一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法与流程

1.本发明涉及一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，属于宇航用元器件抗辐射技术领域。


背景技术：

2.应用于航天器的集成电路工作在空间辐射环境中，空间高能粒子会入射器件内部并在路径上产生电离，电路节点会吸收电离产生的电子空穴，形成电流脉冲，电流脉冲在门电路级联传播，从而导致集成电路输出错误，称为单粒子软错误。为保证航天器长寿命和高可靠工作，需要对集成电路的单粒子软错误特性进行评估，工程上主要依靠地面加速器开展模拟试验以获取集成电路的软错误截面，即单位粒子注量下的软错误数。但由于国内加速器资源紧张，基于tcad、spice、vcs等集成电路仿真软件来进行单粒子软错误截面仿真成为重要的研究与补充手段。
3.提升集成电路单粒子软错误模拟仿真的准确性和客观性，是推进宇航电子器件辐射效应仿真在加固器件研制、宇航系统工程中应用所亟待解决的问题。而单粒子仿真过程中故障注入的等效性，决定了仿真结果与地面试验评估手段的等效性和准确性。
4.在地面加速器试验中，试验粒子以一定的粒子注量，同时辐照整个芯片中的所有门电路单元。考虑到芯片内部集成了不同门单元电路，其单元使用数量、单粒子敏感面积、入射粒子引起的瞬态脉冲形态等均存在差异，这导致各门单元单点对集成电路单粒子软错误的影响贡献不同。同时，单粒子试验中的粒子有可能会轰击器件的任意位置，粒子作用于器件中不同位置时输出瞬态脉冲响应不同。因此，要获取入射粒子辐照集成电路的软错误截面仿真结果，需要在仿真中对各门单元节点故障注入的样本数和瞬态脉冲注入形态的确定进行等效性选取。
5.目前的仿真方法主要通过对集成电路内部各门单元电路节点注入脉冲，通过仿真观察是否引发器件逻辑功能改变，来确定单粒子敏感节点和传播关键路径，由于未考虑集成电路在地面加速器辐照状态下的故障注入模式，仿真结果与地面加速器的软错误截面结果缺乏可比性。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统方法的仿真观察技术得到的方针结果存在误差的问题，提出了一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法。
7.本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
8.一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，包括：
9.选取地面加速器试验粒子；
10.根据集成电路门单元列表，提取门电路数量；
11.统计集成电路门电路种类，获取各类门单元的例化名称、门单元面积；
12.确定待分析的集成电路中各类门电路的总数；
13.根据任一地面加速器试验粒子的种类及能量参数，选取对应的一类门单元进行粒子注入仿真，确定单粒子敏感区域面积及输出响应脉冲宽度与高度；
14.确定各类门单元的注入概率，基于各门单元面积占集成电路总面积比例随机选取被注入门单元；
15.于被注入门单元内部随机选取注入节点，进行故障注入；
16.进行仿真模拟，确定被注入门单元各门电路节点的软错误数；
17.计算集成电路在所选地面加速器试验粒子下的单粒子软错误截面，用于计算集成电路于指定卫星轨道下的软错误率。
18.所述地面加速器试验粒子种类数量根据空间辐射粒子特性选取，各种类中至少存在4种地面加速器试验粒子的let值位于1-37mev.cm2/mg之间，至少存在一种地面加速器试验粒子的let值位于65-99.8mev.cm2/mg之间；选取的第一种试验粒子、第二种试验粒子、第三种试验粒子至第n种试验粒子的let值依次变大。
19.所述集成电路门单元列表提取出的门电路数量为n，门电路种类为m，版图结构、加工工艺完全相同的门电路为同种类门电路，提取各种类门单元的例化名称、门单元面积；选取第j类门单元的例化名称，确定门单元面积为aj。
20.所述待分析的集成电路中各类门电路的总数为f，其中，f1、f2、
…
、fm为各种类门电路的数量，f1+f2+
…
+fm＝n。
21.选取第i种地面加速器试验粒子，根据种类及能量参数，选取对应的第j类门单元分别进行粒子注入仿真，获得第i种粒子入射第j类门单元的单粒子敏感区域面积s
i，j
和输出响应脉冲宽度w
i，j
和高度h
i，j
。
