Научные основы синтеза виртуальной реальности для проектируемой электронной компонентной базы специального назначения при воздействии тяжелых ядерных частиц
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Системы автоматического проектирования
Издательство:
Воронежский государственный лесотехнический университет
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 256
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7994-0729-2
Артикул: 656922.01.99
В монографии рассматриваются научные основы синтеза виртуальной реальности для проектируемой электронной компонентной базы специального назначения в виде создания моделей транзисторов, моделирования воздействий различной природы на уровне кристаллических решѐток материалов основных компонентов транзисторов в виде процессов при воздействиях тяжѐлых ядерных частиц.
Монография рекомендуется для бакалавров по направлению подготовки 09.03.02 - Информационные системы и технологии, магистров по направлению подготовки 09.04.02 - Информационные системы и технологии, аспирантов и инженерных работников, занимающихся в соответствии с направлением 09.04.02 по специальностям 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования и 05.13.18 - Математические модели, численные методы и комплексы программ.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
В.В. Лавлинский В.К. Зольников К.И. Таперо НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ ДЛЯ ПРОЕКТИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТЯЖЁЛЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Г.Ф. МОРОЗОВА» В.В. Лавлинский В.К. Зольников К.И. Таперо НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ ДЛЯ ПРОЕКТИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТЯЖЁЛЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ Монография Воронеж 2016
УДК 621.38 Л13 Печатается по решению научно-технического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (протокол № 6 от 2 ноября 2015 г.) Рецензенты: кафедра туризма и естественно-математических наук Филиала ФГБОУ ВПО «РГСУ» в г. Воронеже; д-р техн. наук, проф. кафедры радиоэлектронных устройств и систем ФГБОУ ВПО «ВГТУ» Ю.Г. Пастернак Лавлинский, В. В. Л13 Научные основы синтеза виртуальной реальности для проектируемой электронной компонентной базы специального назначения при воздействии тяжѐлых ядерных частиц [Текст] : монография / В. В. Лавлинский, В. К. Зольников, К. И. Таперо ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 256 с. ISBN 978-5-7994-0729-2 (в пер.) В монографии рассматриваются научные основы синтеза виртуальной реальности для проектируемой электронной компонентной базы специального назначения в виде создания моделей транзисторов, моделирования воздействий различной природы на уровне кристаллических решѐток материалов основных компонентов транзисторов в виде процессов при воздействиях тяжѐлых ядерных частиц. Монография рекомендуется для бакалавров по направлению подготовки 09.03.02 – Информационные системы и технологии, магистров по направлению подготовки 09.04.02 – Информационные системы и технологии, аспирантов и инженерных работников, занимающихся в соответствии с направлением 09.04.02 по специальностям 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования и 05.13.18 – Математические модели, численные методы и комплексы программ. УДК 621.38 © Лавлинский В. В., Зольников В. К., Таперо К. И., 2016 ISBN 978-5-7994-0729-2 © ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2016
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….............7 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ В СОВРЕМЕННЫХ САПР ...……………...................................22 1.1. Анализ задач оценки радиационной стойкости электронной компонентной базы специального назначения на современном этапе развития технологий.………………………...................................……………….22 1.2. Основные проблемы методологии процессов проектирования ЭКБ специального назначения для оценки радиационной стойкости с использованием методов синтеза виртуальной реальности ..............................26 1.3. Основные проблемы формирования воздействий тяжѐлых ядерных частиц с использованием методов синтеза виртуальной реальности…………..30 1.4. Основные проблемы синтеза виртуальной реальности при формировании отдельных элементов электронной компонентной базы специального назначения для разработки САПР с учетом возможности прогноза оценки их радиационной стойкости ....…...............................................36 1.5. Основные проблемы синтеза виртуальной реальности при формировании совокупности элементов электронной компонентной базы специального назначения для разработки САПР с учетом возможности прогноза оценки их радиационной стойкости .......................................................44 1.6. Выводы…………………………………………..................…………………..45 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ, АЛГОРИТМОВ И МЕТОДОВ СИНТЕЗА И АНАЛИЗА ЭКБ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ СИНТЕЗА ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ……………….............….………...54 2.1. Разработка моделей синтеза и анализа ЭКБ специального назначения для оценки радиационной стойкости с использованием методов синтеза виртуальной реальности……………………….........................................54
