раздаточный

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Воронежский государственный лесотехнический университет
имени Г.Ф. Морозова»
РАЗДАТОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ
на тему:
«Применение методов защиты в электрической перепрограммируемой памяти
интегральных схем для работы в космическом пространстве под воздействием тяжелых
заряженных частиц»
Выполнил:
студент гр. ИС4-221-ОМ
Попов В. А.
Руководитель:
к.т.н., доцент Зольников К.
В.
Воронеж 2024

2.

Плакат 2
Актуальность темы
Интегральные схемы (ИС) являются основой современных электронных
устройств, питающих все – от смартфонов до космических аппаратов. По мере
развития технологий спрос на более компактные, быстрые и эффективные ИС
продолжает расти. Однако с этим прогрессом растет и уязвимость к
радиационному воздействию. В космических условиях риски поражения
элементов ИС наиболее велик в связи увеличенным количеством различных
источников излучения. Поэтому необходимо понимать механизмы повреждения и
уметь противостоять им.
Научная новизна: разработан код коррекции
двойных ошибок в Flash-памяти микропроцессора

3.

Плакат 3
Цель работы: анализ и применение современных
методов защиты в электрической перепрограммируемой
памяти микропроцессора для работы в космической
пространстве.
Основными задачами диссертации являются:
1. Анализ основных факторов космического
пространства
2. Анализ основных явлений и видов отказов в
электронной
компонентной базе, эксплуатируемой в космосе.
3. Анализ способов защиты электронной
компонентной базы, при эксплуатации в космосе.
4. Применение методов коррекции при разработке
электрической перепрограммируемой памяти
микропроцессора.

4.

Основные факторы космического
пространства
Плакат 4
В космосе существует больше потенциальных причин сбоев в
электрических компонентах систем, чем на Земле. Основную угрозу
представляет ионизирующее излучение. Источники ионизирующего излучения
можно условно можно разделить на естественные и антропогенные:
Естественные источники:
1. Галактические космические лучи – высокоэнергетические частицы
происходят из-за пределов солнечной системы и состоят в основном из протонов,
альфа-частиц и более тяжелых ядер.
2. Солнечные космические лучи – частицы, испускаемые Солнцем, включают в
себя протоны, электроны и более тяжелые ядра. Солнечные лучи можно
разделить на:
- солнечный ветер - это непрерывный поток заряженных частиц (в
основном протонов и электронов), испускаемых Солнцем. Поток солнечного
ветра меняется в зависимости от солнечной активности и положения в
солнечном цикле;
- солнечные вспышки – это внезапные и интенсивные всплески энергии на
Солнце, в результате которых высвобождается большое количество
высокоэнергетических частиц, включая протоны, электроны и тяжелые ионы.
Данные явления происходят случайно, их частота и интенсивность возрастают в
период максимума солнечного цикла.
Антропогенные источники:
Ядерные реакторы – при работе генерируют нейтронное и гамма-излучение,
которые могут повлиять на работу ИС

5.

Основные виды отказов в ЭКБ
Плакат 5
При прохождения ТЗЧ от ионизирующего излучения через компоненты ИС
могут быть вызваны различные виды сбоев:
1. Эффекты одиночного события (англ. Single Event Effects, SEE) — при попадании
заряженной частицы, как показано на рисунке, последовательные элементы, такие
как сдвиговые регистры, могут быть нарушены в результате однократных сбоев,
вызывающих перевернутый бит (показан красным цветом), а комбинационные
элементы, такие как шлюз И/ИЛИ, могут быть затронуты однократным переходным
процессом, который, в свою очередь, может нарушить работу другого
последовательного элемента, расположенного
далее. на:
SEE делятся
- сбои по одному событию, которые, в
основном, проявляются в виде переворота
затронутого частицей бита;
- однократные защелкивания,
проявляющиеся в образовании
низкоомного пути между источником
питания и землей, это приводит к
вызывать тепловое повреждение и необратимый
отказ
ИС;
протеканию
чрезмерного
тока, что может
- однократные выгорания — тяжелые ионы высокой энергии могут вызывать
локальный пробой диэлектрика или катастрофический отказ в силовых
устройствах и транзисторах.

6.