22.确定各门单元被注入概率，基于各门单元面积占集成电路总面积比例随机选取被注入门单元，其中：门单元内部包括晶体管、注入节点，根据门单元面积占总面积大小确定随机到任意门单元的概率，各晶体管被注入概率为pm，注入节点所对应晶体管在门单元被注入条件下，被注入门单元的对应计算参数包括：
23.有效注入至门单元粒子数、注入某例化门概率、门单元内晶体管被注入概率、器件内注入粒子有效概率。
24.计算有效注入第j类单个门单元的故障注入数，具体为：粒子注入量第j类门单元的敏感面积s
i，j
；
25.有效注入至门单元粒子数为注入粒子数、门单元面积与集成电路总面积比例的乘积；
26.注入某例化门概率为例化门单元面积与门单元面积比值；
27.门单元内晶体管被注入概率为晶体管面积与门单元面积比值；
28.器件内注入粒子有效概率为敏感区域面积与晶体管面积比值。
29.所述故障注入方法具体为：
30.确定被选取的门单元内部被注入节点，根据对应的节点查找表进行故障注入，通过查找表引入在不同输入状态下同一节点注入导致的不同脉冲响应，将故障注入后确定输入状态与输出状态的对应关系r，于注入节点、输入向量、输出负载与注入粒子能量确定的前提下生产输出脉宽对应关系，根据仿真模拟确定被注入门单元各门电路节点的软错误数。
31.所述计算集成电路在第n种粒子下的单粒子软错误截面，单粒子软错误截面为各门电路节点的软错误数总和与注量的比值。
32.选取对应的一类门单元进行粒子注入仿真的具体步骤为：
33.对门电路内部的晶体管进行器件级的建模与单粒子入射模拟，仿真得到粒子入射产生的瞬态电流；
34.将瞬态电流波形注入spice级门电路，仿真获取输出响应脉冲方波；
35.根据spice级let电流源注入确定响应脉宽，包括不同输入状态、注入节点、输出负载所对应的输出脉宽值；
36.其中，其他种类地面加速器试验粒子均根据当前流程完成注入。
37.本发明与现有技术相比的优点在于：
38.(1)本发明提供的一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，能够更加准确地仿真集成电路单粒子软错误等效故障注入，法对集成电路内不同版图设计的门单元，分别根据其单粒子敏感面积和入射粒子后电流脉冲响应特性，差异化地确定对该门单元的故障注入数和注入脉冲形状的做法，更全面的考虑了地面加速器试验粒子的故障引入机制和集成电路内各门单元单粒子敏感的差异性，能够解决集成电路单粒子软错误仿真结果与地面加速器试验评估结果的等效性问题；
39.(2)本发明基于地面加速器试验粒子注入位置分布和故障引入机制分析、芯片集成的各单元电路单粒子敏感区域占比分析、数量占比分析等因素考虑，能够更加准确的仿真地面试验粒子引发的集成电路单粒子软错误截面，为芯片级单粒子软错误仿真输入条件确定提供支持；
40.(3)本发明在故障注入时也会考虑到门单元后级输出负载的问题，使电路的电特性在故障传播中得以保持，在故障注入时首先考虑各门单元面积，并依据其面积占总设计面积的比例进行随机选择，其次在被选取的门单元内部进行注入节点随机，注入节点的随机概率与晶体管大小成比例，最后引入被选取晶体管的敏感区域，通过敏感区域比例确定注入点是否有效。经过三部分面积考量，使粒子注入更合理；
41.(4)本发明注入电流源取自器件模型仿真，电路输出响应取自模拟电路仿真，使在门级网表中门单元输出注入的输出脉宽符合实际传播特性，同时可以使用综合后延时或布局布线后延时对网表进行时序反标，让电路具备更符合物理实现后的延时。
附图说明
42.图1为发明提供的等效故障注入方法流程示意图；
43.图2为发明提供的门单元内晶体管单粒子瞬态脉冲模拟仿真示意图；
44.图3为发明提供的门电路级瞬态脉冲响应仿真示意图；
45.图4为发明提供的电路级门电路瞬态脉冲注入响应仿真示意图；
具体实施方式
46.一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，基于地面加速器试验粒子注入位置分布和故障引入机制分析、芯片集成的各单元电路单粒子敏感区域占比分析、数量占比分析等因素考虑，通过等效故障注入样本集抽样方法，为芯片级单粒子软错误仿真输
入条件确定提供支持，更加准确的仿真地面试验粒子引发的集成电路单粒子软错误截面。
47.集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法具体流程如下：
48.选取地面加速器试验粒子；
49.根据集成电路门单元列表，提取门电路数量；