2.2. Разработка алгоритмов синтеза и анализа ЭКБ специального назначения для оценки радиационной стойкости с использованием методов синтеза виртуальной реальности……………………….........................................69 2.3. Разработка методов синтеза и анализа ЭКБ специального назначения для оценки радиационной стойкости с использованием методов синтеза виртуальной реальности………………..............................................…...77 2.4. Выводы……………………………………….................……………………...88 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ, АЛГОРИТМОВ И МЕТОДОВ ДЛЯ СИНТЕЗА И АНАЛИЗА ФОРМИРОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЙ ТЯЖЁЛЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ СИНТЕЗА ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ…………….………........................90 3.1. Разработка моделей синтеза и анализа формирования воздействий тяжѐлых ядерных частиц с использованием методов синтеза виртуальной реальности.............................................................................90 3.2. Разработка алгоритмов синтеза и анализа формирования воздействий тяжѐлых ядерных частиц с использованием методов синтеза виртуальной реальности………………………………….....................................108 3.3. Разработка методов синтеза и анализа формирования воздействий тяжѐлых ядерных частиц с использованием методов синтеза виртуальной реальности…………………………............................................….115 3.4. Выводы…………………………………………………..................…………138 4. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ, АЛГОРИТМОВ И МЕТОДОВ СИНТЕЗА ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ САПР С УЧЕТОМ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗА ОЦЕНКИ ИХ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ...........................................................................................................140 4.1. Разработка моделей синтеза виртуальной реальности при формировании отдельных элементов электронной компонентной базы специального назначения для разработки САПР с учетом возможности прогноза оценки их радиационной стойкости..................................................…140
4.2. Разработка алгоритмов синтеза виртуальной реальности при формировании отдельных элементов электронной компонентной базы специального назначения для разработки САПР с учетом возможности прогноза оценки их радиационной стойкости......................................................174 4.3. Разработка методов синтеза виртуальной реальности при формировании отдельных элементов электронной компонентной базы специального назначения для разработки САПР с учетом возможности прогноза оценки их радиационной стойкости......................................................178 4.4. Выводы………………………………..................……………………………188 5. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ, АЛГОРИТМОВ И МЕТОДОВ СИНТЕЗА ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ СОВОКУПНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ САПР С УЧЕТОМ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗА ОЦЕНКИ ИХ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ……………….189 5.1. Разработка моделей синтеза виртуальной реальности при формировании совокупности элементов электронной компонентной базы специального назначения для разработки САПР с учетом возможности прогноза оценки их радиационной стойкости......................................................189 5.2. Разработка алгоритмов синтеза виртуальной реальности при формировании совокупности элементов электронной компонентной базы специального назначения для разработки САПР с учетом возможности прогноза оценки их радиационной стойкости...............194 5.3. Разработка методов синтеза виртуальной реальности при формировании совокупности элементов электронной компонентной базы специального назначения для разработки САПР с учетом возможности прогноза оценки их радиационной стойкости......................................................196 5.4. Выводы………………….................………………………………….………205
6. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ЭКБ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНТЕЗА ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ.......................................................206 6.1. Результаты оценки радиационной стойкости ЭКБ СН с использованием синтеза виртуальной реальности ...........................................206 6.2. Обобщѐнная методология проектирования радиационно-стойкой электронной компонентной базы специального назначения с использованием научных основ формирования объектов и методов синтеза виртуальной реальности.......................................................……………219 6.3. Выводы……………………..................………………………………………221 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………..............……………………….222 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …………..............……..............………...224
ВВЕДЕНИЕ В настоящее время при проектировании изделий микроэлектроники базируются на основных положениях «Базовой технологии прогнозирования, оценки и контроля радиационной стойкости изделий микроэлектроники» [1], кроме того в приложениях 1-7 Федеральной целевой программы (ФЦП) «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008 2015 гг. [2] одним из основных направлений до 2009 года являлась разработка базовой технологии радиационно-стойких сверхбольших интегральных схем уровня 0,5 мкм [3, п. 26], 0,35 мкм [3, п. 27] на структурах «кремний на сапфире» диаметром 150 мм, что обеспечивало бы потребности в создании технологии изготовления микросхем на структурах «кремний на сапфире» диаметром 150 мм (2009 год), разработки правил проектирования базовых библиотек и блоков цифровых и аналоговых сверхбольших интегральных схем расширенной номенклатуры для организации производства радиационно стойкой элементной базы, обеспечивающей выпуск специальной аппаратуры и систем, работающих в экстремальных условиях (атомная энергетика, космос, военная техника) согласно направлению 2 (Радиационно-стойкая электронная компонентная база) приложения № 2 [3]. В этом же приложении [3, п. 28] по планам до 2009 года разрабатывались технологии проектирования и конструктивно-технологических решений библиотеки логических и аналоговых элементов, оперативных запоминающих устройств, постоянных запоминающих устройств, сложнофункциональных радиационно-стойких блоков контроллеров по технологии «кремний на изоляторе» с проектными нормами до 0,25 мкм, что позволило создать технологический базис (технологию проектирования, базовые технологии) радиационно-стойких сверхбольших интегральных схем на структурах «кремний на изоляторе» с проектной нормой до 0,25 мкм. Там же [3, п. 33] формулировались задачи по разработке технологии структур с ультратонким слоем кремния на сапфире, результатом которого в 2013 году
должно было быть создание технологии проектирования и изготовления микросхем и сложнофункциональных блоков на основе ультратонких слоев на структуре «кремний на сапфире», позволяющей разрабатывать радиационно стойкие сверхбольшие интегральные схемы с высоким уровнем радиационной стойкости. В настоящее время до 2015 года согласно Приложению № 2 ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008 2015 гг. [3, п. 31] стоят задачи по разработке технологии проектирования и конструктивно-технологических решений библиотеки логических и аналоговых элементов, оперативных запоминающих устройств, постоянных запоминающих устройств, сложнофункциональных радиационно-стойких блоков контроллеров по технологии «кремний на изоляторе» с проектными нормами до 0,18 мкм, что позволит создать технологический базис (технологию проектирования, базовые технологии), дающий возможность разрабатывать радиационно-стойкие сверхбольшие интегральные схемы на структурах «кремний на изоляторе» с проектной нормой до 0,18 мкм, а также [3, п. 32] задача разработки технологии «кремний на сапфире» изготовления ряда лицензионно-независимых радиационно-стойких комплементарных полевых полупроводниковых сверхбольших интегральных схем цифровых процессоров обработки сигналов, микроконтроллеров и схем интерфейса, что позволит разработать расширенный ряд цифровых процессоров, микроконтроллеров, оперативных запоминающих программируемых и перепрограммируемых устройств, аналогово-цифровых преобразователей в радиационно-стойком исполнении для создания специальной аппаратуры нового поколения. Ещѐ одной задачей, согласно Приложению № 2 ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 гг. [3, п. 37], является разработка библиотек стандартных элементов и сложнофункциональных блоков для создания радиационно-стойких сверхбольших интегральных схем, что позволит создать технологии проектирования и изготовления микросхем и
