Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 7, 2009 г.

Методика оценки интенсивности отказов функциональных узлов интегральных схем

Барышников А.В.

(ФГУП НИИ “Автоматики”)

 

1. Введение

Проблема прогнозирования надежности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) актуальна практически для всех современных технических систем. Учитывая, что РЭА включает в себя электронные компоненты, встает задача разработки методик, позволяющих оценивать интенсивности отказов (ИО) этих компонентов. Нередко технические требования по надежности, предъявляемые в технических заданиях (ТЗ) на разработку РЭА, входят в противоречие с требованиями, предъявляемыми к весам и габаритам РЭА, что не позволяет выполнить требования ТЗ за счет, например, дублирования.

Для ряда видов РЭА повышенные требования по надежности предъявляются к контролирующим устройствам, размещенным в одном кристалле с основными функциональными узлами аппаратуры. Например, к схеме сложения по модулю 2, обеспечивающей контроль работы основного и дублирующего узлов какого-либо блоков аппаратуры. Повышенные требования по надежности могут предъявлять также к областям памяти, в которых хранится информация, необходимая для выполнения алгоритма работы аппаратуры.

Предлагаемая методика позволяет оценить ИО  разных функциональных областей микросхем. В микросхемах памяти: оперативных запоминающих устройствах (ОЗУ), постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ), репрограммируемых запоминающих устройствах (РПЗУ), это интенсивности отказов накопителей, дешифраторов и схем управления. В схемах микроконтроллеров и микропроцессоров  методика позволяет определить ИО областей памяти, арифметического логического устройства, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и т.д. В программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), ИО основных функциональных узлов, из которых состоит ПЛИС: конфигурируемый логический блок, блок входа/выхода, области памяти, JTAG и т.д. Методика также позволяет определить ИО одного вывода микросхемы, одной ячейки памяти, а, в некоторых случаях, и ИО  отдельных транзисторов.

 

2. Назначение и область применения методики

Методика   предназначена   для   оценки  эксплуатационной ИО   λэ разных функциональных узлов микросхем: микропроцессоров, микроконтроллеров, микросхем памяти, программируемых логических интегральных схемах.  В частности, внутри кристальных областей ЗУ, а также ИО ячеек накопителей ЗУ микросхем  зарубежного производства, в том числе микропроцессоров, ПЛИС. К сожалению, отсутствие информации об ИО корпусов не позволяет применить методику для отечественных микросхем.

ИО, определенные по данной методике, являются исходными данными для расчета надежностных характеристик при проведении инженерных исследований аппаратуры.

Методика содержит алгоритм расчета ИО, алгоритм проверки полученных результатов расчета, примеры расчета ИО функциональных узлов микропроцессора, схем памяти, программируемых логических схем.

 

3. Допущения методики

Методика основана на следующих допущениях [1]:

-    отказы элементов независимы;

-          ИО микросхемы постоянна.

Дополнительно к этим допущениям будет показана возможность разделения ИО микросхем на ИО корпуса и интенсивность отказов кристалла.

4. Исходные данные

1.      Функциональное назначение микросхемы: микропроцессор, микроконтроллер, память, ПЛИС и т.д.

2.      Технология изготовления микросхемы: биполярная, КМОП.

3.      Значение интенсивности отказов микросхемы.

4.      Блок-схема микросхемы.

5.      Тип и объем накопителей схем памяти.

6.     Количество выводов корпуса.

5. Содержание методики

5.1. По известным значениям ИО микросхемы определяются ИО корпуса и кристалла.

5.2. По найденному значению ИО кристалла, для микросхемы памяти, исходя из ее типа и технологии  изготовления, рассчитываются ИО накопителя, схем дешифраторов, схем управления.  Расчет основан на стандартном построении электрических схем, обслуживающих накопитель.

5.3. Для микропроцессора или микроконтроллера, используя результаты расчета, полученные в предыдущем пункте, определяются ИО областей памяти. Разность между ИО кристалла и найденными значениями ИО областей памяти составит значение ИО оставшейся части микросхемы.

5.4. По известным значениям ИО кристаллов для семейства ПЛИС, их функциональному составу и количеству однотипных узлов, составляется система линейных уравнений. Каждое из уравнений системы составляется для одного типономинала из семейства ПЛИС. Правая часть каждого из уравнений системы представляет собой сумму произведений значений ИО функциональных узлов определенного типа на их количество. Левая часть каждого из уравнений системы – значение ИО кристалла конкретного типономинала ПЛИС из семейства.

Максимальное количество уравнений в системе  равно количеству ПЛИС в семействе.

Решение системы уравнений позволяет получить значения ИО функциональных узлов ПЛИС.

5.5. На основе результатов расчета, полученных в предыдущих пунктах, могут быть найдены значения ИО отдельной ячейки памяти, вывода микросхемы или транзистора конкретного узла блок-схемы, если известна схема электрическая принципиальная узла.

5.6. Проверка результатов расчета для микросхемы памяти производится сравнением значения ИО для другой микросхемы памяти, полученное  стандартным методом, со значением ИО этой микросхемы рассчитанное с использованием данных полученных в п.5.2 этого раздела. 

5.7. Проверка результатов расчета для ПЛИС производится расчетом ИО кристалла одного из типономиналов рассматриваемого семейства ПЛИС, который не входил в систему уравнений. Расчет проводится с использованием значений ИО функциональных узлов, полученных в п.5.4 этого раздела, и сравнением полученного значения ИО ПЛИС с значением ИО, рассчитанным с использованием стандартных методов.

