Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Գերմեծ ինտեգրալ սխեմաների պարամետրերի բարձր ճշտությամբ չափման ավտոմատացված համակարգի մշակումը և հետազոտումը

Ավետիսյան, Զավեն Մակարի (2019) Գերմեծ ինտեգրալ սխեմաների պարամետրերի բարձր ճշտությամբ չափման ավտոմատացված համակարգի մշակումը և հետազոտումը. PhD thesis, Հայաստանի ազգային պոլիտեխնիկական համալսարան.

[img]
Preview
PDF (Thesis)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (27Mb) | Preview
    [img]
    Preview
    PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (1934Kb) | Preview

      Abstract

      Գերմեծ ինտեգրալ սխեմաների (ԳՄԻՍ) նախագծման և շահագործման կարևորագույն հիմնահարցերից է դրանցում կատարվող ճշգրիտ չափումների իրականացումը՝ սխեմայի աշխատունակությունը գնահատելու և աշխատանքի ընթացքում կարգավորումներ կատարելու համար։ ԳՄԻՍ-ների բարձր արագագործությունը և ցածր էներգասպառումը զբաղեցրած փոքր մակերեսի պայմաններում ապահովելու համար պարբերաբար մասշտաբավորվում են կիսահաղորդչային տեխնոլոգիաները։ Մասշտաբավորման արդյունքում փոքրանում են սխեմաների բնութագրիչ պարամետրերի արժեքները, և եթե չափման համակարգերի սխալանքի բացարձակ արժեքը մնում է անփոփոխ, դրա ազդեցությունը մեծանում է և դառնում անընդունելի։ Ավելանում են սխեմաների վրա ազդող պարազիտային երևույթների ազդեցությունները, և դրանց մանրակրկիտ դիտարկումը չափումներ կատարելիս դառնում է առաջնային խնդիր։ ԳՄԻՍ-ների կիրառության ոլորտների կարևորությունը հաշվի առնելով, չափումներ կատարելիս անհրաժեշտ է դիտարկել սարքի հուսալիության վրա ազդող երևույթները։ Տրանզիստորների հոսքուղու փոքրացումը ստիպում է նախագծման փուլում բարձր ճշտությամբ չափել սարքի պարամետրերի փոփոխությունը ծերացման երևույթների ազդեցության ներքո։ Իսկ բարձր ֆունկցիոնալության ապահովման համար կիրառվող բազմասինքրոազդանշանային հանգույցները ստիպում են հաշվի առնել սարքում առաջացող մետակայունության երևույթների ազդեցությունները։ Ատենախոսությունը նվիրված է ԳՄԻՍ-ների պարամետրերի չափման առկա եղանակների հետազոտմանը և սխեմաների հուսալիության վրա ազդող երևույթների մանրակրկիտ դիտարկման միջոցով ճշգրիտ չափումների ավտոմատացված համակարգի մշակմանը։ Հիմնավորվել է ԳՄԻՍ-ների պարամետրերի բարձր ճշտությամբ չափման ավտոմատացված համակարգի մշակման անհրաժեշտությունը և առաջարկվել են ժամանակակից պահանջներին բավարարող սկզբունքներ հիմնված՝ - բջիջների ծերացման հենակային ջերմաստիճանային անկայունության և տաք լիցքակրի ներարկման երևույթների միաժամանակյա ազդեցության պարագայում մուտքային ազդանշանների միջև եղած փուլային շեղվածությունների դիտարկման վրա, ստանդարտ բջիջների գրադարանների տրիգերների մետակայուն վիճակներով պայմանավորված անխափան աշխատանքի միջին ժամանակահատվածը (ԱԱՄԺ) բնութագրող առաջարկված գործակցի չափումների վրա։ Մշակվել է ԳՄԻՍ-ների պարամետրերի բարձր ճշտությամբ չափման ընդհանրացված մեթոդ՝ առաջարկված եղանակների հիման վրա, որի օգտագործումը նախագծողին թույլ կտա բարձրացնել ԳՄԻՍ-ի հուսալիությունը, և ստեղծվել է դրա իրականացման ալգորիթմը։ Մշակվել են ԳՄԻՍ-ների պարամետրերի բարձր ճշտությամբ չափման ավտոմատացված միջոցներ, նախատեսված՝ բջիջների մուտքերի միջև եղած փուլային շեղվածությունների վեց և երեք տարբեր դիրքերում չափումներ կատարելու միջոցով ծերացման առավելագույն և նվազագույն ազդեցություններին համապատասխանող դիրքերի հայտնաբերման և այդ դիրքերում նշված ազդեցությունները պարունակող գրադարանների բնութագրման համար: Одной из важнейших задач проектирования и эксплуатации сверхбольших интегральных схем (СБИС) является проведение в них точных измерений. Целью этих измерений является проверка параметров СБИС, а также оценка работоспособности схемы. Измерения параметров СБИС проводятся на всех жизненных этапах устройств–при проектировании для улучшения параметров СБИС и приведения проекта в соответствие с технической задачей; при производстве для проверки работы разработанной СБИС перед серийным производством; при эксплуатации с целью регулирования работы схемы. Учитывая требования к современным полупроводниковым кристаллам, технологии постоянно подвергаются масштабированию, за счет чего уменьшаются абсолютные значения параметров СБИС. Это делает возможным обеспечение низкого энергопотребления и высокого быстродействия при занимаемой малой площади. Однако уменьшение значений параметров приводит тому, что погрешности с малым абсолютным значением систем измерения параметров СБИС могут иметь большое влияние на результаты измерения и привести к уменьшению