بخشی از مقاله
چکیده
پیشرفت فناوری و کاهش ابعاد ترانزیستورها، موجب ایجاد مشکلات جدیدی برای طراحی و ساخت تراشههای الکترونیکی و در نتیجه، سیستمهای دیجیتال شده است. از جملهی مهمترین این مشکلات، افزایش آسیبپذیری این سیستمها در برابر خطای نرم ناشی از برخورد ذرات پرانرژی و در نتیجه، کاهش قابلیت اطمینان این سیستمها میباشد. با افزایش مقیاسپذیری و کاهش ابعاد قطعات، حساسیت مدارها در برابر خطای نرم افزایش یافته است. بنابراین، نیاز به ارائه روشهایی به منظور ارزیابی قابلیت اطمینان و تحملپذیری مدارهای دیجیتال در برابر خطای نرم احساس میشود. تاکنون روشهای بسیاری به منظور تخمین تحملپذیری مدارهای دیجیتال در برابر خطای نرم ارائه شدهاند. در این مقاله، برخی از روشهایی که تاکنون به منظور ارزیابی قابلیت اطمینان مدارهای دیجیتال در برابر خطای نرم ارائه شدهاند، معرفی مینماییم.
کلمات کلیدی: مدارهای دیجیتال، قابلیت اطمینان، تحملپذیری اشکال، اشکال گذرا، خطای نرم، نرخ خطای نرم، تخمین نرخ خطای نرم.
-1 مقدمه
امروزه سیستمهای دیجیتال به صورت گستردهای در زندگی روزمره انسانها مورد استفاده قرار گرفته است. نیاز به کارایی بیشتر سیستمهای دیجیتال، طراحان سیستمهای دیجیتال را بر آن داشت تا اندازه ترانزیستورها را به ابعاد کمتر از چندین نانومتر کاهش دهند. این پیشرفتها باعث افزایش نمایی تعداد ترانزیستورها، افزایش فرکانس کاری مدار و کاهش ولتاژ کاری مدار شدهاند .[2][1] البته با مقیاسبندیفنّاوری1، عملکرد قابل اطمینان سیستمهای دیجیتال بهطور جدی مورد چالش قرار گرفته است و درنتیجه، نیاز به استفاده از رویکردهای طراحی که از نظر قابلیت اطمینان در سطح قابل قبولی باشند نه تنها در کاربردهای نظامی و حیاتی، بلکه در کاربردهای روز بازار هم بیش از پیش احساس میشود. بنابراین، معیار قابلیت اطمینان یک سیستم در برابر خرابی در کنار دیگر معیارها از جمله هزینه1، کارآیی2 و مصرف توان3 از اهمیت ویژهای برخوردار است.
بهمنظور دستیابی به یک طراحی کارآ از یک سیستم که از قابلیت اطمینان کافی برخوردار باشد، اولین گام شناخت عواملی است که باعث کاهش قابلیت اطمینان در مدارها میشوند .[3] ازجمله منابعی که درنهایت میتواند عملکرد صحیح سیستم-های دیجیتال را مختل کرده و درنتیجه، قابلیت اطمینان آنها را تحت تأثیر خود قرار دهد، اشکالها4 هستند. اشکالهای سیستمهای دیجیتال را میتوان به دو نوع کلی تقسیم نمود :[5][4] اشکالهای دائم5 و اشکالهای گذرا.6 اشکالهای گذرا در شرایط محیطی خاص رخ میدهند و برای مدتزمان کوتاهی و بهصورت گذرا در سیستم حضور دارند و ممکن است منجر به خطا7 در سیستم شوند و یا بیآنکه مشکلی برای سیستم به وجود بیاورند، از بین بروند. از جمله منابع تولید اشکالهای گذرا در مدارهای دیجیتال برخورد ذرات پرانرژی به یک قطعه نیمههادی اشاره کرد .[6]
برخورد ذرات پرانرژی به سطح تراشه موجب ایجاد یک پالس گذرا در خروجی دروازههای ترکیبی میشوند، میتوانند عملکرد صحیح مدارهای دیجیتال را تحت تاثیر قرار دهند. بار القاشده ناشی از برخورد یکذره پرانرژی به یکی از ترانزیستورهای یک دروازه در بخش ترکیبی مدار، منجر به تولید یک پالس گذرا شده که به آن گذار تک رخدادی - SET - 8 گفته میشود .[6] این اشکالهای گذرا میتوانند در طول مدار منتشر شده و مقدار ذخیره شده در یک سلول حافظه را تغییر دهند. به این خطا اصطلاحا خطای نرم9 گفته میشود. با افزایش مقیاسپذیری و کاهش ابعاد قطعات، حساسیت مدارها و در نتیجه سیستمهای دیجیتال در برابر خطای نرم افزایش یافته است .[8][7]
بنابراین، نیاز به ارائه روشهایی به منظور افزایش تحملپذیری سیستمهای دیجیتال در برابر خطای نرم احساس میشود. این روشها به دو دسته کلی دستهبندی میشوند که شامل روشهای ارزیابی قابلیت اطمینان مدارهای دیجیتال و روشهای افزایش تحملپذیری این مدارها در برابر خطای نرم میباشند .[9] به منظور افزایش تحملپذیری مدارهای دیجیتال، در ابتدا نیاز به ارزیابی قابلیت اطمینان در برابر خطاهای نرم و شناسایی بخشهایی که حساسیت بیشتری در برابر خطای نرم دارند میباشد . سپس، با در نظر گرفتن بخشهای حساس و اعمال روشهایی، سعی در افزایش تحمل-پذیری این مدارها در برابر خطای نرم دارند. تاکنون روشهای مختلفی به منظور ارزیابی قابلیت اطمینان مدارهای دیجیتال ارائه شدهاند. در این مقاله، برخی از این روشها را معرفی مینماییم.
