Радиационно-стойкая статическая оперативная память от BAE Systems. Часть 1
Все статьи цикла:
- Радиационно-стойкая статическая оперативная память от BAE Systems. Часть 1
- Радиационно-стойкая статическая оперативная память от BAE Systems. Часть 2
Семейство микросхем Millennium, выпускаемое американским подразделением корпорации BAE Systems, представляет собой набор изделий, построенных на базе уникального радиационно-стойкого чипа статической памяти объемом 524 288 · 8 бит, разработанного по технологии R25 в Центре полупроводниковых технологий BAE Systems (Манассас, США). Флагман семейства — микросхема размерностью 512 Кслов · 40 бит. Рассмотрим это изделие более подробно.
В зависимости от модификации обеспечивается стойкость по накопленной дозе 100 или 200 крад, стойкость к ТЗЧ с энергией <120 МэВ·см2/мг и нейтронному потоку до 1·1013 нейтрон/см2. Ожидаемая частота отказов составляет не более 1·10-9 на бит в сутки. При этом время доступа к данным — не более 15 нс. Какова же плата за столь высокие характеристики?
Большинство технических решений, обычно используемых при проектировании радиационно-стойких микросхем ОЗУ, так или иначе требуют увеличения размера ячейки памяти, однако на этом пути разработчика поджидают две неприятности. Первая — это очевидное увеличение размера кристалла и, соответственно, площади занимаемой микросхемой на плате, вторая — это увеличение потребляемой мощности.
Давайте посмотрим, как удалось разработчикам фирмы BAE справиться с этими проблемами: устроим небольшое «соревнование» между микросхемами памяти различных производителей.
В таблице приведены сравнительные характеристики микросхем статических ОЗУ, представленных на рынке. Для сравнения у каждого из производителей были выбраны микросхемы памяти максимального объема, с максимально широкой шиной данных, что обеспечивает максимальную скорость обмена. Предпочтение отдавалось микросхемам с выводами по периметру корпуса.
Таблица. Сравнительные характеристики микросхем статических ОЗУ разных производителей
Производитель | Название микрхемы | Организация, кслов*бит | Объем, Мбит | Размеры, мм | Площадь корпуса, см2 | Время доступа, нс | Скорость обмена, бит/с | Мощность потребления, Вт | Мощность ожидания, мВт при 25 C | Диапазон рабочих температур, C | Udr, В | Удельное потребление мощности, Гбод/Вт | Удельная ёмкость, Мбит/см2 | |
BAE Systems | Millennium | 512 | 40 | 20 | 26×23 | 6,0 | 15 | 2,7 | 2,3 при 110″C | 3,5 | -55^+140 | 1,5 | 1,2 | 3,3 |
Cypress | CY7C1062DV33, 3,3 В | 512 | 32 | 16 | 14×22 BGA | 3,1 | 10 | 3,2 | 0,5775 | 99 | -55^+125 | 2 | 5,5 | 5,2 |
SAMSUNG | K6R4016C1D,5 В | 256 | 16 | 4 | 10×19 TSOP2 | 1,9 | 10 | 1,6 | 0,375 | 25 | -40^+85 | — | 4,3 | 2,1 |
SAMSUNG | K6R4016V1D, 3,3 В | 256 | 16 | 4 | 10×19 TSOP2 | 1,9 | 10 | 1,6 | 0,2805 | 3,96 | -40^+85 | — | 5,7 | 2,1 |
Micross | AS8SLC512K32PEC, 3,3 В | 512 | 32 | 16 | 25×25 PLCC | 6,3 | 12 | 2,7 | 0,726 | 264 | -55^+125 | — | 3,7 | 2,6 |
Параметры радиационной стойкости при выборе не учитывались. Для наглядности данные последних двух столбцов представлены на рис. 1 в виде гистограммы.