их точности. Измерения, не имеющие достаточную точность, вызывают ряд других проблем, вплоть до производства неработоспособной СБИС. С целью уменьшения погрешности измерений, в настоящее время проводятся значительные работы со стороны технологических заводов и организаций, проектирующих системы измерения параметров СБИС. Для увеличения точности измерений постоянно повышается точность алгоритмов средств моделирования и разрабатываемых моделей, а также принимаются во внимание такие явления, которые влияют на работу и характеризуют параметры транзисторов. Учитывая важность сфер применения СБИС, особое внимание уделяется измерению характеризующих надежность устройств параметров. Отсюда возникает необходимость рассмотрения явлений, влияющих на надежность. Некорректная оценка влияний подобных явлений может стать причиной увеличения количества сбоев, возникающих в разработанной СБИС. В настоящее время большое внимание уделяется возможным изменениям параметров при старении транзисторов, обусловленной масштабированием технологий, так как влияние старения на транзисторы с малым каналом велико. С течением времени ухудшается работа транзисторов, что приводит к сокращению жизненного цикла СБИС. Следовательно, для обеспечения надежности устройства необходимо повысить точность измерения с учетом точной оценки последствий старения. Поскольку для обеспечения большой функциональности в СБИС начинают использоваться многосинхросигнальные узлы, другим важнейшим явлением, влияющим на надежность, становятся метастабильные состояния, возникающие в синхронизаторах. Следовательно, на этапе проектирования необходимо проводить точные измерения параметров, характеризующих метастабильные состояния. Кроме измерений, проводимых на этапе проектирования, в СБИС необходимо интегрировать такие схемы, которые при измерении в разработанной схеме позволят выявить существующие сбои и, тем самым, исключить их распространение сбоев или устранить причины их возникновения. При проведении измерений вручную с использованием программных устройств не всегда удается обеспечить высокую точность (поскольку достоверные анализы, проводимые во время измерений, могут занять довольно большое время у проектировщика). Кроме того, также должна быть возможность внедрения разработанных измерительных систем в процедуру проектирования СБИС. Учитывая приведенные факты, можно прийти к выводу, что разработка автоматизированной системы для измерения с высокой точностью параметров СБИС является актуальной задачей. Диссертационная работа посвящена исследованию существующих вариантов и методов измерения параметров СБИС, а также разработке автоматизированной системы точных измерений посредством рассмотрения явлений, влияющих на надежность схем. One of the most important points of design and exploitation of integrated circuits (IC) with very large scale integration (VLSI) is the implementation of accurate measurements. The measurements are necessary to make verifications in VLSI circuits, which will help to estimate the performance of the circuits. Modern requirements of VLSI circuits usage make vital for technological factories to scale semiconductor technologies, which makes possible to provide high performance and low power consumption for the same circuit area. As a result of semiconductor technology scaling the values of circuits’ parameters decrease. If the absolute value of the measuring system’s error remains unchanged, its impact on the measurement inaccuracy increases and becomes unacceptable. As a result of technology scaling the impacts of the several parasitic effects on the ICs are being increased, and detailed monitoring of those impacts during measurement process becomes a high priority issue. Taking into account the importance of VLSI circuits usage spheres, during measurement process it is necessary to observe such parameters and effects that characterize reliability of the circuit and have large impact on it. The decrease of the transistors’ channel length makes it necessary to measure the degradation of the circuit parameters, caused by the aging effects, with high accuracy in the design process. Multi clock domains, which are used to provide greater functionality, make it necessary to consider impacts