ادامه این مقاله بدین صورت سازمان یافته است. در بخش2، نحوه ایجاد خطای نرم در سیستمهای دیجیتال را بررسی مینماییم. در بخش 3، پوششهای سهگانه را معرفی مینماییم. در بخش 4، ساختار کلی روشهای تزریق اشکال را شرح میدهیم. در بخش 5، برخی از روشهای که تاکنون به منظور تخمین و ارزیابی قابلیت اطمینان سیستمهای دیجیتال در برابر خطای نرم ارائه شدهاند، معرفی مینماییم. در نهایت، در بخشهای 6، نتیجهگیری مقاله میپردازیم.
-2 خطای نرم
وقتی یک ذره پرانرژی به ناحیه حساسی از یک قطعه نیمههادی برخورد میکند، هنگام عبور از یک اتصال P و - N شکل 1 قسمت الف - کانال متراکمی از الکترون و حفره - که قیف10 نامیده میشود - به وجود میآورند - شکل 1 قسمت ب - . تعدادی از این الکترونها و حفرهها با یکدیگر مجدداً ترکیب میشوند که به این پدیده جمعآوری بار11 گفته میشود - شکل 1 قسمت ج - . این پدیده منجر به تولید یک جریان با مدتزمان خیلی کوتاه در محل برخورد میشود - شکل 1 قسمت د - . مقدار بیشینه جریان تولیدشده و مدت زمانی که جریان به مقدار صفر میرسد، بستگی به فرآیند جمعآوری بار بعد از تولید کانال الکترون-حفره دارد. درواقع، عواملی مانند تراکم کانال و سرعت جمعآوری بار هستند که شکل جریان تولیدشده را تعیین میکنند .[10]
بار القاشده ناشی از برخورد یکذره پرانرژی و بهتبع آن، جریان تولیدشده میتواند بار لازم برای تغییر مقدار ذخیرهشده در یک سلول حافظه را فراهم کند و مقدار آن سلول را تغییر دهد که به آن پدیده واژگونی تک رخدادی - SEU - 1 گفته میشود. درصورتیکه این جریان در یکی از ترانزیستورهای یک دروازه در بخش ترکیبی مدار برخورد کند این جریان میتواند منجر به تولید یک پالس گذرا کند که به آن گذار تک رخدادی - SET - 2 گفته میشود .[6] پالس ولتاژ گذرای تولیدشده در خروجی یکی از دروازههای مدار از طریق دروازههای پیش رو در مدار تا خروجیهای اصلی منتشرشده و درصورتیکه در بازه زمانی مناسب به عناصر حافظه برسد، میتواند منجر به خطای نرم3 در مدار گردد .[11]
-3 پوششهای سهگانه
همانطور که در بخش پیشین ذکر شد، هنگامیکه یک ذره پرانرژی به یک دروازه منطقی ترکیبی برخورد میکند، میتواند خود را به شکل یک نوسان ولتاژ در خروجی دروازه نشان دهد و یا به عبارتی دیگر موجب یک گذار تک رخدادی به شکل یک تغییر ولتاژ لحظهای از یک به صفر و یا از صفر به یک در مدار میشود .[12] برای اینکه این پالس گذرا در مدار منجر به خطای نرم شود، بایستی بهطور منطقی در طول مدار ترکیبی منتشرشده و درنهایت به ورودی یک عنصر حافظه مانند لچ یا فلیپفلاپ برسد و در آن ذخیره شود - شکل . - 2 ارتفاع و عرض پالس تولیدشده حین انتشار از دروازههای منطقی کاهش یافته و درنهایت پالس احتمالاً تغییریافته، بایستی با ارتفاع و عرض قابلقبول و در یک بازه زمانی مشخص در ورودی عناصر حافظه مدار حاضر باشند تا به خطای نرم تبدیل شود. درصورتیکه ورودیهای دروازهها از انتشار پالس گذرا جلوگیری کند و یا انتشار از دروازهها باعث شود ارتفاع و عرض پالس گذرا از اندازه معینی کمتر شود و یا درنهایت، پالس گذرا در خارج از بازه زمانی مشخص به فلیپفلاپ برسد، پالس گذرا اصطلاحاً پوشش4 داده میشود .[11] در ادامه، به بررسی هرکدام از این شرایط خواهیم پرداخت.
