[논문]내방사선용 Shift Register의 제작 및 양성자를 이용한 SEU 측정 평가

강근훈; 노영탁; 이희철

doi:10.5573/ieek.2013.50.8.121

초록
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SRAM, DRAM을 포함한 Memory 소자들은 우주환경에서 고에너지 입자에 취약하다. SEE(Single Event Effect) 또는 TID(Total Ionizing Dose)에 의해서 소자의 비정상적인 동작이 야기될 수 있다. 본 논문은 SRAM의 기본 단위 셀인 Latch 회로를 이용하여 양성자에 대한 취약성을 나타내는 SEU cross section을 추정할 수 있는 방법에 대해서 설명한다. 또한 양성자에 의한 SEU 효과를 줄일 수 있는 Latch 회로를 제안하였다. 두 소자를 이용하여 50b shift register를 $0.35{\mu}m$공정에서 제작하였고, 한국 원자력 의학원의 43MeV 양성자 빔을 이용하여 방사선 조사 실험을 진행하였다. 실험 결과로부터 conventional latch를 이용한 shift register에 비해서 제안한 latch를 이용한 shift register가 방사선 환경에서 내구성이 강한 동작 특성을 가진 다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Memory devices including SRAM and DRAM are very susceptible to high energy radiation particles in the space. Abnormal operation of the devices is caused by SEE or TID. This paper presents a method to estimate proton SEU cross section representing the susceptibility of the latch circuit that the unit...

Memory devices including SRAM and DRAM are very susceptible to high energy radiation particles in the space. Abnormal operation of the devices is caused by SEE or TID. This paper presents a method to estimate proton SEU cross section representing the susceptibility of the latch circuit that the unit cell of the SRAM and proposes a new latch circuit to mitigate the SEU. 50b shift register was fabricated by using the conventional latch and the proposed latch in $0.35{\mu}m$ process. Irradiation experiment was conducted at KIRAMS by using 43MeV proton beam. It was found that the proposed latch-shift register is not affected by the radiation environment compared to the conventional latch-shift register.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 SRAM의 기본 구조가 되는 단위 Latch cell의 SEU 감소를 목적으로 하는 2중 feedback loop를 이용한 Latch 를 제안하였다. 제안한 Latch내에서 data는 3개의 node 에 의해서 저장이 되며, 이 node들을 이용하여 upset된 node를 보정하는 원리이며 제Ⅱ장에 상세하게 설명 하였다.

제안 방법

고에너지 양성자는 Silicon기판 내에서 아주 작은 LET(Linear Energy Transfer : 단위 길이 당 전달하는 에너지의 양)를 가지기 때문에 직접적인 효과는 무시 할 수 있지만 양성자가 Si 원자핵과 핵반응(Nuclear Reaction)을 통해 중하전 입자를 생성할 수 있기 때문에 수백nm급 이하의 공정에서 SEU가 일어날 확률을 무시할 수 없다. 이에 대해 기존의 Latch와 제안한 Latch를 이용하여 50bit shift register를 0.35μm 공정에서 설계 하여 SEU 시뮬레이션 및 양성자 조사 실험을 진행하였다. ;

대상 데이터

Conventional Latch와 제안한 Latch가 양성자에 대한 성능 차이를 비교하기 위해 각 소자들은 0.35μm공정으로 제작되었고 양성자 조사 실험은 한국 원자력의 학원(KIRAMS)에 있는 MC-50 양성자 가속기를 사용하였다. 양성자 출력 에너지는 43MeV, 각 소자에 대한 flux density를 3.
그림 5는 양성자가 소자에 높은 확률로 입사할 수 있도록 각 Latch를 Master-Slave array구조로 50bit의 SISO(Serial Input Serial Output) 타입 Shift Register 로 구성하여 소자를 제작한 것을 나타낸다.

데이터처리

Shift Register에 들어가는 신호들은 FPGA를 이용한 신호 생성기를 통해 인가하였으며, Clock 신호는 10MHz의 주파수를 가지도록 설정하였다. 결과 분석은 Shift Register에서 나오는 출력 데이터를 FPGA내의 Memory를 이용해 수집하고, 수집된 출력 데이터는 비교기(Comparator)를 통해 입력 데이터와 비교 하였다. 이때 출력 데이터와 입력 데이터가 서로 일치 하지 않을 때 카운터(Counter)가 에러 발생을 알리고 이를 통해 양성자에 의한 데이터 upset, 즉 SEU 발생 횟수를 측정하였다.

