Analisi e progettazione di un circuito di sensing per memorie rad-hard

La progettazione e la realizzazione di componenti elettronici di largo consumo, come quelli che molti di noi possiedono, dal computer al lettore Mp3, è un settore dove ormai le innovazioni tecnologiche consistono nell'aumento della velocità di funzionamento e nella diminuzione del costo di fabbricazione. Affidabilità nel tempo e resistenza a condizioni ambientali ostili sono aspetti secondari per l'elettronica di largo consumo, che raggiunge l'obsolescenza dopo non più di 1 o 2 anni e la cui cura è a discrezione del compratore.
La realizzazione di una memoria non volatile, di cui il circuito oggetto di questa tesi fa parte, non µe una novità nel campo dell'elettronica: le possiamo trovare in qualunque dispositivo, dal cellulare al lettore Mp3 già citato.
Ci sono settori dove, però, le condizioni ambientali sono ostili e la manutenzione + difficile, se non impossibile; di conseguenza, in questi casi, vengono richiesti componenti elettronici con elevata affidabilità anche a tempi molto lunghi: fra questi, uno dei più ostici µe il settore aerospaziale, a cui è destinato il circuito oggetto di questa tesi. Infatti:
• fuori dall'atmosfera terrestre le radiazioni non sono filtrate e smorzate dagli strati atmosferici (tra cui l'ozono), molte radiazioni sono dannose e possono danneggiare i dispositivi elettronici;
• nello spazio, se qualcosa si guasta, non è pensabile effettuare operazioni di manutenzione come sulla terra, o perlomeno non con gli stessi costi; bisogna garantire il perfetto funzionamento per lunghi periodi di tempo;
• il costo per mettere in orbita un oggetto µe elevato, e proporzionale alle sue dimensioni e al suo peso: bisogna limitare il più possibile l'ingombro di componenti destinati a funzionare nello spazio;
• l'importanza dei dati contenuti in una memoria (come nel nostro caso) è vitale: se vengono perduti, o alterati in modo errato, si compromette il funzionamento di tutto ciò che dipende dalla memoria.
La progettazione di una memoria non volatile deve quindi tenere conto in primo luogo di tutti questi aspetti, e non essere finalizzata alla realizzazione di un prodotto il più veloce o capiente possibile.
Molte soluzioni possono essere adottate per migliorare l'affdabilità di un sistema elettronico. Fra queste:
• la prima soluzione adottata per rendere immune l'elettronica alle radiazioni presente nello spazio è stata quella di contenere i circuiti in una gabbia di metallo, che li schermasse dai fattori ambientali esterni. I problemi di questo approccio risiedono nel fatto che la schermatura non è totale, in quanto le particelle molto energetiche possono comunque attraversarla; inoltre, grossi involucri di metallo fanno aumentare peso e ingombro in modo inaccettabile;
• si usano materiali e tecniche di fabbricazione diversi e più resistenti ai fenomeni spaziali. Hanno lo svantaggio, però, di essere costosi, poco diffusi e quindi poco conosciuti;
• si progetta con tecniche convenzionali, ma con un layout e un circuito studiato in modo da essere poco soggetto alle radiazioni;
• si usano tecniche di correzione degli errori per correggere i malfunzionamenti temporanei di parti del circuito. La memoria di cui fa parte il circuito di sensing, per esempio, usa 12 bit per immagazzinare un byte da 8 bit: i restanti 4 servono per correggere gli eventuali errori.
La memoria non volatile di cui ci occupiamo combina alcune di queste tecniche, come il disegno di transistori dalle forme atipiche, e la codifica ridondante del byte, per rendere la memoria quanto più affidabile ed esente da errori.
Infine il circuito progettato viene simulato, tenendo conto anche delle possibili variazioni dei parametri e dei disturbi causati dalle radiazioni, cercando di modellizzare nel modo più vicino possibile alla realtà l'ambiente spaziale.
Questa tesi descrive il progetto di un circuito di sensing in grado di funzionare in condizioni ambientali sfavorevoli e sotto l'effetto di radiazioni. Il circuito di sensing è uno dei componenti fondamentali della memoria e permette di leggere il valore del bit immagazzinato confrontandolo con un valore di riferimento, trasmettendo il bit all'uscita entro il tempo richiesto dalle specifiche. Scopo e funzionamento del circuito saranno descritti nel Capitolo 3. Il Capitolo 1 è una veloce introduzione riguardante le radiazioni presenti nello spazio e l'architettura di una memoria non volatile. Successivamente verranno descritti gli elementi parassiti della tecnologia CMOS (Capitolo 2). Nel Capitolo 4 sarà introdotta la metodologia per le simulazioni circuitali, per poi applicarla nel Capitolo 5 al circuito di sensing.
Gli effetti delle radiazioni sul circuito di sensing saranno trattati nel Capitolo 6: dopo un'introduzione dei loro effetti su tutti circuiti integrati, viene descritto e usato un modello per simulare il circuito in presenza di particelle presenti nello spazio. L'ultimo Capitolo contiene il riassunto del lavoro svolto e i possibili sviluppi futuri di questi risultati.