ТЗЧ в транзистор может возникнуть не только однократный сбой, но и условно-жесткий отказ, вызванный тиристорным эффектом («защелка» или latchup на профессиональном жаргоне). На рисунке 4 показано сечение инвертора, выполненного по объемной КМОП технологии, и показаны паразитные элементы, сформированные слоями микросхемы.
Рисунок 4 Сечение КМОП инвертора с показанными паразитными структурами, участвующими в тиристорном эффекте
Видно, что два биполярных транзистора образуют pnpn-структуру (исток-карман-подложка-исток), известную под названием тиристор. ВАХ тиристора показана на рисунке 5 и характерна тем, что имеет нелинейность, то есть при достижении некоего прямого смещения на структуре ее сопротивление резко падает, а ток, соответственно, растет.
Рисунок 5 Вольт-амперная характеристика тиристора
При попадании ТЗЧ индуцированный импульс тока может привести к открыванию биполярных транзисторов и попаданию паразитной тиристорной структуры в низкоомное состояние. Результатом будет формирование короткого замыкания между землей и питанием, потеря работоспособности пораженного элемента и резкий рост тока потребления, способный привести к «выгоранию» пораженного элемента и функциональному отказу. Тиристорный эффект относят к условно-жестким, потому что его воздействие можно остановить при помощи сброса питания с пораженной микросхемы. Эта мера, однако, весьма неудобна и, при большом количестве отказов, неприменима; тиристорный эффект является основной проблемой разработчиков радиоэлектронной аппаратуры для космоса.
Как бороться с тиристорным эффектом? Можно разнести транзисторы дальше друг от друга, но этот вариант нежелателен из-за снижения плотности упаковки кристалла. Можно увеличить уровни легирования подложки и кармана, снизив подвижность носителей заряда – но это снизит скорость работы и основных транзисторов тоже.[6]
Самый удобный вариант – минимизировать базовые сопротивления паразитных транзисторов (Rs и Rw). Чем меньше сопротивление, тем меньше открывается эмиттерный pn-переход при протекании тока, и тем меньше вероятность включения биполярного умножения заряда. Технологически уменьшение базовых сопротивлений означает обеспечение хороших контактов к подложке и карману или создание транзисторов в выращенном поверх высоколегированной подложки низколегированном эпитаксиальном слое.
Наиболее надежный способ минимизации сопротивления контактов к карману и подложке в традиционной КМОП технологии – окружение транзистора кольцевым контактом (так называемые «охранные кольца»). В зависимости от технологии и строгости требований охранных колец может быть от одного до четырех (например, в схемах ввода-вывода, где из-за протекания больших рабочих токов тиристорный эффект возможен и по не связанным с радиацией причинам, в том числе из-за электростатического пробоя). Очевидным недостатком охранных колец является серьезный рост площади элементов (до нескольких раз), то есть даже без учета других методов повышения радиационной стойкости на кристалл поместится намного меньше транзисторов, чем на аналогичный нерадиационностойкий.
Еще один вариант защиты от тиристорного эффекта – полная электрическая изоляция каждого транзистора в схеме, реализуемая в технологии «кремний на изоляторе» (КНИ). [6] Исторически важной разновидностью КНИ является кремний на сапфире (КНС), в котором отдельные кремниевые островки выращиваются на поверхности монокристалла сапфира, но при переходе к малым проектным нормам от него почти повсеместно отказались по технологическим причинам, и сейчас под кремнием на изоляторе практически всегда подразумевается кремний на SiO2. Существуют разные технологии создания таких пластин, но все они сводятся к тому, что на кремниевой подложке формируется относительно толстый слой SiO2 (называемый скрытым или захороненным оксидом), а поверх него – сплошной слой кремния, в котором и изготавливаются транзисторы, разделяемые обычной боковой изоляцией, доходящей до скрытого оксида. Сравнение сечений МОП-транзисторов, выполненных на объемной и КНИ технологии, показано на рисунке 6. Там же показаны pn-переходы, вблизи которых происходит разделение электронно-дырочных пар.
Рисунок 6 Сечение МОП-транзисторов, выполненных на объемной и КНИ технологии. Показана генерация заряда при попадании тяжелой заряженной частицы
Полное отсутствие в КНИ тиристорного эффекта привело к тому, что даже в среде специалистов-разработчиков аппаратуры до сих пор распространено убеждение «КНИ равно радиационная стойкость», но на самом деле это не так. Имея неоспоримое преимущество в стойкости к одному эффекту (и то выражающееся главным образом в экономии площади на охранных кольцах), КНИ может иметь существенно меньшую стойкость как к полной поглощенной дозе, так и к одиночным сбоям.