50.统计集成电路门电路种类，获取各类门单元的例化名称、门单元面积；
51.确定待分析的集成电路中各类门电路的总数；
52.根据任一地面加速器试验粒子的种类及能量参数，选取对应的一类门单元进行粒子注入仿真，确定单粒子敏感区域面积及输出响应脉冲宽度与高度；
53.确定各类门单元的注入概率，基于各门单元面积占集成电路总面积比例随机选取被注入门单元；
54.于被注入门单元内部随机选取注入节点，进行故障注入；
55.进行仿真模拟，确定被注入门单元各门电路节点的软错误数；
56.计算集成电路在所选地面加速器试验粒子下的单粒子软错误截面，用于计算集成电路于指定卫星轨道下的软错误率。
57.其中，地面加速器试验粒子种类数量根据空间辐射粒子特性选取，各种类中至少存在4种地面加速器试验粒子的let值位于1-37mev.cm2/mg之间，至少存在一种地面加速器试验粒子的let值位于65-99.8mev.cm2/mg之间；选取的第一种试验粒子、第二种试验粒子、第三种试验粒子至第n种试验粒子的let值依次变大；
58.集成电路门单元列表提取出的门电路数量为n，门电路种类为m，版图结构、加工工艺完全相同的门电路为同种类门电路，提取各种类门单元的例化名称、门单元面积；选取第j类门单元的例化名称，确定门单元面积为aj；
59.选取第i种地面加速器试验粒子，根据种类及能量参数，选取对应的第j类门单元分别进行粒子注入仿真，获得第i种粒子入射第j类门单元的单粒子敏感区域面积s
i，j
和输出响应脉冲宽度w
i，j
和高度h
i，j
；
60.确定各门单元被注入概率，基于各门单元面积占集成电路总面积比例随机选取被注入门单元，其中：门单元内部包括晶体管、注入节点，根据门单元面积占总面积大小确定随机到任意门单元的概率，各晶体管被注入概率为pm，注入节点所对应晶体管在门单元被注入条件下，被注入门单元的对应计算参数包括：
61.有效注入至门单元粒子数、注入某例化门概率、门单元内晶体管被注入概率、器件内注入粒子有效概率；
62.计算有效注入第j类单个门单元的注入粒子数，具体为：注量第j类门单元的敏感面积s
i，j
；
63.有效注入至门单元粒子数为注入粒子数、门单元面积与集成电路总面积比例的乘积；
64.注入某例化门概率为例化门单元面积与门单元面积比值；
65.门单元内晶体管被注入概率为晶体管面积与门单元面积比值；
66.器件内注入粒子有效概率为敏感区域面积与晶体管面积比值；
67.故障注入方法具体为：
68.确定被选取的门单元内部被注入节点，根据对应的节点查找表进行故障注入，通
过查找表引入在不同输入状态下同一节点注入导致的不同脉冲响应，将故障注入后确定输入状态与输出状态的对应关系r，于注入节点、输入向量、输出负载与注入粒子能量确定的前提下生产输出脉宽对应关系，根据仿真模拟确定被注入门单元各门电路节点的软错误数；
69.计算集成电路在第n种粒子下的单粒子软错误截面，单粒子软错误截面为各门电路节点的软错误数总和与注量的比值；
70.选取对应的一类门单元进行粒子注入仿真的具体步骤为：
71.对门电路内部的晶体管进行器件级的建模与单粒子入射模拟，仿真得到粒子入射产生的瞬态电流；
72.将瞬态电流波形注入spice级门电路，仿真获取输出响应脉冲方波；
73.根据spice级let电流源注入确定响应脉宽，包括不同输入状态、注入节点、输出负载所对应的输出脉宽值；
74.其中，其他种类地面加速器试验粒子均根据当前流程完成注入。
75.下面结合说明书附图及优选实施例进行进一步说明：
76.在当前实施例中，如图1所示，集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，具体流程为：
77.(1)选择n种地面加速器试验粒子，分别为第一种试验粒子、第二种试验粒子、第三种试验粒子、第四种试验粒子、第五种试验粒子、
…
、第n种试验粒子；n种试验粒子中至少有四种试验粒子的let(线性能量转移量)值在1-37mev.cm2/mg之间，n种试验粒子中至少有一种试验粒子的let值在65-99.8mev.cm2/mg之间；第一种试验粒子、第二种试验粒子、第三种试验粒子、第四种试验粒子、第五种试验粒子、
…
、第n种试验粒子的let值依次变大；
78.(2)根据集成电路门单元列表，提取门电路数量n；
79.(3)统计集成电路中门电路种类m，版图结构和工艺完全相同的门电路可认为是一种门电路，提取第j类门单元的例化名称、门单元面积aj；