6. Анализ модели прогнозирования интенсивности отказов микросхем с точки зрения возможности разделения интенсивности отказов микросхемы на сумму интенсивностей отказов кристалла и корпуса

ИО кристалла, корпуса и внешних   выводов   микросхемы определяются     из математической            модели прогнозирования ИО зарубежных интегральных схем для каждого типономинала ИС.

Проанализируем слагаемые математической модели  [2]   для   расчета эксплуата-

ционной ИО  λэ  цифровых и аналоговых интегральных схем зарубежного производства:

                                   λэ = (С1 πт2 π E) π Q π L,                                                                (1),

где:  C1 - составляющая ИО ИС, зависящая от степени интеграции;

πт - коэффициент,   учитывающий   перегрев кристалла относительно окружающей среды;

C2 - составляющая ИО ИС, зависящая от типа корпуса;

- πЕ -  коэффициент,   учитывающий   жесткость   условий эксплуатации  РЭА (группу эксплуатации аппаратуры);

- πQ    - коэффициент,   учитывающий   уровень   качества изготовления ЭРИ;

- πL   -коэффициент,      учитывающий     отработанность технологического процесса изготовления ЭРИ;

Это выражение справедливо для микросхем, изготовленных как по биполяр-ной, так и по МОП технологии, и включает в себя цифровые  и  аналоговые схемы,  программируемые  логические матрицы  и  ПЛИС, микросхемы памяти, микропро-цессоры.

Математическая              модель        прогнозируемой          ИО интегральных микросхем,  за первоисточник которой  взят  стандарт министерства обороны  США  [2],  представляет собой сумму двух слагаемых. Первое слагаемое характеризует отказы,  определяемые степенью интеграции кристалла и электрическим режимом работы микросхемы (коэффициенты  C1,  πт), второе слагаемое характеризует   отказы, связанные с типом корпуса, количеством выводов корпуса и условиями эксплуатации (коэффициенты C2, - πЕ ).

Такое разделение  объясняется  возможностью  выпуска  одной  и  той  же микросхемы  в  разных  типах корпусов,  существенно  различающихся своей надежностью  (стойкостью   к   вибрациям,   герметичностью, гигроскопичностью   и  т.п.).  Обозначим первое слагаемое как ИО определяемую кристаллом (λкр), а второе - корпусом  (λкорп).  

 Из (1) получим:

                        λкр = С1 π т π Q π L,         λкорп = С2 π E π Q π L                                                                       (2)                               

Тогда ИО одного вывода микросхемы равна:

λ1Выв =    λкорп /NВыв = С2 π E π Q π L  /NВыв,

где NВыв - количество выводов в корпусе интегральной схемы.

Найдем отношение ИО корпуса к эксплуатационной ИО микросхемы:

   λкорп / λэ  = С2 π E π Q π L/ (С1 π т2 π E) π Q π L = С2 π E /( С1 π т2 π E)                     (3) 

Проанализируем это выражение с точки зрения воздействия на  него типа корпуса, количества выводов, перегрева кристалла за счет мощности, рассеиваемой в кристалле, жесткости условий эксплуатации.

6.1. Влияние жесткости условий эксплуатации

Разделив числитель   и   знаменатель   выражения   (3) на коэффициент π E получим:

λкорп / λэ  = С2/(С1 π т / π E + С2)                                                         (4)

Анализ  выражения (4)   показывает, что   процентное соотношение ИО  корпуса  и   эксплуатационной ИО  микросхем  зависит от группы эксплуатации: чем жестче  условия  эксплуатации  аппаратуры  (больше   значение коэффициента  π E ),  тем  большая доля отказов приходится на отказы корпуса (знаменатель в уравнении 4 уменьшается) и отношение λкорп / λэ  стремиться к 1.

6.2. Влияние типа корпуса и количества выводов корпуса

Разделив числитель   и   знаменатель   выражения   (3) на коэффициент С2 получим:

λкорп / λэ  = π E /(С1 π т2 + π E)                                                          (5)

Анализ  выражения (5)   показывает, что   процентное соотношение ИО  корпуса  и   эксплуатационной ИО микросхем зависит от соотношения коэффици­ентов С1 и С2, т.е. от соотношения степени интеграции микросхемы и параметров корпуса: чем больше количество элементов в микросхе­ме (больше коэффициент С1), тем меньшая доля отказов приходится на отказы корпуса (отношение λкорп / λэ стремиться к нулю) и чем больше количество выводов в корпусе, тем больший вес приобретают отказы корпуса (отношение λкорп / λэ стремиться к 1).

 

6.3. Влияние мощности, рассеиваемой в кристалле

Из выражения (3) видно,  что с увеличением π т (коэффициент, отражающий перегрев кристалла за счет мощности, рассеиваемой в кристалле), значение знаменателя уравнения увеличивается, и, следовательно, доля отказов приходящаяся на корпус уменьшается и отказы кристалла приобретают больший относительный вес.

Вывод:

Анализ изменения значения отношения λкорп / λэ (уравнение 3) в зависимости от типа корпуса, количества выводов, перегрева кристалла за счет мощности, рассеиваемой в кристалле, и жесткости условий эксплуатации показал, что первое слагаемое в уравнении (1) характеризует эксплуатационную ИО кристалла, второе – эксплуатационную ИО корпуса и уравнения (2)  могут быть использованы для оценки эксплуатационной ИО непосредственно полупроводникового кристалла, корпуса и ИО выводов корпуса. Значение эксплуатационной ИО кристалла может быть использована как исходный материал для оценки ИО функциональных узлов микросхем.

