一种基于C单元的三节点翻转自恢复锁存器

随着集成电路中工艺尺寸的不断缩减,锁存器也越来越容易受到粒子辐射引起的三节点翻转的影响。针对该问题,基于C单元的结构,提出一种低功耗、低延时和高鲁棒性的三节点翻转并自恢复的MKEEP锁存器。通过仿真实验和PVT的波动实验表明,相对于其他拥有三节点容忍或自恢复能力的锁存器,该锁存器拥有低功耗、低延迟和更小的面积开销,且对工艺、电压和温度的敏感度较低,优势明显。

一种低开销的三节点翻转容忍锁存器设计

【目的】随着半导体技术的发展,集成电路特征尺寸不断缩小,导致其对软错误更加敏感,因此需要对集成电路存储单元进行加固。【方法】使用Hspice进行实验与仿真,基于PTM32nm CMOS工艺,提出了一种低开销的三节点翻转容忍锁存器结构。【结果】该锁存器包含2个单节点自恢复模块、1个二级错误拦截模块、3个传输门。每个自恢复模块由1个施密特触发器和1个钟控的施密特触发器组成,首尾相连形成环形结构,有效地实现了三节点翻转的容忍。【结论】仿真结果表明:与现有的其他功能相同的锁存器相比,所提出的锁存器具有完整的三节点容忍能力,并且将功耗、延迟、面积、功率延迟积分别降低了约37.58%、41.25%、27.77%、75.83%。

32 nm工艺下基于输入分离C单元的三节点翻转容忍锁存器设计

随着集成电路特征尺寸的不断缩减,存储电路中单粒子效应造成的多节点翻转的概率越来越大,严重影响了电路的可靠性。因此,为了增加存储电路的抗辐射加固能力和可靠性,提出一种三节点翻转加固锁存器TNUTL。该锁存器使用双模冗余和输入分离C单元实现100%三节点翻转容忍能力。钟控技术和传输门的使用有效降低了锁存器的功耗和延迟。32 nm CMOS工艺下的仿真结果表明,所提出的锁存器对比同类型结构平均降低了36.84%的功耗和65.31%的延迟,以及82.13%的功耗延迟积。

一种基于40nm CMOS体硅工艺的抗单粒子翻转触发器设计

随着集成电路尺寸的不断减小,触发器受到单粒子打击时,电荷共享效应会使触发器电路的多个节点同时翻转.基于此,提出了一种新的触发器结构,即Rectangle DFF,可以有效过滤输入上的单粒子瞬态、并对三节点翻转免疫.该触发器由时钟晶体管堆栈架构和一个抗三节点翻转的锁存器组成,锁存器部分由12个交叉耦合的反相器和3个二输入的C单元结构组成.通过时钟晶体管堆栈结构可以屏蔽单粒子瞬态,由于3个C单元的输入不会同时翻转,能够有效屏蔽电路中的软错误.在40nm CMOS体硅工艺下的SPECTRE仿真表明,与基准的三模冗余触发器相比,面积开销降低15%,延迟降低44%,功率延迟积降低2%.

低面积与低延迟开销的三节点翻转容忍锁存器设计

随着纳米级CMOS集成电路的不断发展,锁存器极易受恶劣的辐射环境影响,由此引发的多节点翻转问题越来越严重。该文提出一种基于双联互锁存储单元(DICE)和2级C单元的3节点翻转(TNU)容忍锁存器,该锁存器包括5个传输门、2个DICE和3个C单元。该锁存器具有较小的晶体管数量,大大减小了电路的硬件开销,实现低成本。每个DICE单元可用来容忍并恢复单节点翻转,而C单元具有错误拦截特性,可屏蔽由DICE单元传来的错误值。当任意3个节点翻转后,借助DICE单元和C单元,该锁存器可容忍该错误。基于集成电路仿真程序(HSPICE)的仿真结果表明,与先进的TNU加固锁存器设计相比,该锁存器的延迟平均降低了64.65%,延迟功耗面积积平均降低了65.07%。

容忍单粒子多节点翻转的三模互锁加固锁存器

为了能够容忍单粒子多节点翻转,提出了一种新颖的三模互锁加固锁存器。该锁存器使用具有过滤功能的代码字状态保存单元(CWSP)构成三模互锁结构,并在锁存器末端使用CWSP单元实现对单粒子多节点翻转的容错。HSPICE仿真结果表明,相比于三模冗余(TMR)锁存器,该锁存器功耗延迟积(PDP)下降了58.93%;相比于容忍多节点翻转的DNCS-SEU锁存器,该锁存器的功耗延迟积下降了41.56%。同时该锁存器具有较低的工艺偏差敏感性。