80.(4)统计待分析的集成电路中各类门电路的数量f，其中f1+f2+
…
+fm＝n；
81.(5)针对第i种试验粒子的种类和能量，对第j类门单元分别进行粒子注入仿真，获得第i种粒子入射第j类门单元的单粒子敏感区域面积s
i，j
和输出响应脉冲宽度w
i，j
和高度h
i，j
；其中i＝1、2、3
…
n，j＝1、2、3
…
m；
82.(6)确定各门单元被注入概率，单粒子是一种概率事件，单粒子软错误截面＝软错误数/注量基于各门单元面积占整体设计比例随机选取被注入门单元，根据门单元面积占总面积大小确定随机到该门单元的概率；
83.门单元内部各晶体管被注入概率pm：注入节点所对应晶体管在门单元被注入的前提下被高能粒子轰击的概率。
[0084][0085][0086]
[0087][0088]
有效注入第j类单个门单元的注入数＝注量第j类门单元的敏感面积s
i，j
[0089]
(7)在被选取的门单元内部根据各节点被注入概率进行内部随机，确定注入单元的内部被注入节点，并根据该节点查找表进行故障注入。将错误注入至设计中，在不影响设计原结构的前提下，可通过查找表的引入在不同输入状态下产生同一节点注入导致的不同脉冲响应，如图3所示。输入状态与输出对应关系r：在注入节点、输入向量、输出负载与注入粒子能量确定的前提下所产生的输出脉宽对应关系。通过仿真获得，每个门电路节点的软错误数。
[0090]
(8)计算集成电路在第n种粒子下的单粒子软错误截面，单粒子软错误截面＝每个门电路节点的软错误数总和/注量
[0091]
所述的步骤(5)中，第一种试验粒子的注入仿真过程：
[0092]
第一步，对门电路内部的晶体管进行器件级的建模与单粒子入射模拟，如图2所示，仿真得到粒子入射产生的瞬态电流；
[0093]
第二步，将第一步得到的瞬态电流波形注入spice级门电路，仿真获取输出响应脉冲方波；根据spice级let电流源注入确定响应脉宽，包括不同输入状态、注入节点、输出负载所对应的输出脉宽值，如图3所示；
[0094]
如图4所示，为电路级门电路瞬态脉冲注入响应仿真示意图；
[0095]
以此类推，采用相同的方法进行其他试验粒子的仿真过程。
[0096]
当前实施例中，注入电流源取自器件模型仿真，电路输出响应取自模拟电路仿真，使在门级网表中门单元输出注入的输出脉宽符合实际传播特性，同时可以使用综合后延时或布局布线后延时对网表进行时序反标，让电路具备更符合物理实现后的延时；
[0097]
同时基于查找表的故障注入在对同一节点进行注入时，会根据输入值的不同产生相应的输出脉宽，这样将考虑到信号相关性，从而避免因未考虑逻辑掩蔽问题引入的冗余注入；在故障注入时也会考虑到门单元后级输出负载的问题，使电路的电特性在故障传播中得以保持；
[0098]
在故障注入时首先考虑各门单元面积，并依据其面积占总设计面积的比例进行随机选择，其次在被选取的门单元内部进行注入节点随机，注入节点的随机概率与晶体管大小成比例，最后引入被选取晶体管的敏感区域，通过敏感区域比例确定注入点是否有效。经过三部分面积考量，使粒子注入更合理。
[0099]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0100]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，其特征在于包括：选取地面加速器试验粒子；根据集成电路门单元列表，提取门电路数量；统计集成电路门电路种类，获取各类门单元的例化名称、门单元面积；确定待分析的集成电路中各类门电路的总数；根据任一地面加速器试验粒子的种类及能量参数，选取对应的一类门单元进行粒子注入仿真，确定单粒子敏感区域面积及输出响应脉冲宽度与高度；确定各类门单元的注入概率，基于各门单元面积占集成电路总面积比例随机选取被注入门单元；于被注入门单元内部随机选取注入节点，进行故障注入；进行仿真模拟，确定被注入门单元各门电路节点的软错误数；计算集成电路在所选地面加速器试验粒子下的单粒子软错误截面，用于计算集成电路于指定卫星轨道下的软错误率。2.根据权利要求1所述的一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，其特征在于：所述地面加速器试验粒子种类数量根据空间辐射粒子特性选取，各种类中至少存在4种地面加速器试验粒子的let值位于1-37mev.cm2/mg之间，至少存在一种地面加速器试验粒子的let值位于65-99.8mev.cm2/mg之间；选取的第一种试验粒子、第二种试验粒子、第三种试验粒子至第n种试验粒子的let值依次变大。3.根据权利要求2所述的一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，其特征在于：所述集成电路门单元列表提取出的门电路数量为n，门电路种类为m，版图结构、加工工艺完全相同的门电路为同种类门电路，提取各种类门单元的例化名称、门单元面积；选取第j类门单元的例化名称，确定门单元面积为a