сложнофункциональных блоков на основе ультратонких слоев на структуре «кремний на сапфире», дающих возможность разрабатывать радиационно стойкие сверхбольшие интегральные схемы с высоким уровнем радиационной стойкости. Ещѐ одной немаловажной задачей, согласно [3, п. 40], является необходимость разработки и совершенствования базовых технологий и конструкций радиационно-стойких сверхбольших интегральных схем на структурах «кремний на сапфире» и «кремний на изоляторе» с топологическими нормами не менее 0,18 мкм, что позволит создавать технологический базис (технологию проектирования, базовые технологии), дающий возможность разрабатывать радиационно-стойкие сверхбольшие интегральные схемы на структурах «кремний на сапфире» с проектной нормой не менее 0,18 мкм с целью создания технологического базиса (технологии проектирования, базовых технологий), дающего возможность разрабатывать радиационно-стойкие сверхбольшие интегральные схемы на структурах «кремний на изоляторе» с проектной нормой не менее 0,18 мкм (2015 год). Кроме того, ещѐ одним направлением исследований, согласно направлению № 5 (Электронные материалы и структуры) Приложения № 2 [3, п. 95], является исследование и разработка перспективных гетероструктурных и наноструктурированных материалов с экстремальными характеристиками для перспективных электронных приборов и радиоэлектронной аппаратуры специального назначения, что позволит создавать базовые технологии производства гетероструктур, структур и псевдоморфных структур на подложках InP для перспективных полупроводниковых приборов и сверхвысокочастотных монолитных интегральных схем диапазона 60-90 ГГц (2012 год), создание технологии получения алмазных полупроводниковых наноструктур и наноразмерных органических покрытий (2013 год), алмазных полупроводящих пленок для конкурентоспособных высокотемпературных и радиационно-стойких устройств
и приборов двойного назначения, создание технологии изготовления гетероструктур и эпитаксиальных структур на основе нитридов (2015 год). Таким образом, на современном этапе развития технологий, связанных с микроэлектроникой, происходит резкое уменьшение проектных норм для разработки электрорадиоизделий (ЭРИ), возрастает степень интеграции элементов на кристалле, внедряются нанотехнологии и расширяются области их применения. В таких условиях, как правило, появляются новые свойства для отдельных элементов микроэлектроники, связанных с внешними и внутренними воздействиями на них. В связи с изменениями соотношений геометрических размеров отдельных элементов электронной компонентной базы и размерами частиц, воздействующих в условиях космического пространства, возрастает влияние радиационных эффектов от воздействия тяжѐлыми ядерными частицами (ТЯЧ). К внешним воздействиям относятся воздействия тяжѐлых ядерных частиц, которые обладают различными характеристиками отдельных видов излучений: корпускулярных, альфа, бета, нейтронных, электромагнитных, рентгеновских, гамма, что в свою очередь приводит к различным по степени воздействиям и деструкциям проектируемых устройств. Такого рода внешние воздействия могут определять одиночные события в виде отказов ячеек памяти, восстанавливаемого (временного) функционального отказа, возникновения тиристорного эффекта, а также проявления необратимого отказа. Ввиду этого необходимо развивать и использовать системы автоматизированного проектирования и методы проектирования, учитывающие особенности современных нанотехнологий, а также базирующиеся на использовании современных информационных технологий. Это, в свою очередь, требует разработки методов и алгоритмов для научных основ проектирования радиационно-стойкой (РС) электронной компонентной базы (ЭКБ) специального назначения (СН) с использованием современных систем автоматизированного проектирования (САПР).
Кроме того, спроектированные с помощью методов и алгоритмов оценки радиационно-стойкие компоненты электронной базы подвергаются проверке на стойкость к реальным внешним воздействиям в виде тяжѐлых ядерных частиц. Это приводит к значительному росту затрат при их проектировании, что принципиально отличает их от проектирования без учѐта факторов воздействий тяжѐлых ядерных частиц. Ввиду этого одним из способов повышения эффективности проектирования радиационно-стойких изделий (и снижения как времени, так и финансовых затрат) для достижения заданных техническим заданием параметров является синтез виртуальной реальности (СВР) для проектируемой радиационно-стойкой электронной компонентной базы специального назначения. Однако такой подход определяет необходимость решения проблемы формирования научных основ синтеза виртуальной реальности воздействий тяжѐлых ядерных частиц на проектируемые радиационно-стойкие изделия