7. Расчет интенсивности отказов ячейки памяти запоминающих устройств, входящих в состав микросхем памяти, микропроцессоров и микроконтроллеров.

Для определения ИО, приходящейся на бит информации полупроводниковых ЗУ, рассмотрим их состав. В состав полупроводникового ЗУ любого типа входят [4],  [5]:

1)      Накопитель

2)      Схема обрамления:

o   адресная часть (строчные и столбцовые дешифраторы)

o   числовая часть (усилители записи и считывания)

o   блок местного управления - осуществляет координацию работы всех узлов в режимах хранения, записи, регенерации (динамические ЗУ) и стирания информации (РПЗУ).

7.1. Оценка количества транзисторов в различных областях ЗУ.

Рассмотрим каждую составляющую ИО ЗУ. Общее значение ИО ЗУ для микросхем разного типа с разным объемом накопителя можно определить, используя [3]. ИО корпуса и кристалла рассчитываются в соответствии с разделом 5 настоящей работы.

К сожалению, в технических материалах на зарубежные микросхемы памяти отсутствует общее количество элементов, входящих в микросхему, а приводится только информационная емкость накопителя. Учитывая тот факт, что каждый тип ЗУ содержит стандартные блоки, оценим количество элементов, входящих в микросхему памяти, исходя из объема накопителя. Для этого рассмотрим схемотехнику построения каждого блока ЗУ.

7.1.1. Накопитель ОЗУ

В [4] приведены электрические принципиальные схемы запоминающих ячеек ОЗУ, выполненных по ТТЛШ, ЭСЛ, МОП и КМОП технологиям. В таблице 1 приведено количество транзисторов, из которых строиться одна ячейка памяти  (1 бит информации ОЗУ).

                      Таблица 1. Количество транзисторов в одной ячейке памяти ЗУ

Тип ОЗУ

 

                            Технология изготовления

 

  ТТЛШ

ЭСЛ

МОП

КМОП

Статические

Количество элементов

8

6

6

4, 5, 6

Динамические

-

-

1

1

7.1.2. Накопители ПЗУ и ППЗУ

В биполярных ПЗУ и ППЗУ запоминающий элемент накопителя реализуется на основе диодных и транзисторных структур [6]. Они выполняются в виде эмиттерных повторителей на n-p-n и p-n-p транзисторах, переходах коллектор-база, эмиттер-база, диодах Шоттки. В качестве запоминающего элемента в схемах, изготавливаемых по МОП и КМОП технологиям, используются p и n-канальные транзисторы. Запоминающий элемент состоит из 1 транзистора или диода. Общее количество транзисторов в накопителе ПЗУ или ППЗУ равно информационной емкости ЗУ БИС.

7.1.3. Накопитель РПЗУ

Информация, записанная в РПЗУ, хранится от нескольких до десятков лет. Поэтому РПЗУ часто называют энергонезависимой памятью. В основе механизма запо-

минания и хранения информации лежат процессы накопления заряда при записи, сохранении его при считывании и при выключении электропитания в специальных МОП транзисторах. Запоминающие элементы РПЗУ строятся, как правило,  на двух транзисторах.

Таким образом, количество транзисторов в накопителе РПЗУ равно информационной емкости РПЗУ умноженной на 2.

 

7.1.4. Адресная часть

Адресная часть ЗУ строится на основе дешифраторов (декодеров). Они позволяют определить N-разрядное входное двоичное число путем получения единичного значения двоичной переменной на одном из выходов устройства. Для построения интегральных схем принято использовать линейные дешифраторы или комбинацию линейных и прямоугольных дешифраторов. Линейный дешифратор имеет N входов и 2N логических схем “И”. Найдем количество транзисторов необходимых для построения таких дешифраторов в КМОП базисе (как наиболее часто используемым   для создания БИС). В таблице 2 приведено количество транзисторов необходимых для построения дешифраторов на разное количество входов.

Таблица 2. Количество транзисторов, необходимых для построения дешифраторов

Кол-во

Входов

       N

Адресные инверторы

Схемы “И”

Суммарное количество транзисторов в де-шифраторе

2*N*2N+2*N

Кол-во

Инверторов

          N

Кол-во

Транзисторов

    2*N

Кол-во

cхем

   2N

Кол-во транзисторов

    2*N*2N

1

2

3

4

5

6

2

        2

           4

     4

       4*4=16 

    16+4=20

1

2

3

4

5

6

      3

         3

          6

      8

      6*8=48

   48+6=54

      4

         4

           8

     16

     8*16=128

   128+8=136

5

         5

           10

     32

  10*32 = 320

  320+10 = 330

       6 

         6

12

64

64*12 = 768

768+12 = 780

       7

         7

14

128

128*14=1792

1792+14=1806

       8

8

16

256

256*16=4096

4096+16=4112

9

9

18

512

512*18=9216

9216+18=9234

10

10

20

1024

1024*20=20480

20480+20=20500

Для линейных дешифраторов разрядность дешифруемого числа не превышает 8-10. Поэтому при увеличении количества слов в ЗУ более 1К используют модульный принцип построения ЗУ.

7.1.5. Числовая часть

(усилители записи и считывания)

Эти схемы предназначены для преобразования уровней считываемых сигналов в уровни выходных сигналов логических элементов конкретного типа и увеличения нагрузочной способности. Как правило, они выполняются по схеме с открытым коллектором (биполярные) или с тремя состояниями (КМОП). Каждая из выходных схем может состоять из нескольких  (двух или трех) инверторов. Максимальное количество транзисторов в этих схемах при максимальной разрядности микропроцессора 32 составляет не более 200.