Электрическая изоляция транзисторов позволяет полностью избавиться от межтранзисторных утечек, но утечка по боковым граням никуда не девается и, более того, наличие скрытого оксида приводит к возникновению еще двух переходных зон между оксидами – и на границе самого скрытого оксида тоже может образоваться паразитный канал (см. рис. 7). Тем не менее, дозовая стойкость КНИ схем сравнима с аналогичными объемными, и большинство методов ее повышения в объемной технологии применима и к КНИ.
Рисунок 7 Сравнение мест возникновения токов утечки в объемном и КНИ МОП транзисторах
С точки зрения одиночных эффектов КНИ технология имеет важное преимущество перед объемной: область, из которой происходит диффузионный сбор заряда, ограничена скрытым оксидом и приблизительно на порядок меньше, чем в аналогичной объемной технологии – то есть и сечение сбоев в области насыщения будет на порядок меньше (а также намного короче задний фронт импульса). К сожалению, в коммерческих КНИ схемах это достоинство полностью перечеркивается тем, что пороговая ЛПЭ сбоя так мала, что интенсивность сбоев оказывается у КНИ выше – за счет большого количества частиц с малыми ЛПЭ, которые не сбивают транзисторы объемной технологии, но сбивают КНИ транзисторы. Причина этого – паразитный биполярный эффект. Вы могли заметить из рисунков, что, если потенциал подзатворной области объемных транзисторов совпадает с потенциалом подложки или кармана, то потенциал подзатворной области КНИ МОП транзистора ничем не контролируется. При попадании ТЗЧ в подзатворную область в ней может накапливаться заряд, достаточный для существенного повышения потенциала. Подзатворная область, ограниченная сверху, снизу и с боков диэлектриком, а с оставшихся двух сторон – pn-переходами, в этой ситуации играет роль емкости, заряжаемой индуцированным ТЗЧ током. Повышение потенциала подзатворной области приводит к открыванию истокового pn-перехода. Дальше в МОП-транзисторе включается паразитный биполярный транзистор, который усиливает индуцированный ТЗЧ импульс тока в соответствующее число раз (коэффициент усиления подобных паразитных структур может быть от нескольких единиц до приблизительно десятки). Биполярное умножение приводит к тому, что критический заряд сбоя элемента снижается в несколько раз, и с ним – пороговая ЛПЭ сбоя, что делает КНИ КМОП схемы гораздо менее сбоеустойчивыми, чем аналогичные объемные.[11]
Можно ли избавиться от паразитного биполярного эффекта? Конечно, нужно только сделать так, чтобы потенциал подзатворной области находился под контролем. Варианта два – сделать слой кремния достаточно тонким для того, чтобы он весь стал каналом транзистора (это называется полностью обедненный КНИ), или создать контакты к подзатворной области. Контакты бывают двух типов: независимые и привязывающие потенциал подзатворной области к потенциалу истока.
Главное достоинство контакта, связывающего подзатворную область с истоком – компактность, главный недостаток – невозможность использования для некоторых включений (например, в проходном ключе). Независимые контакты могут быть использованы где угодно, но их площадь сравнима с площадью самого транзистора, поэтому их ставят только там, где это действительно необходимо. Кроме того, контакты обоих типов обладают еще одним полезным свойством – они перекрывают места образования паразитных каналов и позволяют, таким образом, повысить стойкость микросхемы к полной поглощенной дозе.
Показанные выше приемы позволяют обеспечить КНИ технологии сравнимые показатели стойкости к полной дозе и меньшее на порядок сечение насыщения одиночных сбоев, но пороговые ЛПЭ сбоя при этом все еще достаточно малы для того, чтобы микросхема, оказавшаяся на орбите, сбивалась часто. Уменьшить частоту одиночных сбоев можно при помощи схемотехнических и системотехнических методов. [11]
3. ИМС памяти
В современных сетях скорость передачи данных может осуществляется на скоростях порядка 1-10 Гбит/с, уже существуют стандарты для передачи данных на скоростях 40 и 100 Гбит/с. [2] В оборудование космических аппаратов быстродействие приносится в жертву надежности, поэтому скорость передачи на порядок ниже. Для передачи данных могут использоваться специальные стандарты, например SpaceWire. Этот стандарт позволяет передавать данные на скорости до 700 Мбит/с. [4] Тем не менее, даже при таких скоростях, необходимо использовать буферы, работающие на сопоставимой скорости. Наиболее быстродействующей памятью, является SRAM. Так же SRAM не нуждается в сложном контроллере памяти, что благоприятно сказывается на энергопотреблении и надежности (чем сложнее схема, тем вероятнее сбой). Поэтому наиболее часто используется SRAM. [3]
Ниже рассмотрим что представляет из себя SRAM память.
