面向纳米CMOS组合电路软错误优化的布局方法

With the decreasing of the capacitance of the node, the shortening of the pitch, and the increasing of the clock frequency, the combination circuits become the main source of the soft errors at the nanometer scale. Placement is a important step in anti-radiation circuit designing, and it is also the key technology of anti-radiation EDA tools. This project intends to study the placement model, algorithm and evaluation analysis technique of soft error in combination circuit at nanometer scale. It has important theoretical significance and application value. In this paper, we 1) study the placement model considering the charge sharing effect and pulse quenching effect, 2) propose a placement algorithm for soft error reduction in nano CMOS combinational circuits, 3) propose an analysis and evaluation method for soft error rate, 4) achieve a prototype tool for soft error rate reduction in nano CMOS combinational circuits. The goal is to improve the anti-radiation performance of the chip without the excessive area and timing overhead. The proposed theory and technology will significantly improve the efficiency of the anti - radiation integrated circuit under the nanometer process, and it will be an important foundation technology in anti-radiation VLSI design.

随着工艺尺寸的缩减以及时钟频率的增加，组合电路中的软错误已逐渐成为总的软错误率的主要来源。布局是优化组合电路软错误的关键环节，也是实现抗辐照集成电路设计自动化的核心技术。本项目拟深入研究纳米尺度下组合电路软错误的布局模型、布局算法与评估分析技术，具有重要的理论意义与应用价值。本项目将研究建立考虑电荷共享效应和脉冲展宽效应的布局模型，提出面向纳米CMOS组合电路软错误率优化的布局算法，提出组合电路软错误率分析与评估方法，实现面向纳米CMOS组合电路软错误率优化的布局工具原型，在不带来过多面积和时序开销的情况下实现芯片抗辐照性能的提升。提出的理论、技术将显著提升纳米工艺下抗辐照集成电路的设计效率，优化软错误率，为纳米尺度下大规模抗辐照集成电路的物理设计奠定坚实基础。

抗辐射集成电路是航天领域关键技术之一，电荷共享效应、电路重汇聚现象、多瞬态现象等对软错误的分析和加固带来了新的挑战。软错误分析和加固手段也从器件级上升到电路级、系统级。本项目使用布局技术和模型检验技术，针对纳米工艺下组合电路抗辐照敏感度分析、评估方法和加固方法展开了深入研究。主要取得了如下几个方面的研究成果。.(1) 提出一种增强电路脉冲窄化的布局方法.通过分析版图布局与脉冲窄化效应之间的关系，提出通过布局算法来增加电路中脉冲窄化单元对数目和增强脉冲窄化效应的方法，包括紧凑算法，插入算法和交换算法。本项目提出的方法具有灵活的扩展性并易于应用于实际工程当中，自动化程度高，在优化软错误率的同时兼顾了传统的布局指标。实验结果表明，采用所提出的方法可以减少组合电路14%-26% 的软错误率。.(2) 提出一种基于SAT 的组合电路重汇聚现象分析及加固方法.重汇聚现象会影响电路软错误率的分析和电路加固。本项目提出了增量式的搜索算法，以及优化窗口和基于深度排序的两个优化策略。通过屏蔽已找到的解，本方法也可以找到所有能够产生重汇聚现象的输入向量，并根据找到解的数量定义电路中的重汇聚敏感节点并进行针对性加固。实验结果表明，与随机加固相比，对敏感点加固可以使平均软错误率降低20%。.(3) 提出一种组合电路多瞬态的分析及布局加固方法.在先进工艺下，单粒子多瞬态已成为软错误的主要形式。多瞬态分析的难点在于多瞬态的产生与版图布局密切相关，另一个难点在于分析多个瞬态脉冲传播比较困难。本项目提出一种组合电路多瞬态分析方法，结合版图布局信息，对单粒子影响范围内的单元建立敏化模型，然后使用SAT 求解器求解，进而得到单元多瞬态敏感度、区域多瞬态敏感度和电路多瞬态敏感度。实验发现，版图布局对多瞬态敏感度影响较大，为了优化电路多瞬态敏感度，提出了膨胀算法和收缩算法两种详细布局算法，实验结果表明，布局优化后电路多瞬态敏感度下降了10%-21%，版图软错误降低了7%-21%。