辐射加固SOI工艺FPGA的设计与验证

进行了一款辐射加固SRAM基VS1000 FPGA的设计与验证。该芯片包含196个逻辑模块、56个IO模块、若干布线通道模块及编程电路模块等。每个逻辑模块由2个基于多模式4输入查找表的逻辑单元组成,相对传统的4输入查找表,其逻辑密度可以提高12%;采用编程点直接寻址的编程电路,为FPGA提供了灵活的部分配置功能;通过对编程点的完全体接触提高了全芯片的抗辐射能力。VS1000 FPGA基于中电集团第58所0.5μm部分耗尽SOI工艺进行辐射加固设计并流片,样片的辐照试验表明,其抗总剂量水平达到1.0×105rad(Si),瞬态剂量率水平超过1.5×1011rad(Si)/s,抗中子注量水平超过1.0×1014n/cm2。     

抗辐射128kb PDSOI静态随机存储器

介绍在部分耗尽绝缘体上硅(PD SOI)衬底上形成的抗辐射128kb静态随机存储器.在设计过程中,利用SOI器件所具有的特性,对电路进行精心的设计和层次化版图绘制,通过对关键路径和版图后全芯片的仿真,使得芯片一次流片成功.基于部分耗尽SOI材料本身所具有的抗辐射特性,通过采用存储单元完全体接触技术和H型栅晶体管技术,不仅降低了芯片的功耗,而且提高了芯片的总体抗辐射水平.经过测试,芯片的动态工作电流典型值为20mA@10MHz,抗总剂量率水平达到500krad(Si),瞬态剂量率水平超过2.45×1011 rad(Si)/s.这些设计实践必将进一步推动PD SOI CMOS工艺的研发,并为更大规模抗辐射电路的加固设计提供更多经验.     

抗辐射128kb PDSOI静态随机存储器

介绍在部分耗尽绝缘体上硅(PD SOI)衬底上形成的抗辐射128kb静态随机存储器.在设计过程中,利用SOI器件所具有的特性,对电路进行精心的设计和层次化版图绘制,通过对关键路径和版图后全芯片的仿真,使得芯片一次流片成功.基于部分耗尽SOI材料本身所具有的抗辐射特性,通过采用存储单元完全体接触技术和H型栅晶体管技术,不仅降低了芯片的功耗,而且提高了芯片的总体抗辐射水平.经过测试,芯片的动态工作电流典型值为20mA@10MHz,抗总剂量率水平达到500krad(Si),瞬态剂量率水平超过2.45×1011 rad(Si)/s.这些设计实践必将进一步推动PD SOI CMOS工艺的研发,并为更大规模抗辐射电路的加固设计提供更多经验.     

一个实用的部分耗尽SOI器件体接触仿真模型

文章描述了PD SOI器件的体接触失效过程,介绍了一种PD SOI器件一级近似体接触电阻计算方法;提出了一种实用的体接触电阻及其版图寄生参数的模型化方法.最后,应用体接触模型,设计了一个应用于0.8 μm PD SOI 128k SRAM的灵敏放大器,给出了仿真结果.     

埋氧离子注入对P型部分耗尽SOI电学与低频噪声的影响

针对抗辐照SOI PMOS器件的直流特性与低频噪声特性展开试验与理论研究,分析离子注入工艺对PMOS器件电学性能的影响,并预测其稳定性的变化。首先,对离子注入前后PMOS器件的阈值电压、迁移率和亚阈摆幅进行提取。测量结果表明:埋氧化层离子注入后,器件背栅阈值电压由-43.39 V变为-39.2 V,空穴有效迁移率由127.37 cm2/Vs降低为80.45 cm2/Vs,亚阈摆幅由1.35 V/dec增长为1.69 V/dec;结合背栅阈值电压与亚阈摆幅的变化,提取得到埋氧化层内电子陷阱与背栅界面态数量的变化。随后,分析器件沟道电流噪声功率谱密度随频率、沟道电流的变化,提取γ因子与平带电压噪声功率谱密度,由此计算得到背栅界面附近的缺陷态密度。基于电荷隧穿机制,提取离子注入前后埋氧化层内陷阱态随空间分布的变化。最后,基于迁移率随机涨落机制,提取得到离子注入前后PMOS器件的平均霍格因子由6.19×10-5增长为2.07×10-2,这表明离子注入后器件背栅界面本征电性能与应力稳定性将变差。     