Выше уже приводилось изображение типичной ячейки памяти SRAM выполненной по КМОП-технологии (см. рис. 3), состоящей из двух перекрёстно (кольцом) включённых инверторов и ключевых транзисторов для обеспечения доступа к ячейке. Часто для увеличения плотности упаковки элементов на кристалле в качестве нагрузки применяют поликремниевые резисторы. Недостатком такого решения является рост статического энергопотребления.
Линия WL (Word Line) управляет двумя транзисторами доступа. Линии BL и BL (Bit Line) — битовые линии, используются и для записи данных, и для чтения данных. Запись осуществляется следующим образом. При подаче «0» на линию BL или BL параллельно включенные транзисторные пары (M5 и M1) и (M6 и M3) образуют логические схемы 2ИЛИ, последующая подача «1» на линию WL открывает транзистор M5 или M6, что приводит к соответствующему переключению триггера. При подаче «1» на линию WL открываются транзисторы M5 и M6, уровни записанные в триггере выставляются на линии BL и BL и попадают на схемы чтения. [3]
Тем не менее, сохранять данные без перезаписи SRAM может только пока есть питание, то есть SRAM остается энергозависимым типом памяти.
Основные преимущества SRAM-памяти:
Быстрый доступ. SRAM — это действительно память произвольного доступа, доступ к любой ячейке памяти в любой момент занимает одно и то же время.
Простая схемотехника — SRAM не требуются сложные контроллеры.
Возможны очень низкие частоты синхронизации, вплоть до полной остановки синхроимпульсов.
Основные недостатки SRAM-памяти:
Невысокая плотность записи (шесть-восемь элементов на бит).
Дороговизна килобайта памяти.
Энергозависимость.
Так как в космической аппаратуре используется не только SRAM-память (см. рис. 3), то рассмотрим так же, что представляет из себя DRAM- и FLASH-память.
DRAM-память — динамическая память с произвольным доступом — тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом; DRAM широко используемая в качестве оперативной памяти современных компьютеров, а также в качестве постоянного хранилища информации в системах, требовательных к задержкам.
Рисунок 8. Схема хранения одного бита в DRAM памяти
На рисунке 8 изображена типичная ячейка DRAM-памяти. Информация хранится в виде заряда на конденсаторе. Как видно из рисунка, ячейка памяти представляет собой два элемента, а не шесть как у SRAM-памяти, как следствие — занимает меньшую площадь и потому стоит дешевле. Но у неё есть и свои существенные недостатки. После обращения к ячейке её нужно перезаписать, так как чтение разряжает конденсатор. Так же конденсаторы, в виду их малой ёмкости быстро разряжаются и потому их нужно периодически перезаписывать. Из-за этого для управления такой памятью необходим сложный управляющий контроллер. Так как в аппаратуре для космоса в первую очередь важна надежность, то наличие ещё одной сложной системы играет явно не в пользу этой памяти. Как уже было сказано выше — чем сложнее система, тем более вероятней в ней сбой. [10]
FLASH-память — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. [12]
Рисунок 9 Разрез транзистора с плавающим затвором
На рисунке 9 изображен ключевой элемент ячейки флеш-памяти — транщистор с плавающим затвором. Принцип работы технологии основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области («кармане») полупроводниковой структуры.
Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта туннелирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора.
Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения. Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек. [12]
4. Сетевое оборудование космических аппаратов
Современные космические аппараты представляют собой сложные автономные системы. Для связи всех систем аппарата между собой и для связи с земными службами управления и контроля используют достижения современных сетевых технологий. Это могут быть как обычные “земные”, так и оригинальные технологии, созданные специально для космических аппаратов, например RapidIO, SpaceWire. [5] На рисунке 10 приведено изображение таких компьютеров.
Рисунок 10 Одноплатные компьютеры RAD компании BAE Systems поддерживающие интерфейс SpaceWire
Как правило, основное отличие “земных” сетей от “космических” в физическом и канальном уровне. Предъявляются особые требования к сигналу, шифрованию, отслеживанию ошибок. Немаловажную роль играет возможность сделать гальваническую развязку.
