SRAM加固外圍電路設計研究論文
１新型ＤＤＩＣＥ單元設計
１．１讀寫線路分離改進
針對經典ＤＩＣＥ結構讀資料出現的問題，本文提出了分離讀寫線的結構。本結構中，ＷＬ只控制寫時序，此外增加了四個讀管Ｎ８、Ｎ９、Ｎ１０、Ｎ１１，並透過ＲＬ控制讀時序．儲存節點Ｘ１、Ｘ２分別與Ｎ９、Ｎ１０的柵極相連，因而讀資料時，不存在與外界的通路，減少了儲存節點電荷的洩放，避免了外界的干擾［８］．這樣一方面可以降低功耗，另一方面可以防止在讀資料期間儲存值受到破壞，使資料更加穩定．
１．２加延時的新型ＤＤＩＣＥ結構
寫資料時，ＷＬ拉高，相互間隔的儲存節點依然連通，容易受到離子轟擊發生翻轉．經過分析，增加一條延時位線ＢＤ，同時去掉兩個寫管Ｎ５、Ｎ７，保留兩個相間隔的寫管Ｎ４、Ｎ６，並且將Ｎ４、Ｎ６的源極分離開來，分別連至位線Ｂ和延時位線ＢＤ．如圖３所示．由於ＤＩＣＥ的特殊結構，同時改變兩個相互間隔的儲存節點的儲存值，就可以改寫ＤＩＣＥ單元的儲存值．本設計去掉了兩個寫管，只通過兩個寫管Ｎ４、Ｎ６向兩個相間隔的節點Ｘ０、Ｘ２寫入資料來完新型ＤＤＩＣＥ結構成寫任務；ＤＩＣＥ的另一個特性是：同一時刻，只改變四個儲存節點的一個節點值，不會改變整個ＤＩＣＥ單元的儲存值，這也是其抗單粒子翻轉的本質和恢復機制所在．單粒子轟擊產生的ＳＥＴ翻轉脈衝一般小於１ｎｓ，為了將外界的翻轉脈衝濾除，將位線訊號做１ｎｓ延時，輸出到延時位線ＤＢ，延時位線ＢＤ透過寫管Ｎ６連線至節點Ｘ２，位線經過寫管Ｎ４連線至節點Ｘ０．這樣在寫資料時翻轉脈衝不會同時到達節點Ｘ０和Ｘ２，進而不會使整個儲存單元的儲存值發生改變．當向ＤＩＣＥ單元中寫入０時，ＷＬ訊號為高，儲存節點Ｘ０、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３的值分別是０１０１，在寫資料期間如果遇到位線受單粒子干擾產生干擾脈衝ΔＬ，則延時１ｎｓ後ＢＤ也會出現一個ΔＬ的脈衝．Ｂ上的高脈衝到來時，ＢＤ上的脈衝還未到來，考慮最壞情況，Ｘ０節點的值改變為１，則Ｎ３管導通，進而Ｘ３節點變０；但是受Ｘ０節點控制的Ｐ１管和受Ｘ３節點控制的Ｎ２管截止，Ｘ１、Ｘ２節點的儲存值被鎖住，保持了原來的１０值；干擾脈衝過後，受Ｘ１、Ｘ２的反饋，Ｎ０、Ｐ３保持導通，將Ｘ０節點拉低，Ｘ３節點拉高，恢復為０１０１；同理ＢＤ的脈衝到來時，Ｂ上的翻轉脈衝已將恢復，Ｘ１、Ｘ２節點值發生翻轉，Ｘ０、Ｘ３值保持，透過反饋Ｘ１、Ｘ２恢復原來的值．由於脈衝寬度小於延時寬度，來自位線的干擾脈衝就不會同時到達節點Ｘ０、Ｘ２，即干擾脈衝不會使ＤＤＩＣＥ單元翻轉．
１．３譯碼電路的加固