электронной компонентной базы специального назначения. Для решения этой проблемы необходимо разработать методы моделирования проектируемых объектов электронной компонентной базы на основе синтеза виртуальной реальности, методы (в виде моделей и алгоритмов) учѐта отдельных видов воздействий тяжѐлых ядерных частиц с применением структуры и размеров материалов проектируемой в САПР электронной компонентной базы специального назначения и методы представления виртуальной реальности для проведения модельных экспериментов с использованием современных информационных технологий 3D моделирования. В исследованиях А. Ставцева и А. Сурма осуществлялась идентификация основных причин отказов для силовых полупроводниковых приборов в процессе эксплуатации, где рассматривались электрические и тепловые режимы эксплуатации, выходящие за пределы области безопасной работы полупроводниковых приборов, определенной производителем, нештатные и
аварийные режимы работы оборудования, учѐт возможности выработанного ресурса. Однако в их работах не рассматриваются нештатные и аварийные режимы работ применительно к воздействиям тяжѐлых ядерных частиц в условиях дальнего космического пространства. Такого рода исследования проводились Л. Л. Акатовым, А. Н. Авериным, В. Г. Малининым, В. В. Маркеловым, Г. В. Милошевским, Г. К. Платоновым. Их исследования посвящены тиристорным эффектам в больших интегральных схемах (БИС) под воздействием одиночных частиц с высокой энергией, где ими было выполнено моделирование воздействия высокоэнергетичного ионизирующего излучения космического пространства (КП) на БИС по тиристорному эффекту (ТЭ) с применением излучения изотопа Cf252 и импульсного лазерного излучения. Эксперименты проводились с помощью разработанного физико-математического программного комплекса «MONSOL» для трехмерного моделирования взаимодействия проникающих излучений со сложными слоистыми структурами, а результаты сводились к линейной потере энергии падающих частиц на поверхности кристалла и на любой заданной глубине, то есть проводились натурные эксперименты с дальнейшим сбором и статистической обработкой полученных в ходе эксперимента данных. Такой подход обладает достаточно высокой точностью получения результатов эксперимента и их обработки, однако довольно много времени уходит на подготовку к проведению эксперимента. Тем не менее, такое решение задачи не позволяет разрабатывать и модифицировать модели синтеза виртуальной реальности для внедрения их в САПР при проектировании радиационно стойкой электронной компонентной базы специального назначения. Подробный сравнительный анализ результатов исследований электронной компонентной базы при испытании на стойкость по одиночным событиям на лазерных имитаторах и ускорителях ионов был выполнен А.Л. Васильевым, А.А. Печенкиным, А.И. Чумаковым, Д.В. Савченковым, А.С. Тарараксиным, А.В. Яненко. Эти авторы совместно с Р.Р. Нигматуллиным
и С.А. Соловьевым предложили методики исследования и предотвращения возникновения одиночного тиристорного эффекта, тем не менее, возможность применения синтеза виртуальной реальности в данных методиках ими не рассматривалась. Вопросами управления разработкой и производством микросхем нового поколения двойного назначения занимался Ю.К. Фортинский, однако в данных исследованиях не рассматривалась возможность использования подходов, реализованных на СВР в САПР для проектирования радиационно-стойкой электронной компонентной базы специального назначения. П.Н. Осипенко осуществлял анализ отечественных и зарубежных микропроцессоров для оценки стойкости их к воздействию радиационных факторов космического пространства, где указывал на необходимость перехода к исследованиям на уровень 0,15 мкм для микросхем, используемых в космическом пространстве, и 0,032 мкм для микросхем, используемых в коммерческих целях. Его работы подтверждают необходимость теоретических исследований поведения СБИС, использующих такого рода технологии проектирования. Исследованиями моделирования МОП-транзисторов занимался В.В. Денисенко, который одним из основных видов моделирования предлагает полунатурное. Однако возможность использования подходов, ориентированных на технологии моделирования синтеза виртуальной реальности, им не рассматривалась. Применением тестовых структур для контроля технологического процесса БИС занимались С.С. Булгаков, Д.Б. Десятов, С.А. Еремин, В.В. Сысоев. Тем не менее, основные исследования были направлены на тестирование технологического процесса СБИС, а не на синтез виртуальной реальности для тестирования микросхем в радиационной среде. В.В. Ракитиным описаны физико-технологические и конструктивно топологические особенности КМОП-изделий, однако без учѐта внешних