一种新式SEU加固PD SOI SRAM单元

本文提出了一种新式SEU加固的10管PD SOI静态存储单元。通过将互锁反相器中的上拉和下拉管分割成两个串联的晶体管,该单元可有效抑制PD SOI晶体管中的寄生BJT和源漏穿通电荷收集效应,这两种电荷收集效应是引起PD SOISRAM翻转的主要原因。通过混合仿真发现,与穿通的浮体6T单元相比,该单元可完全解决粒子入射单个晶体管引起的单粒子翻转。通过分析该新式单元的翻转机制,认为其SEU性能近似与6T SOI SRAM的单粒子多位翻转性能相等。根据参考文献的测试数据,粗略估计该新式单元的SEU性能比普通45nm 6T SOI SRAM单元提升了17倍。由于新增加了四个晶体管,该单元在面积上增加了43.4%的开销,性能方面有所降低。     

部分耗尽SOI NMOSFET总剂量辐照的最坏偏置

通过模拟对ON、OFF、TG三种偏置下PD SOI NMOSFET的总剂量辐照效应进行了研究.模拟发现正沟道的最坏偏置是ON偏置,背沟道的最坏偏置与总剂量有关.当总剂量大时,背沟道的最坏偏置是OFF偏置;当总剂量小时则是TG偏置.而NMOSFET的最坏偏置则取决于起主要作用的是正栅还是背栅.由于辐照产生电子空穴对的过程与电场分布强相关,通过分析不同偏置下电场分布的差异确定最坏偏置的内在机制.     

FDP FPGA芯片的设计实现

研究了新型的FDP FPGA电路结构及其设计实现.新颖的基于3输入查找表的可编程单元结构,与传统的基于4输入查找表相比,可以提高约11%的逻辑利用率;独特的层次化的分段可编程互联结构以及高效的开关盒设计,使得不同的互联资源可以快速直接相连,大大提高了可编程布线资源效率.FDP芯片包括1600个可编程逻辑单元、160个可用IO、内嵌16k双开块RAM,采用SMIC 0.18μm CMOS工艺全定制方法设计并流片,其裸芯片面积为6.104mm×6.620mm.最终芯片软硬件测试结果表明:芯片各种可编程资源可以高效地配合其软件正确实现用户电路功能.     

SOI SRAM灵敏放大器中动态体放电技术研究

在SOI SRAM锁存器型灵敏放大器中,设计了一对小的下拉管,用来动态地释放交叉耦合反相器中N管上的体电荷。这种动态体放电的方法有效地解决了部分耗尽SOI CMOS器件体电位不匹配的问题,得到了可重复性低阈值电压,提高了SRAM的读取速度。     

多晶硅双栅全耗尽SOI CMOS器件与电路

对多晶硅双栅全耗尽SO I CM O S工艺进行了研究,开发出了1.2μm多晶硅双栅全耗尽SO I CM O S器件及电路工艺,获得了性能良好的器件和电路。NM O S和PM O S的阈值电压绝对值比较接近,且关态漏电流很小,NM O S和PM O S的驱动电流分别为275μA/μm和135μA/μm,NM O S和PM O S的峰值跨导分别为136.85 m S/mm和81.7 m S/mm。在工作电压为3 V时,1.2μm栅长的101级环振的单级延迟仅为66 ps。     

A radiation-hardened SOI-based FPGA

A radiation-hardened SRAM-based field programmable gate array VS 1000 is designed and fabricated with a 0.5 μm partial-depletion silicon-on-insulator logic process at the CETC 58th Institute.The new logic cell (LC),with a multi-mode based on 3-input look-up-table (LUT),increases logic density about 12％ compared to a traditional 4-input LUT.The logic block (LB),consisting of 2 LCs,can be used in two functional modes:LUT mode and distributed read access memory mode.The hierarchical routing channel block and switch block can significantly improve the flexibility and routability of the routing resource.The VS1000 uses a CQFP208 package and contains 392 reconfigurable LCs,112 reconfigurable user I/Os and IEEE 1149.1 compatible with boundaryscan logic for testing and programming.The function test results indicate that the hardware and software cooperate successfully and the VS 1000 works correctly.Moreover,the radiation test results indicate that the VS 1000 chip has total dose tolerance of 100 krad(Si),a dose rate survivability of 1.5 × 1011 rad(Si)/s and a neutron fluence immunity of 1 × 1014 n/cm2.     