В рамках одного аппарата могут использоваться сразу несколько сетевых стандартов. Например, для связи элементов на одной плате использовать стандарт RapidIO, который обеспечивает высокую скорость передачи данных (до 10.3125 GBaud), но на коротких расстояниях (до 20 см.). Для связи элементов разнесенных на значительное расстояние друг от друга использовать SpiceWire, обеспечивающем на расстоянии 1-2 метра, скорость передачи данных до 700 Мбит/с, [4] или “земные” стандарты (например, Ethernet).
Устройства, необходимые для работы компьютерной сети — сетевое оборудование — разделяются на активные и пассивные. Пассивное СО, это устройства не получающие дополнительного внешнего питания, например витая пара. К активному СО, соответственно относится все остальное — сетевые адаптеры, репитеры, концентраторы, коммутаторы и т.д. Нас интересуют только активные СО, так как только в них используются память.
Теперь рассмотрим в каких элементах активных СО используется память. Для всех существующих СО можно выделить много общих элементов. Так, любое СО содержит внешние интерфейсы для коммутации с сетью, причем входной и выходной интерфейсы могут различаться (трансивер). Более сложные устройства, осуществляющие некую обработку данных (например, пересылка данных с определенным MAC-адресом на нужный порт), содержат вычислительные устройства и оперативную память разных типов. К этой памяти предъявляются требования высокого быстродействия с одновременным обеспечением надежности передаваемых данных.
Для примера рассмотрим такое типичное устройство СО, как устройство сетевая карта (см. рис. 11). На сетевой карте расположены: контроллер MAC-адресов (в данном случае он выполнен в виде модуля FPGA, но может быть микроконтроллер), модули оперативной памяти DRAM, буферная память SRAM, FLASH-память и различные контроллеры интерфейсов, как физических для связи с сетью, так и для передачи данных на компьютер.
Рисунок 11 Cетевая карта DSPACE (Digital Signal Processor for Space Applications)
Сетевая карта должна принять информацию, пересылаемую компьютером, наладить связь с сетевой картой принимающего компьютера, произвести перевод данных из параллельного формата передачи по шине в последовательный формат передачи по кабелю, и, наконец, направить эту информацию на трансивер. Информация с компьютера и сети поступает гораздо быстрее, чем карта успеет ее обработать. Для устранения этой проблемы в качестве буферов используются блоки памяти DRAM и SRAM. Информацию буферизуется как при передаче, так и при приеме. При этом DRAM память используется как буфер большого объема, SRAM используется в качестве быстрого буфера информации непосредственно при приеме или передаче информации. FLASH-память используется записи прошивки карты и идентификатора NIC.
Кроме того, управляющее устройство в используемом сетевом может представлять собой микропроцессор или микроконтроллер, в таком случае его кэш-память тоже имеет тип SRAM. [9]
Заключение
В ходе выполнения этой работы был произведен краткий обзор сетевого оборудования для космических аппаратов и основных типов применяющихся ИМС-памяти. Был проведен анализ основных проблем возникающих из-за наличия ИИКП и приведены существующие способы решения этих проблем.
Подводя итог, хотелось бы отметить, что универсальных способов для повышения радиационной стойкости нет. Каждая технология производства ИМС, в том числе ИМС памяти, требует своего подхода к повышению стойкости к ИИКП. У каждой технологии, у каждого способа повышения надежности есть свои плюсы и минусы, которые нужно учитывать при разработке ИМС исходя из требований к проектируемому прибору.
Литература
1. К.И. Таперо, В.Н. Улимов, А.М. Членов - Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения, Бином, 2012, с. 10
2. 100-gigabit Ethernet // URL: https://en.wikipedia.org/wiki/100-gigabit_Ethernet
3. Static random-access memory // URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Static_random-access_memory
https://en.wikipedia.org/wiki/Ethernet
4. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 5/2006, c. 70
5. SPACEWIRE RAD HARD ASIC AND EVALUATION BOARD // URL: http://www.baesystems.com/product/BAES_058844/spacewire-rad-hard-asic-and-evaluation-board
6. Микроэлектроника для космоса и военных // URL: http://habrahabr.ru/post/156049/
7. К.И. Таперо, В.Н. Улимов, А.М. Членов - Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения, Бином, 2012, с. 26
8. S. Saponara et al., Next-generation digital signal processor for European space applications // URL: http://spie.org/x92891.xml
9. T. C. Xu, P. Liljeberg, H. Tenhunen. Exploring DRAM Last Level Cache for 3D Network-on-Chip Architecture // ICESM 2010
10. Dynamic random-access memory // URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_random-access_memory
11. Физика радиационных эффектов, влияющих на электронику в космосе // URL: http://habrahabr.ru/post/189066/
12. Flash memory // URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Flash_memory |