Основные виды отказов в ЭКБ
Плакат 6
2. Эффект суммарной ионизирующей дозы (англ. Total Ionizing Dose, TID)
Эффекты TID возникают в результате кумулятивного воздействия
ионизирующего излучения, приводящего к накоплению заряда в изолирующих
слоях ИС.
Последствия воздействия TID следующие: смещение порогового напряжения
транзисторов, что влияет на общую функциональность и уменьшает время
работы ИС. Появляются дефекты в решетке полупроводника, что ухудшает
энергоэффективность ИС. Также постоянное воздействие излучения ухудшает
диэлектрические свойства изоляционных материалов, что приводит к
увеличению помех, снижению изоляции и, в конечном счете, к разрушению
изоляционных слоев.
3. Повреждение от смещения происходит, когда тяжелые заряженные
частицы смещают атомы из
их положений
в кристаллической
решетке времени
Последствия
смещения
атомов: уменьшение
полупроводникового материала,
показано наносителей
рисунке. заряда
жизни как
и подвижности
полупроводников, что отрицательно сказывается на
производительности транзисторов и других
полупроводниковых приборах.

7.

Способы защиты ЭКБ
Плакат 7
Методы защиты электроники от воздействия ТЗЧ самые разнообразные: от
выбора специальных материалов для внешней защиты ИС до добавления
специального кода в программируемые элементы, который обнаруживает и
исправляет ошибки.
- Технология кремний на изоляторе (SOI): данная
технология производства изолирует ИС от подложки,
уменьшая объем кремния, подверженного воздействию
радиации, помогая уменьшать скорость накопления заряда от
ионизирующих частиц.
На рисунке изображена схема двух МОП-транзисторов: а) без
использования технологии, б) с технологией SOI
- Так же применяются различные материалы, устойчивые к
воздействию ТЗЧ и комбинации таких устойчивых материалов
- В системе могутдля
быть
реализованы
модули, дублирующие
критически
защиты
особо чувствительных
компонентов
ИС.
важные компоненты системы. Такие модули могут «перевесить» поврежденный
модуль, с последующей перезаписью его информации.
- Сторожевые таймеры контролируют работу системы и могут сбросить её в
случае возникновения ошибки
- Системы могут быть спроектированы таким образом, чтобы при
обнаружении ошибки изменять конфигурацию, эффективно обходя затронутую
область и сохраняя работоспособность
- Коды коррекции ошибок позволяют обнаруживать и исправлять ошибки в
памяти и при передаче данных.

8.

Плакат 8
Применение методов коррекции при разработке
электрической перепрограммируемой памяти
микропроцессора.
При разработке электрической перепрограммируемой микропроцессорной
памяти, методы коррекции ошибок играют решающую роль в обеспечении
целостности и надежности данных.
Один из наиболее распространенных методов - это использование кодов
обнаружения и исправления ошибок. Например, код Хэмминга может
обнаруживать и исправлять однобитные ошибки, а код Рида-Соломона
эффективен при обработке множественных ошибок в флэш-памяти. Также
применяется код Бозе-Чодури-Хоккенгема, который может исправлять
многобитовые ошибки. Коды отличаются друг от друга количеством «избыточных»
бит — данные биты добавляются к передаваемой информации и служат для
определения позиции неверно переданного бита. Соответственно, чем больше
избыточных бит нужно передать, тем меньше пропускная способность канала.
В ходе данной работы на базе кода Хэмминга был разработан код,
позволяющий обнаруживать и исправлять двойную ошибку в памяти
микропроцессора.

9.

Плакат 9
Заключение
В процессе решения задач, поставленных в диссертационной
работе, получены следующие наиболее значимые научные и
практические результаты:
1. Проанализированы основные факторы влияния космического пространства
на интегральные схемы
2. Проанализированы основные явления и виды отказов в электронной
компонентной базе, эксплуатируемой в космосе.
3. Проанализированы способы защиты ЭКБ при эксплуатации в космосе
4. Применены методы коррекции ошибок при разработке электрической
перепрограммируемой памяти микропроцессора.

10.

Плакат 10
Публикации
1. Сазонова, С.А. Особенности разработки программных продуктов с
использованием массивов в объектно-ориентированной среде / С.А.
Сазонова, А.В. Лемешкин, В.А. Попов // Моделирование систем и процессов. 2021. - Т. 14. - № 4. - С. 90-100.
2. Михалкин A.В., Попов В.А., Зольников К.В., Семейкин И.В. Обзор
архитектуры межсоединений ПЛИС на примере производителей XILINX и
ALTERA // Новые аспекты моделирования систем и процессов. – 2023, с 558 556
3. Саушкин В.В. О возможности использования методов ИК-ФурьеСпектроскопии при исследовании микроструктуры древесины /Саушкин В.В.,
Постников В.В., Камалова Н.С., Евсикова Н.Ю., Попов В.А. // Воронежский
научно-технический вестник. – 2019, с 25-30