Τεχνικές Αντιμετώπισης Μεταβατικών Και Μόνιμων Σφαλμάτων Σε Στοιχεία Μνήμης Στις Σύγχρονες Νανομετρικές Τεχνολογίες

Abstract

Η συνεχιζόμενη αύξηση της κλίμακας ολοκλήρωσης στις σύγχρονες νανοτεχνολογίες έχει οδηγήσει σε σημαντική βελτίωση της απόδοσης των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Όμως, τα χαρακτηριστικά των σύγχρονων τεχνολογιών (π.χ. μειωμένες διαστάσεις, χαμηλές τάσεις τροφοδοσίας, χαμηλές παρασιτικές χωρητικότητες) εκτός από τα προφανή πλεονεκτήματα που προσφέρουν (π.χ. ταχύτερη λειτουργία, μικρότερη κατανάλωση ισχύος, μικρότερη επιβάρυνση σε επιφάνεια), έχουν εγείρει σημαντικά προβλήματα αξιοπιστίας στη λειτουργία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Αυτά τα προβλήματα οφείλονται κυρίως σε αστοχίες υλικού, μηχανισμούς φυσικής φθοράς/γήρανσης, διακυμάνσεις της κατασκευαστικής διαδικασίας και φαινόμενα που προκαλούνται από εξωγενείς παράγοντες όπως η ακτινοβολία. Η κατηγορία κυκλωμάτων που επηρεάζεται περισσότερο από τα παραπάνω προβλήματα και στην οποία επικεντρωνόμαστε στη διατριβή αυτή είναι τα στοιχεία μνήμης, τα οποία καταλαμβάνουν έως και το 90% της ψηφίδας. Καθώς οι επερχόμενες τεχνολογίες κατασκευής πλησιάζουν στην περιοχή των ελάχιστων νανομέτρων τα προβλήματα αξιοπιστίας διογκώνονται και οι υπάρχουσες τεχνικές αντιμετώπισής τους καθίστανται ανεπαρκείς ειδικά για εφαρμογές καίριας σημασίας, όπως για παράδειγμα αυτές στο χώρο της αυτοκινητοβιομηχανίας, της αεροναυπηγικής, των δορυφορικών συστημάτων και των ιατρικών συσκευών.Τα σφάλματα σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τη διάρκειά τους σε μόνιμα και παροδικά, με τα παροδικά σφάλματα να διαχωρίζονται σε μεταβατικά και διαλείποντα. Στη διατριβή αυτή προτείνουμε τεχνικές που αντιμετωπίζουν τα μόνιμα και μεταβατικά σφάλματα λόγω ακτινοβολίας σε στοιχεία μνήμης, εστιάζοντας όμως στη δεύτερη κατηγορία. Τα στοιχεία μνήμης είναι ιδιαίτερα επιρρεπή σε μεταβατικά σφάλματα λόγω ακτινοβολίας εξαιτίας του βρόχου θετικής ανάδρασης που διαθέτουν, με την ευαισθησία τους να γίνεται μεγαλύτερη όσο οι σύγχρονες νανοτεχνολογίες οδεύουν σε μεγαλύτερες κλίμακες ολοκλήρωσης, καθώς εμφανίζεται όλο και πιο έντονα το φαινόμενο της διαταραχής πολλαπλών κόμβων του κυκλώματος λόγω διαμοιρασμού φορτίου. Στη διατριβή αυτή προτείνονται τεχνολογικά ανεξάρτητες τεχνικές που προστατεύουν στοιχεία μνήμης όπως μανδαλωτές και κύτταρα SRAM από μεταβατικά σφάλματα που οφείλονται σε διαταραχές ενός ή περισσότερων κόμβων του κυκλώματος, με μειωμένη επιβάρυνση σε καθυστέρηση, κατανάλωση ισχύος και επιφάνεια. Οι κύριες τεχνικές που εφαρμόζονται είναι ο πλεονασμός της πληροφορίας και ο έλεγχος του βρόχου θετικής ανάδρασης των στοιχείων μνήμης ώστε να διακόπτεται η διάδοση των διαταραχών. Επίσης γίνεται χρήση σύγχρονων τεχνολογιών με σκοπό τη μείωση των επιβαρύνσεων που εισάγουν υπάρχοντα κύτταρα μνήμης ανθεκτικά σε ακτινοβολία. Για την αντιμετώπιση των μόνιμων σφαλμάτων επιχειρείται η βελτιστοποίηση μιας τεχνικής Built-In Self-Repair, ενώ ταυτόχρονα προτείνεται μια αρχιτεκτονική SRAM που μπορεί να αντιμετωπίσει τόσο μόνιμα όσο και μεταβατικά σφάλματα.