7.1.6. Блок местного управления

В блок местного управления, в зависимости от типа ЗУ, могут входить строчные и столбцовые буферные регистры, адресные мультиплексоры, блоки управления регенерацией в динамических ЗУ, схемы стирания информации.

7.1.7. Оценка количества транзисторов в различных областях ЗУ

Количественное соотношение транзисторов ОЗУ, входящих в накопитель, дешифратор и блок местного управления приблизительно равно: 100:10:1 [7] , что составляет 89%, 10% и 1% соответственно. Количество транзисторов в ячейке накопителя ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ приведено в таблице 1. Пользуясь данными этой таблицы, процентными соотношениями элементов, входящих в различные области ОЗУ, а также предполагая, что количество элементов в дешифраторе и блоке местного управления для одного и того же объема накопителя разных типов ЗУ остается приблизительно постоянным, можно оценить соотношение транзисторов входящих в накопитель, дешифратор и блок местного управления разных типов ЗУ. В таблице 3 приведены результаты такой оценки.

Таблица 3  Количественное соотношение транзисторов в разных функциональных областях ЗУ

Тип ЗУ

Количественное соотношение элементов различных областей ЗУ

Накопитель

Дешифратор

Блок местного управления

ОЗУ

100

10

1

ПЗУ, ППЗУ

17

10

1

РПЗУ

32

10

1

Таким образом, зная объем накопителя и ИО кристалла ЗУ, можно найти ИО накопителя, адресной части, числовой части, блока местного управления, а также ИО ячейки памяти и транзисторов, входящих в состав схем обрамления. 

8. Расчет интенсивности отказов функциональных узлов микропроцессоров и микроконтроллеров

В разделе приведен алгоритм расчета ИО функциональных узлов микросхем микропроцессоров и микроконтроллеров. Методика применима для микропроцессоров и микроконтроллеров с разрядностью не более 32 бит.

 

8.1. Исходные данные для расчета интенсивности отказов

Ниже приведены исходные данные, необходимые для расчета ИО микропроцессоров, микроконтроллеров и частей их электрических схем. Под частью электрической схемы будем понимать как функционально законченные узлы микропроцессора (микроконтроллера), а именно, разные виды памятей (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ, АЦП, ЦАП и т.д.), так и отдельные вентили или даже транзисторы. 

Исходные данные

- разрядность  микропроцессора или микроконтроллера;

- технология изготовления микросхемы;

- вид и организация внутри кристальных ЗУ;

- информационная ёмкость ЗУ;

- потребляемая мощность;

- тепловое сопротивление кристалл – корпус или кристалл – окружающая среда;

- тип корпуса микросхемы;

- количество выводов корпуса;

- группа эксплуатации аппаратуры;

- повышенная рабочая температура окружающей среды.

- уровень качества изготовления.

8.2. Алгоритм расчета интенсивности отказов микропроцессора (микроконтроллера) и    функциональных  узлов микропроцессора (микроконтроллера)

1.                       Определить эксплуатационную ИО микропроцессора или микроконтроллера (λэ мп), используя исходные данные с помощью одной из программ автоматизированного расчета: “АСРН”, “Асоника-К” или с помощью стандарта “Military HandBook 217F”.

Примечание: далее все расчеты и комментарии будут приводиться с точки зрения применения АСРН, т.к. методологии использования и содержание программ, “Асоника-К” и стандарта “Military HandBook 217F”  имеют много общего.

2. Определить значение ИО ЗУ, входящих в состав микропроцессора (λЭ ОЗУ,  λЭ ПЗУ,  ППЗУ, λЭ РПЗУ), предполагая, что каждое ЗУ представляет собой отдельную микросхему в своем корпусе.

λЭ ОЗУ = λОЗУ + λкорп,

λЭ ПЗУ, ППЗУ = λ ПЗУ, ППЗУ + λкорп,,

λЭ РПЗУ = λ РПЗУ +  λкорп,

где λЭ – эксплутационные значения ИО разных типов ЗУ,  λкорп,– ИО корпусов для каждого типа ЗУ: λОЗУ, λПЗУ,ППЗУ, λРПЗУ – ИО ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ без учета корпуса, соответственно.

Поиск исходных данных для расчета эксплуатационных значений ИО разных типов  ЗУ производится по технической информации (Data Sheet) и каталогам интегральных схем.  В указанной литературе необходимо найти ЗУ,  тип которых (ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ),  объем накопителя, организация и технология изготовления совпадают или близки к ЗУ входящих в состав микропроцессора (микроконтроллера). Найденные технические характеристики микросхем памяти используются в  АСРН для расчета эксплуатационной ИО микросхем ЗУ. Мощность, потребляемая ЗУ, выбирается исходя из электрического режима работы микропроцессора (микроконтроллера).

3. Определить значения ИО внутри кристальных областей  микропроцессора  (микроконтроллера),ЗУ и АЛУ без учета корпуса:  λкр мп,  λОЗУ, λПЗУ,ППЗУ, λРПЗУ, . λАЛУ 

ИО внутри кристальных областей микропроцессора, ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ определяются из соотношения:  λкр = С1 π т π Q π L.   

ИО АЛУ и части кристалла без схем памяти определяется из выражения:

. λАЛУ  =  λкр мп  - λОЗУ - λПЗУ,ППЗУ  -   λРПЗУ

Значения ИО других функционально законченных частей микропроцессора (микроконтроллера) находятся аналогичным образом.

4. Определить ИО накопителей внутри кристальных ЗУ: λН ОЗУ, λН ПЗУ,ППЗУ, λН РПЗУ.