j
。4.根据权利要求3所述的一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，其特征在于：所述待分析的集成电路中各类门电路的总数为f，其中，f1、f2、
…
、f
m
为各种类门电路的数量，f1+f2+
…
+f
m
＝n。5.根据权利要求4所述的一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，其特征在于：选取第i种地面加速器试验粒子，根据种类及能量参数，选取对应的第j类门单元分别进行粒子注入仿真，获得第i种粒子入射第j类门单元的单粒子敏感区域面积s
i，j
和输出响应脉冲宽度w
i，j
和高度h
i，j
。6.根据权利要求5所述的一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，其特征在于：确定各门单元被注入概率，基于各门单元面积占集成电路总面积比例随机选取被注入门单元，其中：门单元内部包括晶体管、注入节点，根据门单元面积占总面积大小确定随机到任意门单元的概率，各晶体管被注入概率为pm，注入节点所对应晶体管在门单元被注入条件下，被注入门单元的对应计算参数包括：
有效注入至门单元粒子数、注入某例化门概率、门单元内晶体管被注入概率、器件内注入粒子有效概率。7.根据权利要求6所述的一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，其特征在于：计算有效注入第j类单个门单元的故障注入数，具体为：粒子注入量φ
×
第j类门单元的敏感面积s
i，j
；有效注入至门单元粒子数为注入粒子数、门单元面积与集成电路总面积比例的乘积；注入某例化门概率为例化门单元面积与门单元面积比值；门单元内晶体管被注入概率为晶体管面积与门单元面积比值；器件内注入粒子有效概率为敏感区域面积与晶体管面积比值。8.根据权利要求7所述的一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，其特征在于：所述故障注入方法具体为：确定被选取的门单元内部被注入节点，根据对应的节点查找表进行故障注入，通过查找表引入在不同输入状态下同一节点注入导致的不同脉冲响应，将故障注入后确定输入状态与输出状态的对应关系r，于注入节点、输入向量、输出负载与注入粒子能量确定的前提下生产输出脉宽对应关系，根据仿真模拟确定被注入门单元各门电路节点的软错误数。9.根据权利要求8所述的一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，其特征在于：所述计算集成电路在第n种粒子下的单粒子软错误截面，单粒子软错误截面为各门电路节点的软错误数总和与注量φ的比值。10.根据权利要求9所述的一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，其特征在于：选取对应的一类门单元进行粒子注入仿真的具体步骤为：对门电路内部的晶体管进行器件级的建模与单粒子入射模拟，仿真得到粒子入射产生的瞬态电流；将瞬态电流波形注入spice级门电路，仿真获取输出响应脉冲方波；根据spice级let电流源注入确定响应脉宽，包括不同输入状态、注入节点、输出负载所对应的输出脉宽值；其中，其他种类地面加速器试验粒子均根据当前流程完成注入。

技术总结
一种集成电路单粒子软错误仿真等效故障注入方法，基于地面加速器试验粒子注入位置分布和故障引入机制分析、芯片集成的各单元电路单粒子敏感区域占比分析、数量占比分析等因素考虑，通过等效故障注入样本集抽样方法，为芯片级单粒子软错误仿真输入条件确定提供支持，更加准确的仿真地面试验粒子引发的集成电路单粒子软错误截面。单粒子软错误截面。单粒子软错误截面。


技术研发人员：孙毅 梅博 魏志超 曹爽 李鹏伟 莫日根 张洪伟 王亮 刘春学
受保护的技术使用者：中国空间技术研究院
技术研发日：2022.12.27
技术公布日：2023/7/11