A radiation-hardened SOl-based FPGA

A radiation-hardened SRAM-based field programmable gate array VS1000 is designed and fabricated with a 0.5μm partial-depletion silicon-on-insulator logic process at the CETC 58th Institute.The new logic cell （LC）,with a multi-mode based on 3-input look-up-table（LUT）,increases logic density about 12%compared to a traditional 4-input LUT.The logic block（LB）,consisting of 2 LCs,can be used in two functional modes:LUT mode and distributed read access memory mode.The hierarchical routing channel block and switch block can significantly improve the flexibility and routability of the routing resource.The VS1000 uses a CQFP208 package and contains 392 reconfigurable LCs,112 reconfigurable user I/Os and IEEE 1149.1 compatible with boundary-scan logic for testing and programming.The function test results indicate that the hardware and software cooperate successfully and the VS1000 works correctly.Moreover,the radiation test results indicate that the VS1000 chip has total dose tolerance of 100 krad（Si）,a dose rate survivability of 1.5×10¹¹rad（Si）/s and a neutron fluence immunity of 1×10¹⁴ n/cm².     

Design and implementation of a programming circuit in radiation-hardened FPGA

We present a novel programming circuit used in our radiation-hardened field programmable gate array （FPGA） chip.This circuit provides the ability to write user-defined configuration data into an FPGA and then read it back.The proposed circuit adopts the direct-access programming point scheme instead of the typical long token shift register chain.It not only saves area but also provides more flexible configuration operations.By configuring the proposed partial configuration control register,our smallest configuration section can be conveniently configured as a single data and a flexible partial configuration can be easily implemented.The hierarchical simulation scheme, optimization of the critical path and the elaborate layout plan make this circuit work well.Also,the radiation hardened by design programming point is introduced.This circuit has been implemented in a static random access memory（SRAM）-based FPGA fabricated by a 0.5μm partial-depletion silicon-on-insulator CMOS process.The function test results of the fabricated chip indicate that this programming circuit successfully realizes the desired functions in the configuration and read-back.Moreover,the radiation test results indicate that the programming circuit has total dose tolerance of 1×10⁵ rad（Si）,dose rate survivability of 1.5×10¹¹ rad（Si）/s and neutron fluence immunity of 1×10¹⁴ n/cm².     

一种抗辐射加固FPGA 编程电路的设计与实现

本文介绍了抗辐射加固SOI-SRAM基FPGA编程电路的设计与实现。该电路完成FPGA配置数据的下载与回读。该编程电路采用编程点直接寻址的方式,相对典型的移位寄存器链寻址方式不仅能够节约面积开销而且可以提供更为灵活的配置选择。通过对本电路提出的部分配置控制寄存器的配置,该编程电路可以实现的最小配置单元仅包含1位数据,FPGA更为灵活的部分重配置功能得以方便实现。层次化的仿真策略,对关键路径的优化及精密的版图布局保证了该电路的性能。此外对编程点进行了抗辐射加固设计。该电路在基于0.5μm部分耗尽SOI工艺SRAM基的FPGA中实现。功能测试结果表明, 该编程电路成功实现FPGA配置数据的下载与回读,且抗辐照实验结果表明,抗总剂量水平超过1x105Krad(Si), 抗瞬态剂量率水平超过1.5x1011 rad(Si)/s,抗中子注入量水平达到1x1014 n/cm2。     