На основании данных таблицы 3 можно выразить процентное соотношение количества транзисторов в разных функциональных областях ЗУ, предполагая, что общее количество транзисторов в ЗУ равно 100%. В таблице 4 приведено это процентное соотношение транзисторов, входящих в внутри кристальные ЗУ разных типов. 

На основании процентного соотношения количества транзисторов, входящих в разные функциональные области ЗУ и найденного значения ИО внутри кристальной части ЗУ, определяются ИО функциональных узлов.

Таблица 4. Процентное соотношение транзисторов

Тип ЗУ

Количественное соотношение транзисторов функциональных областей ЗУ (%)

Накопитель

Дешифратор

Блок местного управления

ОЗУ

89

10

1

ПЗУ, ППЗУ

60,7

35,7

3,6

РПЗУ

75

22,7

2,3

 

Тогда:

λН ОЗУ = 0,89*λ ОЗУ ;

λН ПЗУ,ППЗУ = 0,607*λ ПЗУ,ППЗУ;

λН РПЗУ = 0,75* λ РПЗУ,

где: λН ОЗУ,  λН ПЗУ,ППЗУ,  λН РПЗУ – ИО накопителей ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ соответствен-но.

8.3. Расчет интенсивности отказов функциональных узлов ЗУ: дешифраторов, адресной части, схем управления.

Используя данные о соотношении количества транзисторов в каждой части ЗУ (таблица 4), можно найти интенсивности отказов дешифраторов, адресной части и схем управления ЗУ. Зная количество транзисторов в каждой части ЗУ можно найти интенсивность отказов группы или отдельных транзисторов ЗУ.

9. Расчет интенсивности отказов функционально законченных узлов  микросхем памяти

В разделе приведен алгоритм расчета ИО функционально законченных узлов микросхем запоминающих устройств. Методика применима для микросхем памяти приведенных в АСРН.

 

9.1. Исходные данные для расчета интенсивности отказов

Ниже приведены исходные данные, необходимые для расчета ИО функционально законченных узлов микросхем памяти.   Под функционально законченными узлами микросхем памяти будем понимать накопитель, адресную часть, схему управления. Методика позволяет рассчитывать также ИО частей функциональных узлов, отдельных вентилей, транзисторов. 

Исходные данные

-                     тип памяти: ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ;

-                      информационная ёмкость ЗУ;

-                      организация ОЗУ;

-                     технология изготовления;

-                     потребляемая мощность;

-         тип корпуса микросхемы;

-                      количество выводов корпуса;

-                     тепловое сопротивление кристалл – корпус или кристалл – окружающая среда;

-        группа эксплуатации аппаратуры;

-                     повышенная рабочая температура окружающей среды;

-                     уровень качества изготовления.

9.2. Алгоритм расчета интенсивности отказов схем памяти    и функционально законченных узлов схем памяти

1, Определить эксплуатационную ИО микросхемы памяти (λэ п), используя исходные данные с помощью одной из программ автоматизированного расчета: “АСРН”, “Асоника-К” или с помощью стандарта “Military HandBook 217F”.

2. Определить значения ИО кристалла ЗУ  без корпуса  λкр зу.

λкр зу= С1 π т π Q π L.

3. Расчет ИО накопителя внутри кристальных ЗУ и ИО функциональных узлов проводить в соответствии с разделом 8.2.

10.                  Расчет интенсивности отказов функционально законченных узлов  программируемых логических интегральных схем и базовых матричных кристаллов

Каждое семейство ПЛИС состоит из набора типономиналов микросхем одинаковой архитектуры. Архитектура кристалла построена на основе использования одинаковых функциональных узлов нескольких типов. Микросхемы разных типономиналов внутри семейства отличаются друг от друга типом корпуса и  количеством функциональных узлов каждого типа: конфигурируемый логический блок, блок входа/выхода, память, JTAG и тому подобное.

Следует отметить , что кроме конфигурируемых логических блоков и блоков входа/выхода каждая ПЛИС содержит матрицу ключей, формирующих связи между элементами ПЛИС. Учитывая тот факт, что названные области распределены равномерно по кристаллу, кроме блоков вход/выход, которые размещены по периферии, можно считать, что матрица ключей является частью конфигурируемых логических блоков и блоков входа/выхода.   

 Для расчета значений интенсивностей отказов функциональных узлов необходимо составить систему линейных уравнений. Система уравнений составляется для каждого семейства ПЛИС.

Каждое из уравнений системы представляет собой равенство, в левой части которого записывается значение ИО кристалла  для конкретного типономинала микросхемы из выбранного семейства. Правая часть представляет собой сумму произведений  количества функциональных узлов n категории i на ИО этих узлов λni .

 

 

 

Ниже приведен общий вид такой системы уравнений.

                                   λэa  = a1λ1 + a2λ2 + …+anλn

                                   λэb  = b1λ1 + b2λ2 + …+bnλn

                                  ……………………………

                                  λэk  = k1λ1 + k2λ2 + …+knλn  

где

λэa, λэb, … λэk –– эксплуатационные ИО микросхем  семейства ПЛИС (микросхем а, в, …к , соответственно),

a1, a2, …, an   –– количество функциональных узлов  1, 2, … n категории в микросхеме а, соответственно,

b1, b2, …, bn  –– количество функциональных узлов  категории 1, 2, … n, в микросхеме в, соответственно,

k1, k2, …, kn  –– количество функциональных узлов  категории 1, 2, … n, в микросхеме к, соответственно,

λ1, λ2, …, λn –– ИО функциональных узлов  категории 1, 2, … n,  соответственно.

