[发明专利]一种抗单粒子瞬态时钟树结构

说明书

一种抗单粒子瞬态时钟树结构，包括根节点时钟驱动单元、子节点时钟驱动单元以及叶节点时钟驱动单元，根节点时钟驱动单元和子节点时钟驱动单元均为时钟反相器或者缓冲器，而叶节点时钟驱动单元为双路滤波器，双路滤波器可以消除发生于输入信号上的脉冲宽度小于滤波器内部设定的延迟时间的单粒子瞬态脉冲，且同一输入信号输出两路互不干扰的输出信号。每个双路滤波器驱动一定数量的双时钟抗单粒子时序单元。本发明显著提高时钟树网络抗单粒子瞬态的能力，有效降低时钟树网络受到辐射粒子轰击时，任意时钟节点以及多个时钟树节点上产生单粒子瞬态脉冲的概率，且相对于时序单元单粒子瞬态加固方式实现的集成电路，具有功耗低、速度快、面积小的特点。

技术领域

本发明涉及时钟加固领域，尤其涉及一种抗单粒子瞬态时钟树结构，属于抗辐照设计技术领域。

背景技术

高能质子或高能中子撞击原子核产生的辐射以及宇宙射线中的重核粒子都能引起电路状态的改变，如组合逻辑中的瞬变、存储类单元的位翻转等，这种效应是单个粒子作用的结果，通常称为单粒子效应。对于先进纳米工艺节点，抗单粒子加固技术研究更为关注的是所凸显的单粒子翻转(SEU)、单粒子瞬态(SET)单粒子软错误事件，特别是SET事件，伴随着器件间距的缩小，最直接的影响就是由单个粒子轰击会造成多个敏感节点产生瞬态脉冲，与此同时，由于电路翻转的临界电荷Qcrit的降低，SET能无衰减传播的临界电荷Q′crit也在降低，SET可以发生在电路的任意节点，经过一系列组合电路传播到时序电路的输入端而造成存储逻辑的错误翻转。在纳米级集成电路的辐照试验数据中可明显观测到SET的错误率甚至超过SEU的错误率，成为主要的软错误来源。

时钟作为集成电路的全局性信号，由于该信号对电路时序影响大、节点分布广、频率高等特点，通常以时钟树形式进行时钟分布网络的特殊设计，时钟树的结构有平衡树、H树、X树等，无论是哪种结构，其目的都是通过灵活多变的设计方法使得设计者可以对齐时钟边沿，或者使时钟前移或后移，从而增大数据的有效窗口。众多结构中时钟缓冲器(BUFFER)和反相器(INV)为时钟树的必要组成单元，由时钟树根节点时钟单元驱动一定数量的时钟缓冲器/反相器最终实现级连式的时钟树设计，时钟树遍布在整个集成电路的版图中，当重离子、质子、中子空间粒子轰击到时钟树的某个反相器/缓冲器的敏感节点时，收集的电荷会引发时钟跳变到错误的状态，引入一个错误的时钟SET脉冲，该SET瞬态脉冲在时钟树传播开到叶节点驱动的大量时序单元的时钟信号端口，会采样错误数据，从而造成大量时序单元发生由SET引起的单粒子翻转(SEU)事件。对于非加固的纳米级电路设计，时钟树网络上的SET诱发的软错误甚至高达90％。

消除抑制时钟树网络上的SET脉冲的主要方法有冗余技术和滤波技术。时间冗余利用瞬态脉冲发生之前和之后的信号电平作为信号正常状态的两个来源，通过恰当的延迟和采样，利用多数表决判断出最终正确的输出，时间冗余要有三路或更多的锁存单元冗余，且带来额外的速度开销。通常的SET加固方式会选用滤波技术，相对于冗余技术，采用滤波技术滤除单粒子脉冲的方法引入的开销相对较少，具体实现方式为在时序单元内部的敏感端口，通过增加滤波电路，将输入信号上将一定宽度(Δt)以下的瞬态脉冲过滤掉，但是值得注意的是现有技术中，在时序单元中所应用的滤波器电路本身容易受到SET损伤，采用滤波器会引入额外的敏感体，当粒子轰击到滤波器输出节点所产生的SET脉冲传播至内部存储电路，引发存储数据的错误翻转，此种方法在单粒子瞬态加固方面虽然避免了由全局性信号(例如时钟信号)单粒子瞬态所引发的多单元单粒子翻转事件，但是由于所引入的额外敏感体，也增加了单个时序单元出现单粒子翻转的概率。此外，时序单元时钟信号SET加固方式使得每时序单元的面积会增加一个滤波器的面积，加固所带来的功耗开销会随着频率的提高而剧增，这些开销对于追求性能(低功耗、高速)的先进工艺节点集成电路是不可忍受的。

发明内容

本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种抗单粒子瞬态时钟树结构，能够以较小的电路开销实现抑制时钟信号上单粒子瞬态脉冲产生和传播的目的。