辐射加固SOI的SRAM基FPGA中IO模块阵列的设计与实现

本文中我们提出了一个用于辐射加固的SRAM基FPGA VS100的输入输出模块阵列,该FPGA用0.5微米部分耗尽SOI工艺设计,在中电集团58所流片。与FPGA的特性一致,每一个IO单元都由布线资源和两个IOC组成,IOC包括信号通路电路,可编程输入/输出驱动器和ESD保护网络组成。IO模块能用于不同的工作模式时,边界扫描电路既可以插入在输入输出数据路径电路和驱动器之间,也可以作为透明电路。可编程IO驱动器使IO模块能够用于TTL和CMOS电平标准。布线资源使得IO模块和内部逻辑之间的连接更加灵活和方便。辐射加固设计,包括A型体接触晶体管,H型体接触晶体管和特殊的D触发器的设计提高了抗辐射性能。ESD保护网络为端口上的高脉冲提供了放电路径,防止大电流损坏内部逻辑。这些设计方法可以适用于不同大小和结构的FPGA设计。IO单元阵列的功能和性能经过了功能测试和辐射测试的考验,辐照实验结果表明,抗总剂量水平超过100Krad(Si), 抗瞬态剂量率水平超过1.510¹¹rad(Si)/s,抗中子注入量水平达到110¹⁴ n/cm²。     

混合型FPGA开关盒优化设计方法及应用

FPGA开关盒的设计主要关注于一种跨度互联线相互连接的研究。在这些开关盒中,不同跨度的互联线相互分隔和独立,在一定程度降低了互联的性能和利用率。提出了一种可以将不同跨度互联线通过可编程开关进行连接的混合型开关盒设计思想,提高10%互连结构的性能,而不会增加芯片面积以及功耗。此设计方法在复旦大学FDPFPGA芯片互联结构中得以应用。     

FPGA的静态功耗分析与降低技术

FPGA已经被广泛用于实现大规模的数字电路和系统,随着CMOS工艺发展到深亚微米,芯片的静态功耗已成为关键挑战之一。文章首先对FPGA的结构和静态功耗在FPGA中的分布进行了介绍。接下来提出了晶体管的漏电流模型,并且重点对FPGA中漏电流单元亚阈值漏电流和栅漏电流进行了详细的分析。最后根据FPGA的特点采用双阈值电压晶体管,关键路径上的晶体管采用低阈值电压栅的晶体管,非关键路径上的晶体管采用高阈值电压栅的晶体管,以此来降低芯片的静态功耗。     

A novel robust FPGA routing switch box design for ultra low power applications

Fabrication cost of application-specific integrated circuits (ASICs) is exponentially rising in deep submicron region due to rapidly rising non-recurring engineering cost. Field programmable gate arrays (FPGAs) provide an attractive alternative to ASICs but consume an order of magnitude higher power. There is a need to explore ways of reducing FPGA power consumption so that they can also be employed in ultra low power (ULP) applications instead of ASICs. Subthreshold region of operation is an ideal choice for ULP low-throughput FPGAs. The routing of an FPGA consumes most of the chip area and primarily determines the circuit delay and power consumption. There is a need to design moderate-speed ULP routing switches for subthreshold FPGA. This article proposes a novel subthreshold FPGA routing switch box (SB) that utilises the leakage voltage through transistor as biasing voltage which shows 69%, 61.2% and 30% improvement in delay, power delay product and delay variation, respectively, over conventional routing SB.     

基于可重构核的FPGA电路设计

电路系统的自适应性、紧凑性和低成本 ,促进了在嵌入式系统中软硬件的协同设计。在线可重构FPGA不仅可以满足这一要求 ,而且在可编程专用电路系统设计的验证及可靠性等方面有着良好的应用 ,文中介绍了可重构 FPGA的实现结构及评估方法 ,提出以线性矢量表征可重构 FPGA及其可重构核的研究模型 ,以及基于可重构核的模块化设计 ,认为面向分类的专用类可重构 FPGA应当是现阶段可重构 FPGA的研究主题。     

基于FPGA的多数据采集卡的研究与设计

介绍了一种基于FPGA的多通道数据采集模块的实现方案.采用多块采集卡、多个FPGA控制芯片的设计方式,从而整体提高了采集的速度与精确度;采用模拟开关级联的方式,精确控制每块采集卡24路通道切换的地址变化,使AD按照采样频率要求进行精确采集.该设计方案结构灵活、控制简单、可靠性高,并且通过实验验证其功能的正确性,完全满足工程实践的要求.