НИИСИ РАН, г.Москва

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ
НАУК
КОМПЛЕКТ СБИС
С ПОВЫШЕННОЙ СТОЙКОСТЬЮ
К ФАКТОРАМ КОСМИЧЕСКОГО
ПРОСТРАНСТВА
Антонов А А, Новожилов Е А
НИИСИ РАН
25.09.2009 – 01.10.2009
Немного истории
 Работа НИИСИ РАН в области спец.стойких СБИС
началась в 2001 г.
 Перед НИИСИ РАН была поставлена цель
разработать комплект СБИС с уровнем интеграции
свыше 1 млн. транзисторов с требованиями:
• Стойкость по 7И6
• Стойкость по 7И7
НИИСИ РАН
не менее 1012 ед/сек;
не менее 100*103 ед.
Базовые решения:
 Ориентация на отечественную фабрику 1Х1,
обеспечивающую проектные нормы 0,5 мкм, 3 металла;
 Выбор технологии КНИ.
Свойства КНИ
 + подавление тиристорного эффекта;
(стойкость к импульсным воздействиям);
 + повышение стойкости к одиночным сбоям;
 + повышение быстродействия;
 + снижение энергопотребления;
 + расширение температурного диапазона;
 - проблемы с обеспечением стойкости к накопленной дозе;
 - эффекты плавающего кармана;
НИИСИ РАН
Кремний на изоляторе (КНИ)
Поликремниевый затвор
ИСТОК
СТОК
Область
легирования n++
Al
Al
Al
n++
n++
Кремниевая
подложка
Захороненный
окисел
НИИСИ РАН
Отсеченный слой
кремния
Стойкость к импульсному воздействию
 Конструкция
КНИ-схем
препятствует
возникновению тиристорного эффекта;
 Испытание подтверждают, что стойкость схем по
КНИ технологии к импульсному воздействию
превышает 1012 ед\сек.
НИИСИ РАН
Стойкость к накопленной дозе
Наличие скрытого окисла может привести к утечке вблизи дна кремниевой
области (в дополнение к утечке вблизи краев)
НИИСИ РАН
Состояние дел на текущий момент
 Завершена разработка комплекта СБИС
достаточного для построения:
– полностью отечественной,
– малогабаритной,
– функционально законченной управляющей ЭВМ,
– с требованиями по спец.факторам:
• Стойкость по 7И6 не менее 5*Ус;
• Стойкость по 7И7 не менее 4*4Ус.
НИИСИ РАН
Интерфейсный контроллер (5890ВГ1Т);
(2 канала по ГОСТ Р 52070-2003 со встроенной памятью)
НИИСИ РАН
Структурная схема СБИС 5890ВГ1Т
НИИСИ РАН
Топология СБИС 5890ВГ1Т
8,5 мм
НИИСИ РАН
КОМДИВ32-С (5890ВЕ1Т);
(RISC микропроцессор - аналог 1890ВМ1Т и системный
контроллер)
НИИСИ РАН
Структурная схема 5890ВЕ1Т
SYS_RESET_IN
SYS_RESET_OUT
SYNC_OUT
RamSel
PromSel
Последовательные
порты
4
Контроллеры
2
ExtSel 2
Addr
ПЗУ
32
Data
32
ОЗУ
Таймер 1
Порт 1
2
2
Таймер 2
Порт 2
2
2
Таймер 3
Порт 3
2
Внешняя
область
ФЛЭШ
Регистровый
файл
Контроллер
ВШ
Контроллер
прерываний
Внутренняя шина
16
ПВВ
общего
назначения
ЦП
2
BrCond
НИИСИ РАН
Контроллер PCI
Арбитр
Ведомый
32
Ведущий
4
Топология СБИС КОМДИВ32-С
11,6 мм
НИИСИ РАН
СБИС ОЗУ 64К*8 и ПЗУ 256К*8
 Разработаны, изготовлены на 1Х1 и исследованы
макетные образцы СБИС ОЗУ и ПЗУ;
 По функциональному назначению образцы
соответствуют предъявляемым требованиям;
По
всем
электрическим
соответствуют ТЗ;
параметрам
образцы
Уровень стойкость к фактору 7И7 превышает 4*105 ед.
НИИСИ РАН
Технологическая плата для проверки
функционирования СБИС 5890ВЕ1Т и 5890ВГ1Т
НИИСИ РАН
Демонстрационный модуль «5890_Демо»
НИИСИ РАН
Структурная схема демонстрационного модуля «5890_Демо»
Манчестер
2 канала
Системное ПЗУ
512 КБ
ОЗУ
2 КБ
ОЗУ
8 МБ
RS-232
3 канала
5890ВГ1Т
5890ВЕ1Т
Входные
частоты
Линии
PIO[15:0]
ППЗУ
64 МБ
PCI
Соединитель
PMC
НИИСИ РАН
Линии
ввода/вывода
Соединитель PCI для
плат расширения
Демонстрационный модуль «5890_Демо»
.