地址譯碼電路是ＳＲＡＭ不可缺少的組成部分，其主要由一些組合邏輯構成，因此容易受到高能粒子的轟擊而產生單粒子瞬態效應ＳＥＴ．在讀寫資料時，如果地址位在譯碼電路中產生翻轉脈衝，則有可能讀出錯誤地址的資料，或將資料寫入錯誤儲存單元，從而對資料造成嚴重的破壞．本文加入了對譯碼電路的加固，即向譯碼電路的輸出端加入濾波單元濾波電路是有一個延時單元和一個ｍｕｌｌｅｒ門以及一個反相器組成．ｍｕｌｌｅｒ門的特性是隻要Ｘ１、Ｘ２不同時為高或者低電平，輸出端就保持原值不變．
２加固設計模擬
本文采用Ｃａｄｅｎｃｅ的Ｓｐｅｃｔｒｅ模擬軟體對新設計的ＤＤＩＣＥ單元及外圍電路進行了抗單粒子模擬．在半導體積體電路中，受到單粒子轟擊會產生大量的電荷，在電場的作用下形成脈衝電流，通常在模擬中採用向敏感節點注入一定寬度的'脈衝電流的方法來模擬單粒子轟擊．
２．１讀資料模擬
ＤＩＣＥ單元的儲存值為“１”，即各節點值為“１０１０”．在讀資料期間的３４ｎｓ時刻注入脈衝，使反位線的電位發生翻轉［１４］．而讀寫線路分開的ＤＤＩＣＥ單元，讀資料時反位線與儲存單元隔離，所以在３４ｎｓ時，反位線上的錯誤值並沒有引起儲存單元的翻轉．為了精確評估ＤＤＩＣＥ儲存單元的抗ＳＥＴ能力，對讀資料期間的抗ＳＥＴ翻轉脈衝效果做了模擬統計，ＳＥＴ脈衝寬度以步進０．１ｎｓ從０．１ｎｓ到１．５ｎｓ分別對ＤＩＣＥ和ＤＤＩＣＥ做了測試。
２．２寫資料模擬
設定在５ｎｓ時開始向被測儲存單元寫入資料“０”，寫週期為５ｎｓ．正常情況下寫週期結束後，ＤＩＣＥ儲存節點值應該是“０１０１”．在寫週期結束的前受到單粒子轟擊，使寫資料匯流排產生１ｎｓ的翻轉脈衝［１５］．為傳統ＤＩＣＥ受到單粒子轟擊時的模擬圖．由於位線Ｂ和反位線ＢＬ同時發生翻轉，四個ＤＩＣＥ儲存節點同時暴露在翻轉的位線與反位線面前與之導通，因而發生了翻轉。
２．３模擬統計
基於ＳＭＩＣ０．１３μｍ工藝，用Ｃａｄａｎｃｅ編輯器對新型ＤＤＩＣＥ單元進行了實現，版圖截圖如圖１０所示．在Ｓｐｅｔｒｃ中搭建模擬環境，對它們讀寫資料功耗以及面積做了對比與經典的ＤＩＣＥ單元相比，新型ＤＤＩＣＥ單元在寫資料時功耗增加了１３．８％，同時面積也增加了１２％，這是因為新結構讀寫線路分開，增加了兩個管子造成的．但是在讀資料時，新結構儲存節點與大電容的位線分離，使得讀平均功耗下降了１４．９％．雖然讀平均功耗和麵積有所增加，但讀寫時抗ＳＥＴ的能力分別提高了４５０％和３００％，有效地保證了儲存單元動態資料穩定性，達到了設計目的．
３結束語
新型ＤＤＩＣＥ儲存單元在全操作狀態下具有抗單粒子翻轉能力，它採用字線分離技術和位線延時技術，在讀寫狀態下對儲存單元進行了加固．同時對組合電路譯碼單元也進行了濾波加固處理，使ＳＲＡＭ在抗單粒子輻射方面更加全面．透過模擬結果可知，經過改進的ＤＤＩＣＥ單元具有抗小於１ｎｓ翻轉脈衝的能力，實現了全週期下的資料安全儲存與讀寫，很適合應用於設計高可靠性抗輻照的ＳＲＡＭ．