Рис. 1. Сравнительные характеристики Millennium и микросхем других производителей
Как видно на приведенных рисунках, Millennium практически не отстает от не радиационно-стойких микросхем других производителей по удельной емкости (Мбит/см), однако создается ложное впечатление, что Millennium сильно проигрывает по удельному потреблению мощности. Тут надо отметить, что максимальная потребляемая мощность у Millennium нормируется в рабочем режиме при температуре 110 °С, в то время как у других производителей ток потребления нормируется при отсутствии тока на выходах микросхемы. Что трудно себе представить, поскольку мы всегда имеем дело с емкостями монтажа, а при длительности цикла 10-15 нс ток перезаряда этих емкостей должен быть значительным. Температура испытаний у других производителей зачастую не указывается, а некоторые из представленных микросхем вообще не могут работать при столь высокой температуре. Известно, что ток покоя КМОП-микросхем памяти растет экспоненциально с температурой и увеличивается примерно в 10 раз на каждые 50°, что подтверждается данными рис. 2.

Рис. 2. Зависимость статического тока потребления КМОП СОЗУ от температуры
Таким образом, можно сказать, что инженерам BAE Systems удалось в значительной степени преодолеть проблемы, связанные с использованием большой ячейки памяти, и создать радиационно-стойкую микросхему с характеристиками, близкими к характеристикам обычных коммерческих продуктов. Возникает вопрос: за счет чего получены такие результаты?
Для того чтобы понизить потребляемую мощность, в Millennium используется раздельное питание ядра и периферии, это, конечно, потребует дополнительного места на плате — под размещение дополнительного источника питания, однако дает и два значительных преимущества. Кроме того, как станет ясно далее, место под источник питания часто можно освободить. Первое преимущество от использования раздельного питания, как уже было сказано, — это снижение потребляемой мощности. Второе же — это то, что Millennium сохраняет записанные в нее данные при пониженных напряжениях питания вплоть до 1,5 В, в то время как остальные участники нашего «соревнования» либо теряют информацию при питании ниже 2 В, либо вообще не гарантируют сохранность данных при понижении питания ниже номинала. Эти данные приведены в таблице в столбце Udr (Data Retention Voltage).
С потреблением ясно. Но как же удалось снизить занимаемую микросхемой площадь? — спросите вы. Ответ кроется во внутреннем строении Millennium (рис. 3).

Рис. 3. Внутреннее строение Millennium
Оказывается, внутри корпуса микросхемы расположено пять кремниевых пластин, три из которых монтируются над керамическим основанием, а две другие — под. Такая конструкция микросхемы очевидным образом позволяет снизить занимаемую микросхемой площадь в пять раз.
Теперь, когда мы познакомились с секретами внутреннего строения Millennium, остановимся кратко на ее логической организации (рис. 4). В отличие от большинства микросхем других производителей, Millennium имеет два входа выбора микросхемы LS0 LS1, активные уровни на которых задаются двумя дополнительными входами LD0-LD1. Другими словами, выбор микросхемы для чтения или записи происходит тогда и только тогда, когда уровни на входах LS0-LD0 и LS1-LD1 попарно совпадают.

Рис. 4. Внутренняя организация Millennium
Такая организация схемы выбора кристалла позволяет расширить шину адреса на два разряда без использования внешнего дешифратора, что отчасти компенсирует место, занятое внешним источником питания на плате. Подведем итоги:
- Millennium находится по удельному энергопотреблению и удельной плотности памяти на уровне современных не радиационно-стойких аналогов других производителей и незначительно отстает по скорости доступа к данным.
- Millennium выгодно отличается минимальным напряжением, при котором данные, записанные в память, сохраняются.
- Millennium может работать как в системах с питанием 3 В, так и в системах с питанием 5 В.
- Все перечисленные достоинства сохраняются в условиях значительной накопленной дозы радиации, при облучении тяжелыми заряженными частицами и нейтронными потоками высокой плотности.
В заключение отметим, что на смену Millennium в 2010 году приходит семейство Mon olithic. Оно представляет собой пятое поколение микросхем ОЗУ от BAE Systems, построенных на основе нового чипа объемом 2 097 152×8 бит и изготовленного по новейшей технологии R15, о которой будет рассказано в одном из следующих материалов о продукции компании.