Одним из распространенных способов повышения надежности электронных изделий является использование структурной избыточности – введение в цифровую систему дополнительных резервных элементов, каналов, устройств и микросхем. Такой подход многократно увеличивает стоимость, вес, габариты и потребляемую мощность изделия, но оправдан для так называемых критических областей применения, например, в медицинской аппаратуре, аппаратуре атомной энергетики, в авионике, в космической и военной технике.

Поэтому исследования, позволяющие сократить затраты на обеспечение надежности при сохранении ее высокого уровня, особенно актуальны. Ученые Пермского Политеха, моделируя различные варианты резервирования и анализируя их эффективность, предложили решение, позволяющее обеспечить снижение мощности потребляемой аппаратурой, обеспечивая высокий уровень отказоустойчивости.

Исследование опубликовано в журнале «Технологии и компоненты микро- и наноэлектроники» (2022 г.)

Пермские политехники продвинулись в исследованиях резервирования на уровне транзисторов, позволяющего защитить логические элементы микросхем от отказов и сбоев, которые могут быть вызваны внешними факторами, например, высокой или низкой температурой, давлением, радиацией и др.

При этом используется так называемое расчетверение: каждый транзистор заменяется на особенным образом соединенные между собой четыре транзистора. Такой подход позволяет обеспечить надежную работу системы в случае проблем с одним из транзисторов в каждой «четверке», а такие случаи бывают, например, при воздействии на аппаратуру тяжелой заряженной частицы, пронзающей космический аппарат.

Ученые исследовали несколько вариантов размещения резервных транзисторных структур в микрочипах и с помощью компьютерного моделирования оценили характеристики их работы. Полученные данные используются для выявления наиболее эффективной структуры логических элементов, позволяющей снизить энергопотребление микрочипа в целом или уменьшить площадь кристалла кремния, необходимого для его реализации.

Предложенный метод поиска оптимальной структуры логического элемента позволит отечественным конструкторам создавать надежные микросхемы с уменьшенным энергопотреблением для высоконадежного оборудования, используемого в тех сферах, где цена ошибки высока, например, медицина, космос, атомная энергетика и авиация, — объясняет аспирант, ассистент кафедры автоматики и телемеханики электротехнического факультета ПНИПУ Максим Никитин.