Значения эксплуатационных ИО микросхем λэa, λэb, … λэk рассчитываются по АСРН, количество и тип функциональных узлов приведены в технической документации на ПЛИС (Data Sheet или в отечественной периодике).

Значения ИО функциональных узлов семейства ПЛИС λ1, λ2, …, λn находятся из решения системы уравнений.

11. Проверка результатов расчета

Проверка результатов расчета для микросхемы памяти производится путем расчета ИО кристалла другой микросхемы памяти с помощью полученного значения ИО ячейки памяти и сравнением полученного значения ИО кристалла с значением ИО, рассчитанным с использованием стандартных методов (АСРН, Асоника, и т.д.).

Проверка результатов расчета для ПЛИС производится расчетом ИО кристалла ПЛИС другого типономинала из этого же семейства с помощью найденных значений ИО функциональных узлов ПЛИС и сравнением полученного значения ИО ПЛИС со значением ИО, рассчитанным с использованием стандартных методов (АСРН, Асоника, и т.д.).

12.                  Пример расчета интенсивностей отказов функциональных узлов ПЛИС и проверка результатов расчета

12.1. Расчет ИО функциональных узлов  и выводов корпусов ПЛИС

Расчет ИО проведен на примере  ПЛИС семейства Spartan, разработанного фирмой Xilinx [9].

Семейство  Spartan  состоит из  5 типономиналов ПЛИС, в состав которых входят матрица конфигурируемых логических блоков, блоки входа/выхода, логика  граничного сканирования (JTAG).

ПЛИС, входящие в семейство Spartan, отличаются количеством логических вентилей, количеством конфигурируемых логических блоков, количеством блоков входа/выхода, типами корпусов и количеством выводов корпусов.

Ниже приведен расчет  ИО конфигурируемых логических блоков, блоков входа/выхода, JTAG для ПЛИС  ХСS05XL, ХСS10XL, ХСS20XL.

Для проверки полученных результатов рассчитывается эксплуатационная ИО ПЛИС  ХСS30XL.. Эксплуатационная ИО ПЛИС ХСS30XL  рассчитывается с использованием значений ИО функциональных узлов ПЛИС  ХСS05XL, ХСS10XL, ХСS20XL. Полученное значение ИО ПЛИС ХСS30XL сравнивается со значением ИО, рассчитанным  с применением АСРН. Также для проверки полученных результатов сравниваются значения ИО одного вывода для разных корпусов ПЛИС.

12.1.1. Расчет интенсивностей отказов функциональных узлов ПЛИС ХСS05XL, ХСS10XL, ХСS20XL

В соответствии с выше изложенным алгоритмом расчета для расчета ИО функциональных узлов ПЛИС необходимо:

- составить перечень и значения исходных данных для ПЛИС ХСS05XL, ХСS10XL, ХСS20XL, ХСS30XL;

-         рассчитать эксплуатационные ИО ПЛИС ХСS05XL, ХСS10XL, ХСS20XL, ХСS30XL (расчет проводится по [3]  с использованием исходных данных);

-         рассчитать ИО корпуса и кристалла для каждой ПЛИС;

-         составить систему линейных уравнений для кристаллов ПЛИС  ХСS05XL, ХСS10XL, ХСS20XL;

-         найти решение системы линейных уравнений (неизвестными в системе уравнений являются ИО функциональных узлов: конфигурируемых логических блоков, блоков входа выхода, логики граничного сканирования);

-         рассчитать ИО кристалла ХСS30XL  (расчет проводится с использованием значений ИО функциональных узлов, полученных в предыдущем пункте);

-         сравнить значения ИО кристалла ПЛИС ХСS30XL, полученное в предыдущем пункте, с значением ИО кристалла, полученным с помощью АСРН;

-         рассчитать ИО одного вывода корпуса для разных ПЛИС;

-         сравнить значения ИО вывода для разных корпусов;

-          сформулировать вывод о справедливости проведенных расчетов;

-         при получении удовлетворительного совпадения интенсивностей отказов (от 10%  до 20%) прекратить расчеты;

-         при большом расхождении результатов расчета провести коррекцию исходных данных.

В соответствии с [3]  исходными данными для расчета эксплуатационной ИО ПЛИС являются: технология изготовления, количество вентилей, потребляемая мощность, температура перегрева кристалла относительно окружающей среды, тип корпуса, количество выводов корпуса, тепловое сопротивление кристалл-корпус, уровень качества изготовления, группа эксплуатации аппаратуры, в которой применяется ПЛИС.

Все исходные данные, кроме потребляемой мощности, температуры перегрева кристалла и группы эксплуатации аппаратуры, приведены в  [9]. Потребляемая мощность может быть найдена либо в технической литературе, либо расчетом, либо измерением на плате. Температура перегрева кристалла относительно окружающей среды находится как произведение потребляемой мощности и  теплового сопротивления кристалл-корпус. Группа эксплуатации аппаратуры приведена в технических условиях на аппаратуру .

Исходные данные для расчета эксплуатационной интенсивности отказов ПЛИС ХСS05XL, ХСS10XL, ХСS20XL,   ХСS30XL приведены в таблице 5.