Микропроцессор 5890ВЕ1Т;
Интерфейсный контроллер 5890ВГ1Т;
Приемопередатчики трех последовательных интерфейсов типа RS-232;
Соединитель PCI для плат расширения (+5.0 В);
ОЗУ статического типа объемом 8 Мбайт;
ОЗУ статического типа для интерфейсного контроллера 5890ВГ1Т
объемом 2 Кбайт;
ППЗУ (flash-память) объемом 64 Мбайт;
Системное ПЗУ объемом 512 Кбайт;
Интерфейсное устройство мультиплексного канала (2 канала с
резервированием);
Интерфейс JTAG;
Входные линии КМОП-уровня – 16 шт.;
Выходные линии КМОП-уровня – 16 шт.;
Программируемые пользователем линии ввода/вывода PIO[15:0]
микропроцессора 5890ВЕ1Т;
НИИСИ РАН
Микропроцессор КОМДИВ32-С (1990ВМ1Т)
Цель: разработка сбоеустойчивого, стойкого к
специальным внешним воздействиям
микропроцессора на базе системы команд
микропроцессоров семейства КОМДИВ
программно совместимого с серией
КОМДИВ, с повышенной стойкостью к
одиночным событиям
НИИСИ РАН
Основные характеристики микропроцессора
 Стойкость к воздействию специальных факторов:
 7И7 – не менее 4Ус
 7И6 – не менее 5Ус
 Пороговая величина ЛПЭ ТЗЧ по тиристорному эффекту
– не менее 80 МэВсм2/мг
 сечение насыщения по одиночным событиям (ОС) не
более 310-8 см2/бит
 система команд – совместимая с микропроцессорами
серии КОМДИВ.
НИИСИ РАН
Отличия процессора 1900ВМ1Т (КОМДИВ32-Р)
от 1890ВМ1Т и 1890ВМ2Т
 1900ВМ1Т (КОМДИВ32-Р) по внешним выводам и режимам
инициализации совместим с 1890ВМ1Т.
 Поддерживается режим работы шины процессора на
полной и половинной частоте относительно частоты
работы ядра.
 Поддерживается режим понижения частоты в 32 раза.
 Как альтернативу к буферу быстрой трансляции (TLB)
архитектура MIPS32 1900ВМ1Т (КОМДИВ32-Р)
поддерживает механизм трансляции адресов с
фиксированным способом трансляции виртуальных
адресов в физические (FMT)
 Внутренняя кэш-память имеет дополнительный бит
четности.
НИИСИ РАН
Методы обеспечения сбоеустойчивости
 внутренняя кэш память имеет защиту четностью.
 топологически, ячейки памяти располагаются с чередованием
 при работе с внешней памятью данные защищены 4 битами
четности по одному на каждый байт;
 регистровые файлы выполняются на специальных сбоеустойчивых
ячейках;
 введен регистр управления счетчиками ошибок четности который
позволяют производить аппаратный и программный контроль;
 введены 9 счетчиков ошибок, в которых подсчитываются ошибки
четности при обращении к внутренним блокам кэш-памяти данных,
инструкций, тегов данных, тегов инструкций и к внешнему
устройству;
 введены два 8-разрядных счетчика для подсчитывания повторных
циклов чтения данных и инструкций. При переполнении счетчика
формируется прерывание на входе процессора;
 при обнаружении ошибки четности при чтении каждого слова с
внешней шины процессор формирует выходной сигнал ParError.
НИИСИ РАН
Перспективы
 Развитие технологии 0,35 КНИ (2009-2010 гг.), с
освоением 0,25 к 2010-2011 гг.
 Смещение акцента на борьбу с одиночными
событиями, что подразумевает развитие
технологических, конструктивных и
схемотехнических методов повышения стойкости к
данному виду воздействия.
 Совместно с ФГУП «Комета» проводим
исследование с целью построения архитектуры 32разрядной микропроцессорной RISC-системы,
устойчивой к сбою и отказу любого единичного
элемента.
НИИСИ РАН
Выводы
 Для
космических
применений
специализированная сложнофункциональная
база с повышенной стойкостью к факторам КП;
необходима
элементная
 Наилучшие результаты дает сочетание технологических,
конструктивных и схемотехнических решений;
 Технология
КНИ
обладает
преимуществом
перед
технологией обьемного кремния, в том числе в области
обеспечения стойкости к одиночным эффектам;
 НИИСИ РАН обладает опытом и технологией разработки и
производства субмикронных СБИС с повышенными уровнями
стойкости к СВВ;
НИИСИ РАН