单粒子多瞬态优化的抗辐照布局算法研究

With the rapid development of China’s space technology, the radiation mechanisms and the design of radiation-hardened integrated circuits (ICs) have become the main concerns in academia and industry. Radiation-induced multiple transient (MT) effects are expected to become the major source of soft errors in nanoscale CMOS technology. In order to improve the reliability, this work intends to start with the early EDA design flow, and systematically optimize the MT effects to reduce soft error rate (SER) during placement. .It involves three essential aspects: (1) MT-aware placement framework: We implement an effective way to integrate the MT analysis and layout adjustment strategy in the whole flow of placement; (2) Layout-based MT analysis: We utilize the intermediate placement results to identify the vulnerable regions with high soft error ratio; (3) Placement stratgy for MT imitigation: We adjust the placement in time to considerably reduce the overall SER without imposing any area and performance penalty..In summary, this work provides analysis and mitigation for the effect of MTs at the layout-level. It will greatly improve the EDA design for high-performance anti-radiation chips.

抗辐照集成电路是各种航天器电子系统的核心，是支撑整个航天应用的关键。航天应用中，辐射可能诱发电路中多个物理相邻器件产生瞬态脉冲，即多瞬态效应。纳米CMOS工艺下，多瞬态效应已成为现代芯片中软错误的主要形式。为提高可靠性，本课题拟从早期EDA设计流程入手，系统性地研究多瞬态优化的布局算法，主要包括：（1）结合多瞬态分析的布局流程：从总体布局到详细布局，建立有效的多瞬态分析调度策略，以及快速的布局调整策略；（2）基于布局的多瞬态分析研究：布局是识别产生多瞬态相邻单元的唯一途径，本研究利用布局的中间结果，快速准确定位软错误率高发区域；（3）多瞬态软错误率优化的布局算法：针对软错误率高发区域及时调整布局策略，在降低多瞬态软错误率的同时，不对芯片面积、性能带来损失。.上述研究目标的实现，将有效提升我国在抗辐照芯片设计领域的科技创新能力，对研制下一代纳米级高性能抗辐照集成电路，具有重要理论和实践意义。

随着我国航天事业的飞速发展，当集成电路发展到深亚微米阶段，空间辐射环境对集成电路的辐照效应分析及加固手段日益成为学术界和工业界关注的问题。由于工艺尺寸缩减和时钟频率增加，组合电路的多瞬态软错误逐渐成为总软错误的主要来源，对软错误分析和加固带来了新的挑战。尽管传统方法，如三重模式冗余等可用于软错误加固，但通常会有很大的面积损失。相比之下，通过布局阶段进行多瞬态软错误分析和布局优化，无面积成本或工艺调整，因此研究多瞬态布局阶段的分析和优化技术，对提高芯片可靠性具有重要意义。.本课题围绕单粒子多瞬态分析和布局优化展开研究，主要包括：（1）多瞬态软错误分析评估方法，利用模型检验技术，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。（2）研究考虑脉冲窄化的软错误布局优化方法，在布局阶段中给出了一种全局方法来搜索所有可能的Quenching单元对，同时考虑单元敏感度和布局位移，并建立一种具有无损数据压缩技术的线性互补问题来求解单元重定位，使得在优化软错误的同时，对位移和HPWL的影响最小。（3）研究基于布局密度调整的多瞬态优化方法，由于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策略，实验结果表明，布局优化后电路多瞬态敏感度和版图软错误都有明显降低。.课题研究期间，发表学术论文10篇，培养博士生1人，硕士生5人。课题紧密结合高可靠性国产芯片设计工具研制任务，上述研究对单粒子软错误布局优化在实际工业设计上的应用提供了科学实验依据，为国产EDA工具自主可控奠定了坚实的理论与技术基础。