一种低开销的三点翻转自恢复锁存器设计

随着集成电路特征尺寸的不断缩减,在恶劣辐射环境下,纳米级CMOS集成电路中单粒子三点翻转的几率日益增高,严重影响可靠性。为了实现单粒子三点翻转自恢复,该文提出一种低开销的三点翻转自恢复锁存器(LC-TNURL)。该锁存器由7个C单元和7个钟控C单元组成,具有对称的环状交叉互锁结构。利用C单元的阻塞特性和交叉互锁连接方式,任意3个内部节点发生翻转后,瞬态脉冲在锁存器内部传播,经过C单元多级阻塞后会逐级消失,确保LC-TNURL锁存器能够自行恢复到正确逻辑状态。详细的HSPICE仿真表明,与其他三点翻转加固锁存器(TNU-Latch, LCTNUT, TNUTL, TNURL)相比,LC-TNURL锁存器的功耗平均降低了31.9%,延迟平均降低了87.8%,功耗延迟积平均降低了92.3%,面积开销平均增加了15.4%。相对于参考文献中提出的锁存器,LC-TNURL锁存器的PVT波动敏感性最低,具有较高的可靠性。

基于混合三模冗余的容忍双点翻转锁存器

随着集成电路工艺的飞速发展,电路内部节点对于高能粒子入射的敏感性急速增大,锁存器中辐射效应引起的软错误急剧增多.进入90 nm工艺以后,电荷共享导致的双点翻转已经成为影响可靠性的严重问题.为此,基于混合三模冗余机制,提出2种加固锁存器结构:TMR-2D1R锁存器和TMR-1D2R锁存器.传统的三模冗余锁存器包括3个同构的D-latch和1个表决器;TMR-2D1R锁存器包括2个D-latch,1个RHM单元和1个表决器,可以部分容忍双点翻转;TMR-1D2R锁存器包括1个D-latch,2个RHM单元和1个表决器,可以完全容忍双点翻转.与相关加固锁存器进行比较的结果表明,TMR-1D2R锁存器在延迟、功耗、面积和加固性能等方面取得了较好的折中.

32 nm CMOS工艺的单粒子多点翻转加固锁存器设计

随着集成电路工艺不断改进,电荷共享效应诱发的单粒子多点翻转已经成为影响芯片可靠性的重要因素.为此提出一种有效容忍单粒子多点翻转的加固锁存器:低功耗多点翻转加固锁存器(low power multiple node upset hardened latch,LPMNUHL).该锁存器基于单点翻转自恢复的双联互锁存储单元(dual interlocked storage cell,DICE),构建三模冗余容错机制,输出端级联“三中取二”表决器,可以有效地容忍单粒子多点翻转,表决输出正确逻辑值,不会出现高阻态,可以有效地屏蔽电路内部节点的软错误.该锁存器能够100%容忍三点翻转,四点翻转的容忍率高达90.30%.通过运用高速传输路径、时钟选通技术和钟控表决器,该锁存器有效地降低了功耗.32 nm工艺下SPICE仿真表明,与加固性能最好的三点翻转加固锁存器综合比较,LPMNUHL的延迟平均降低了40.16%,功耗平均降低了44.96%,功耗延迟积平均降低了65.40%,面积平均降低了34.60%,并且对电压/温度波动不敏感.

基于双模互锁的抗三节点翻转锁存器设计

随着半导体工艺的发展,集成电路对单粒子效应所引起的软错误更加敏感。为了减弱或消除软错误对集成电路的影响,提出了一种基于32 nm CMOS工艺的抗三节点翻转(TNU)锁存器。该锁存器通过两个互锁的单节点翻转自恢复单元与C单元相连来抗TNU。此外,由于使用时钟门控技术、快速传输路径以及较少的晶体管,使该锁存器的功耗和延迟较低。HSPICE仿真结果表明该锁存器能够抗TNU,与其他先进的辐射加固锁存器相比,该锁存器在减少晶体管数量约34%的情况下,其功耗和延迟分别降低了约58%和21%,而功耗延迟积降低了约68%,并且对工艺、电压和温度(PVT)的波动具有低灵敏度。

基于三模冗余和三级错误拦截的四节点翻转容忍锁存器设计

本研究提出一种基于三模冗余和三级错误拦截的四节点翻转容忍锁存器设计(TTEQNUTL)。该锁存器由3个单节点翻转的自恢复模块(SNUSR1、SNUSR2和SNUSR3)、1个三级错误拦截模块和7个传输门组成。每个SNUSR模块均包含2个普通的C单元和2个钟控C单元,4个C单元形成一个环形结构。HSPICE试验结果表明,与2个锁存器(LCTNURL、IHTRL)的平均值相比,本研究提出的锁存器以牺牲21.95%的面积开销为代价,使功耗降低30.77%、延迟降低48.56%、功耗延迟积(Power Delay Product,PDP)降低66.92%。