성능/효과

반면에 제안한 Latch 회로로 구성한 50bit shift register에서는 SEU error가 발견되지 않음으로써 제안한 Latch 회로가 방사선 입자에 대한 내성이 상대적으로 강하다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 43MeV 양성자 환경에서 Single Event에 의한 data upset 효과는 충분히 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 Latch를 우주용 SRAM 설계에 적용한다면 SRAM의 동작에 충분한 신뢰성을 부여할 수 있을 것이라 예상된다.
또한 기존에 제안된 SEU 추정 모델을 이용하여 양성자에 대한 SEU cross section을 추정할 수 있는 환경을 구성하였고 이를 통해 각 소자들이 SEU를 일으킬 수 있는 상대적 확률과 제안한 Latch가 Conventional Latch보다 낮은 SEU cross section을 가진다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

따라서 43MeV 양성자 환경에서 Single Event에 의한 data upset 효과는 충분히 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 Latch를 우주용 SRAM 설계에 적용한다면 SRAM의 동작에 충분한 신뢰성을 부여할 수 있을 것이라 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소자내의 단위 cell의 밀집 도가 높아질 수록 무엇이 일어날 확률 또한 높아지는가?	이를 SEU 또는 soft error라고 하며, 1970년대 SRAM, DRAM 과 같은 Memory 소자에서 SEU 효과가 처음으로 발견되었다. 최근에는 미세 공정에 의한 소자의 크기의 감소에 따른 커패시턴스의 감소와 저전력 소자를 위한 Supply voltage의 감소로 인해 하나의 전자 소자가 고에너지 방사선 입자에 대해 더욱 취약하게 되었고, 소자내의 단위 cell의 밀집 도가 높아질수록 MBU(Multiple Bit Upset)가 일어날 확률 또한 높아지게 되었다.
	SRAM, DRAM을 포함한 Memory 소자는 무엇에 취약한가?	SRAM, DRAM을 포함한 Memory 소자들은 우주환경에서 고에너지 입자에 취약하다. SEE(Single Event Effect) 또는 TID(Total Ionizing Dose)에 의해서 소자의 비정상적인 동작이 야기될 수 있다.
	SRAM, DRAM을 포함한 Memory 소자는 무엇에 의해서 소자의 비정상적인 동작이 야기될 수 있는가?	SRAM, DRAM을 포함한 Memory 소자들은 우주환경에서 고에너지 입자에 취약하다. SEE(Single Event Effect) 또는 TID(Total Ionizing Dose)에 의해서 소자의 비정상적인 동작이 야기될 수 있다. 본 논문은 SRAM의 기본 단위 셀인 Latch 회로를 이용하여 양성자에 대한 취약성을 나타내는 SEU cross section을 추정할 수 있는 방법에 대해서 설명한다.

참고문헌 (10)

Eun-Gu Lee. "A Study on The Electron-Hole pair Generation Model due to Single Event Upset." 대한전자공학회 학술대회 논문지 제20권 2 호, pp. 437-440, 1997.11
Xapsos, M. "Modeling the Space Radiation Environment." IEEE Nuclear Science and Radiation Effect Conference (NSREC) 2006 Short Course Notes, Florida, United States, 62 pages, (2006)
Avery, K. "Radiation Effects Point of View", IEEE Nuclear Science and Radiation Effect Conference (NSREC) 2009 Short Course Notes, Quebec, Canada, 44 pages, (2009)
M. Omana, D. Rossi, C. Metra, "Novel Transient Fault Hardened Static Latch", Proc. of IEEE Int. Test Conference (ITC'03), pp. 886-892, (2003)
M. Omana, D. Rossi, C. Metra, "Latch susceptibility to transient faults and new hardening approach", IEEE trans. Comput., Vol.56, pp. 1255-1268, (2007)

상세보기
ZHOA Y., DEY S., "Separate dual transistor - registers - a circuit solution for on-line testing of transient error in UDSM-IC", Proc. of IEEE Int. On-Line Testing Symposium, pp. 7-11, (2003)
WANG L., YUE S., ZHAO Y., "Low-overhead SEU-tolerant latches", Proc. Int. Conf. Microwave and Millimeter Wave Technology, pp. 1-4, (2007)
Arima Y., Yamashita T., Komatsu Y., Fujimoto T., Ishibashi K.,"cosmic ray immune latch circuit for 90nm technology and beyond", IEEE Solid-State Circuits Conference, Vol. 1, pp. 492-493, (2004)
X. Y. Zhang and X. B. Shen,"The SEU Cross Section Estimation in SRAM Induced by Protons of Space Environment", IEEE Circuits and Systems International Conference on Testing and Diagnosis, pp. 474-477, (2009).
W.J. Stapor,J.P. Meyers, J.B. Langworthy, E.L. Petersen, "Two Parameter Bendel Model Calculations For Predicting Proton Induced Upset", IEEE Trans. on Nucl. Science, Vol. 37, No. 6, (1990).

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