 

Таблица 5. Исходные данные

Исходные

данные

Типономинал ПЛИС

ХСS05XL

ХСS10XL

ХСS20XL

ХСS30XL

Технология

изготовления

КМОП

Максимальное количество логи

ческих вентилей

5000

 

10000

 

 

20000

 

30000

 

Количество кон-фигурируемых

логич. блоков,  Nклб

 

100

 

196

 

400

 

576

Количество ис-пользуемых входов/выходов, Nвх/вых

 

77

 

112

 

160

 

192

Тип корпуса

VQFP

TQFP

PQFP

PQFP

Количество выводов корпуса

 

100

 

144

 

208

 

240

Тепловое сопро-тивление крис-талл – корпус, 0С/Вт

 

9

 

5,3

 

4,3

 

2,8

Уровень качест-ва изготовления

Коммерческий

 

Группа эксплуа-тации аппарату-ры

 

1.1

Для определения температуры перегрева кристалла относительно температуры окружающей среды необходимо найти потребляемую мощность для каждой микросхемы.

В большинстве КМОП интегральных схемах почти вся рассеиваемая мощность является динамической и определяется зарядом и разрядом внутренних и внешних нагрузочных емкостей. Каждый вывод в микросхеме рассеивает мощность в соответствии с своей емкостью, которая постоянна для каждого типа вывода, а частота, при которой переключается каждый вывод, может отличаться от тактовой  частоты работы микросхемы. Общая динамическая мощность представляет собой сумму мощностей рассеиваемых на каждом выводе.  Таким образом для расчета мощности нужно знать количество элементов, используемых в ПЛИС. В  [9] для семейства Spartan приведены значения тока потребления блоков вход/выход (12мА)  при нагрузке 50 пФ, напряжении питания 3,3 и максимальной частоте работы ПЛИС 80МГц. Предполагая, что потребляемая мощность ПЛИС определяется количеством переключающихся блоков вход/выход  (как наиболее мощных потребителей энергии), и в связи с  отсутствием экспериментальных данных по мощности потребления, оценим мощность потребляемую каждой ПЛИС, учитывая, что одновременно переключается 50% блоков вход/выход при некоторой фиксированной частоте (при расчете частота была выбрана в 5 раз ниже максимальной). 

В таблице 6 приведены значения  мощности, потребляемой   ПЛИС и температуры перегрева кристаллов относительно корпуса микросхемы.

Таблица 6. Мощность, потребляемая ПЛИС

 

ХСS05XL

ХСS10XL

ХСS20XL

ХСS30XL

Потребляемая

мощность, Вт

0,5

0,73

1,04

1,25

 

Температура перегрева кристалла, 0С

 

4,5

 

3,9

 

4,5

 

3,5

 

Рассчитаем значения коэффициентов в уравнении (1):

λэ = (С1 π т2 π E) π Q π L

Коэффициенты π т ,   С2, π E, π Q, π L  рассчитываются по АСРН. Коэффициенты С1 находим с использованием аппроксимации значений коэффициента С1, приведенных в АСРН для ПЛИС разной степени интеграции.

Значения коэффициента С1 для ПЛИС [3] приведены в таблице 7.

Таблица 7. Значения коэффициента С1

Количество вентилей в ПЛИС

Значения коэффициента С1

До 500

0,00085

От 501 до1000

0,0017

От 2001 до 5000

0,0034

От 5001 до 20000

0,0068

Тогда для максимального количества вентилей ПЛИС ХСS05XL, ХСS10XL, ХСS20XL,   ХСS30XL  получим значения коэффициента С1, 0,0034, 0,0048, 0,0068, 0,0078 соответственно.

Значения коэффициентов πт ,   С2, π E, π Q, π L, значения ИО кристаллов и корпусов, а также эксплуатационные значения ИО микросхем ХСS05XL, ХСS10XL, ХСS20XL,   ХСS30XL  приведены в таблице 8.

Таблица 8. Эксплуатационные значения ИО ПЛИС

 

Обозначение и наименование коэффициентов

Значения коэффициентов

 

ХСS05XL

 

 

ХСS10XL

 

 

ХСS20XL

 

ХСS30XL

π т

0,231

0,225

0,231

0,222

С2

0,04

0,06

0,089

0,104

π E

0,5

π Q

10

π L

1,0

Интенсивность отказов кри-сталла, λкр = С1 π т π Q π L *106 1/час

 

0,0007854

 

0,0011

 

0,00157

 

0,0018

Интенсивность отказов коруса, λкорп = С2 π E π Q π L *106 1/час

 

0,2

 

0,3

 

0,445

 

0,52

Эксплуатационная интенсивность отказов ПЛИС λэ *106 1/час

 

0,2007854

 

0,3011

 

0,44657

 

0,5218

 

Найдем значения ИО конфигурируемых логических блоков λклб, блоков вход/выход λвх/вых   и логики граничного сканирования λ JTAG  для ПЛИС ХСS05XL, ХСS10XL, ХСS20XL . Для этого составим систему линейных уравнений:

λкр ХСS05XL = λклб *Nклб ХСS05XL +  λвх/вых *Nвх/вых ХСS05XL + λ JTAG  

λкр ХСS10XL = λклб *Nклб ХСS10XL + λвх/вых *Nвх/вы ХСS10XL+ λ JTAG  

λкр ХСS20XL = λклб *Nклб ХСS20XL + λвх/вых *Nвх/вы ХСS20XL+ λ JTAG  ,

где: λкр ХСS05XL, Nклб ХСS05XL, Nвх/вых ХСS05XL  - ИО кристалла, количество конфигурируемых логических блоков, количество блоков вход/выход для ПЛИС ХСS05XL, соответственно;

λкр ХСS10XL, Nклб ХСS10XL, Nвх/вы ХСS10XL -   ИО кристалла, количество конфигурируемых логических блоков, количество блоков вход/выход для ПЛИС ХСS10XL, соответственно;

λкр ХСS20XL , Nклб ХСS20XL, Nвх/вы ХСS20XL - ИО кристалла, количество конфигурируемых логических блоков, количество блоков вход/выход для ПЛИС ХСS20XL, соответственно.