of metastability phenomena occurring in the circuit. The dissertation is devoted to the investigation of existing methods and approaches of measuring VLSI parameters and development of an automated system for accurate measurements by precise monitoring of phenomena, which influence reliability of the schemes. The necessity of an automated system development of VLSI parameters measurement with high accuracy is substantiated, and principles that meet modern requirements are proposed, based on: the observation of phase shifts between input signals of cells in the case of simultaneous influence of bias temperature instability and hot-carrier injection aging mechanisms; the measurements of the proposed coefficient describing mean time between failures (MTBF) of standard cell libraries’ flip-flops, which characterizes the probability of metastable states. A generalized method of high-accuracy measurement of VLSI parameters is developed based on the proposed approaches, and its implementation algorithm is created, the usage of which allows the designer to increase the reliability of the developed ICs. Automated techniques for measurements of VLSI parameters with high accuracy are developed, intended to be used for: revealing states corresponding to maximum and minimum impacts of input signals’ phase shifts during aging, by implementing measurements on six and three different positions of shifts, and for characterization of libraries containing mentioned impacts of aging phenomenon in the revealed positions; measurements of the average impact of cells’ input signals’ phase shift during aging and for characterization of libraries taking into account those impacts, by averaging the measurements results; estimation of failures probability caused by metastable states via measurements of the proposed coefficient, which characterizes MTBF of sequential cells of standard cell library, and for reliable synchronizer design based on the flip-flop having higher value of the coefficient. The new circuit is developed for detection of metastable states in the designed synchronizer. An automated system and the AMR software tool are developed to measure VLSI parameters with high accuracy, based on generalized method and its implementation algorithm, which allows the designer to implement high-accuracy measurements in standard cell libraries on interactive mode. The developed software tool is verified and is shown that for XOR cell in ff/1250C/1.1V PVT corner, compared to approaches that ignore the cells’ input signals’ phase shifts, in the case of maximum impact of phase shifts, AMR software tool increases the accuracy of measurements by 97% with 41% loss in time. In the case of minimum impact of phase shifts, the accuracy of measurement increases by 54% with 6% loss in time. In the case of average impact of phase shifts, the accuracy of measurement increases by 57% with 8 times loss in time. Over accurate measurements implemented by equal-steps, maximum errors of measurements implemented by the developed algorithms in AMR software tool are 0.8%, 0.8% and 3.6% for measuring maximum, minimum and average results, while measurements are made 27, 36 and 4.7 times faster. The developed software tool is verified by characterizing libraries that take into account the impact of metastability phenomenon and it is shown that it economizes the duration of measurements 7 times on account of 1.9% error and designs a synchronizer, which detects metastable states and has a 65% increase in circuit’s occupied area.

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Разработка и исследование автоматизированной системы для измерения с высокой точностью параметров сверхбольших интегральных схем. Development and investigation of an automated system for mesaurenment of parameters with high accuracy for circuits with very large scale integration.
      Uncontrolled Keywords: Аветисян Завен Макарович, Avetisyan Zaven Makar
      Subjects: Control, Automation and Electrical Engineering
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 15 Aug 2019 13:23
      Last Modified: 15 Aug 2019 13:23
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/10608

      Actions (login required)

      View Item