Подставив в систему уравнений значения ИО кристаллов, количество конфигурируемых логических блоков и блоков вход/выход, получим:

 

0,0007854*10-6 = 100*λклб + 77вх/вых + λ JTAG  

0,0011*10-6 = 196*λклб + 112*λвх/вых  + λ JTAG  

0,00157*10-6 = 400*λклб + 160*λвх/вых  + λ JTAG  

Система трех линейных уравнений с тремя неизвестными имеет единственное решение:

λклб =  5,16*10-13 1/час;      λвх/вых = 7,58*10-12 1/час;       λ JTAG  = 1,498*10-10 1/час.

 

12.1.2. Проверка результатов расчета

Для проверки полученного решения рассчитаем ИО кристалла ПЛИС ХСS30XL λкр ХСS30XL, используя найденные значения  λклб,   λвх/вых,   λ JTAG.

По аналогии с уравнениями системы  λкр ХСS30XL1 равна:   

λкр ХСS30XL1 = λклб *Nклб ХСS30XL + λвх/вых *Nвх/вы ХСS30XL+ λ JTAG  =

= 576*5,16*10-13  + 192*7,58*10-12  +  1,498*10-10 = 0,0019*10-6 1/час.

Значение ИО кристалла, полученное с использованием АСРН равно (таблица 9):  0,0018*10-6. Процентное соотношение этих значений составляет: (λкр ХСS30XL1 - λкр ХСS30XL)*100%/ λкр ХСS30XL1  ≈  5%.

ИО одного вывода, полученные делением ИО на количество выводов в корпусах для ПЛИС ХСS05XL, ХСS10XL, ХСS20XL, ХСS20XL, равны 0,002*10-6, 0,00208*10-6, 0,0021*10-6, 0,0021*10-6, соответственно , т.е. отличаются не более чем на  5%.

Отличие в  значениях ИО составляющее около  5% определяется, вероятно, принятыми при расчете приблизительными величинами мощностей рассеивания, и, как следствие, неточными значениями коэффициентов  π т, а также наличием неучтенных элементов ПЛИС,  информация о которых в документации отсутствует.

В приложении приведена блок – схема расчета и проверки интенсивностей отказов функциональных областей ПЛИС.

 

13. Выводы

1.      Предложена методика оценки ИО функциональных узлов интегральных схем.

2.      Она позволяет рассчитывать:

а) для схем памяти - ИО накопителей запоминающих устройств, ячеек памяти, дешифраторов, схем управления;

б)   для микропроцессоров и микроконтроллеров – ИО запоминающих устройств, регистров, АЦП, ЦАП и построенных на их основе функциональных блоков;

в)   для программируемых логических интегральных схем – ИО, входящих в них блоков разного функционального назначения - конфигурируемых логических блоков, блоков входа/выхода, ячеек памяти,  JTAG и построенных на их основе функциональных блоков. 

3.      Предложена методика проверки рассчитанных значений ИО функциональных узлов.

4.    Применение методики проверки, рассчитаныых значений ИО функциональных узлов интегральных схем, показало адекватность предложенного подхода для оценки ИО.

 

Приложение

 

Блок-схема расчета интенсивности отказов функциональных узлов ПЛИС

 

Использование результатов расчета для оценки характеристик работы аппаратуры

 

 

 

Литература

[1]  Porter D.C, Finke W.A. Reability characterization an prediction of IC. PADS-TR-70, p.232.

        [2] Military Handbook 217F. “Reability prediction of electronic equipment”. Department of Defence, Washington, DC 20301.

[3]  “Автоматизированная система расчета надежности”,  разработана 22ЦНИИИ МО РФ при участии РНИИ “Электронстандарт” и АО “Стандартэлектро”, 2006г.

[4] “Полупроводниковые запоминающие устройства и их применение”, В.П.Андреев, В.В.Баранов, Н.В.Бекин и др.; Под редакцией Гордонова. М. Радио и связь. 1981.-344стр.

[5] Перспективы развития вычислительной техники: В. 11 кн.: Справ. пособие/Под редакцией Ю.М.Смирнова. Кн. 7: “Полупроводниковые запоминающие устройства”, А.Б.Акинфиев, В.И.Миронцев, Г.Д.Софийский, В.В.Цыркин. – М.: Высш. шк. 1989. – 160 с.: ил.

[6] “Схемотехника БИС постоянных запоминающих устройств”, О.А.Петросян, И.Я.Козырь, Л.А.Коледов, Ю.И.Щетинин. – М.; Радио и связь, 1987, 304 с.

[7] “Надежность оперативных запоминающих устройств”, ЭВМ, Ленинград, Энергоиздат, 1987г, 168 с.

[8] ТИИЭР, т.75, вып.9, 1987г.

[9] Xilinx. The Programmable Logic. Date Book, 2008г. http:www.xilinx.com.

[10] “Сектор электронных компонентов”, Россия-2002г-М.: Издательский дом “Додэка-XXI”, 2002г.

[11] DS00049R-page 61 2001 Microchip Technology Inc.

[12] TMS320VC5416 Fixed-Point Digital Signal Processor, Data Manual, Literature Number SPRS095K.

[13] CD-ROM фирмы Integrated Device Technology.

[14] CD-ROM фирмы Holtec Semiconductor.

Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 7, 2009 г.