СПОСОБ ПОСТОЯННОГО ПОЭЛЕМЕНТНОГО ДУБЛИРОВАНИЯ В ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ (ВАРИАНТЫ)

Изобретения относятся к области вычислительной техники и электроники и более точно к способам поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, в том числе в наноэлектронных системах, подвергающихся воздействию радиации и в первую очередь потока высокоэнергетических частиц. Техническим результатом является повышение отказоустойчивости систем большой интеграции при работе в условиях радиации. В одном из вариантов способ содержит этапы, на которых для каждого элемента устанавливают идентичный ему дублирующий элемент и объединяют одноименные входы дублирующих друг друга элементов, при этом в качестве дублирующих элементов используют логические элементы, не имеющие памяти, располагают дублирующие друг друга логические элементы на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее, и объединяют одноименные выходы дублирующих друг друга логических элементов, образуя пары дублирующих друг друга элементов, каждая из которых представляет дублированный логический элемент. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, построенных на микросхемах, при котором для каждого элемента устанавливают идентичный ему дублирующий элемент и объединяют одноименные входы дублирующих друг друга элементов, отличающийся тем, что в качестве дублирующих элементов используют логические элементы, не имеющие памяти, располагают дублирующие друг друга логические элементы на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее, и объединяют одноименные выходы дублирующих друг друга логических элементов, образуя пары дублирующих друг друга элементов, каждая из которых представляет дублированный логический элемент, правильная работа которого обеспечена в случае одиночной неисправности типа обрыва в одном из дублирующих друг друга логических элементов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дублируют соединения между элементами и располагают дублирующие друг друга соединения на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают ширину соединений между элементами такой, чтобы она превышала размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в указанное соединение, на величину, при которой это соединение после повреждения его одной частицей обеспечивает работоспособность микросхемы.

4. Способ постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, построенных на микросхемах, при котором в качестве дублирующих элементов используют компоненты логических элементов, для каждого компонента устанавливают идентичный ему дублирующий компонент, и при применении двухэлектродных компонентов объединяют их одноименные электроды, отличающийся тем, что в качестве дублирующих компонентов используют транзисторы, объединяют одноименные электроды дублирующих друг друга транзисторов и располагают дублирующие друг друга компоненты на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что дублируют соединения между логическими элементами и их компонентами и располагают дублирующие друг друга соединения на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что устанавливают ширину соединений между элементами такой, чтобы она превышала размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в указанное соединение, на величину, при которой это соединение после повреждения его одной частицей обеспечивает работоспособность микросхемы.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области вычислительной техники и электроники, а именно к способам повышения надежности дискретных электронных систем, работающих в условиях радиации, и более точно, к способам постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, находящихся под воздействием частиц излучения.

Под дискретными электронными системами понимаются дискретные системы автоматики и вычислительной техники, в частности, цифровые компьютеры, а также крупные узлы этих систем, такие, как например, оперативная память, арифметико-логическое устройство. Под элементами резервируемых систем понимают функциональные единицы, из которых строятся эти системы и их крупные узлы. В качестве элементов этих систем могут рассматриваться функциональные единицы различного уровня сложности: небольшие блоки из логических элементов, логические элементы и компоненты (радиодетали), из которых построены логические элементы. К этим компонентам относятся резисторы, полупроводниковые диоды, транзисторы.

Под поэлементным дублированием понимают дублирование элементов, из которых построены система и ее узлы. Под постоянным или, иначе говоря, горячим дублированием понимают дублирование, при котором дублируемые элементы постоянно работают одновременно.

Изобретение может найти применение в дискретных электронных системах, которые подвергаются воздействию радиации и в первую очередь воздействию потока высокоэнергетических частиц (нейтронов, протонов, электронов и тяжелых заряженных частиц). При этом важную область применения предлагаемого изобретения представляют дискретные электронные наносистемы, то есть системы, построенные на основе нанотехнологий, в частности цифровые нанокомпьютеры.

Уровень техники

Для повышения надежности микроэлектронных комплексов и повышения их отказоустойчивости используют резервирование на уровне систем и их крупных узлов, начиная от их дублирования и кончая n-кратным (n>2) их резервированием (см., например, статью «Надежность кибернетических систем» в «Энциклопедии кибернетики», том второй, Киев: Главная редакция Украинской советской энциклопедии, 1975, с.61, а также раздел 7 «Повышение надежности работы аппаратуры» на сайте проф. Давыдова А.В. http://prodav.exponenta.ru/design/lecture/app/lec07.doc, 2006, с.8-9.

Часто используют троирование (n=3) систем или их крупных узлов. Однако применение резервирования только на уровне систем и их крупных узлов в электронных комплексах представляется неприемлемым, так как при воздействии радиации могут быть повреждены одновременно все (при дублировании, т.е. при n=2) резервируемые системы и их крупных узлы или большинство из них (при n>2), а также узлы сравнения и узлы мажоритарного выбора, поскольку при уменьшении размеров логических элементов и особенно при использовании наноэлектроники увеличивается вероятность катастрофических отказов от воздействий частиц, которые могут вывести из строя разные резервированные системы и узлы. Вывод из строя этих систем и узлов обусловлен тем, что в наноэлектронных узлах размеры элементов, из которых они состоят, близки к размерам области повреждений от действия одной частицы излучения.

Поэтому в работах по созданию отказоустойчивых электронных систем и их крупных узлов используют поэлементное резервирование, т.е. резервирование на более низком уровне - на уровне элементов, из которых построены крупные узлы. Известны различные способы резервирования при n>2 на уровне логических узлов, использующие обход ошибок при помощи мажоритарной логики (см., например, упомянутый раздел 7 «Повышение надежности работы аппаратуры» на сайте проф. Давыдова А.В. http://prodav.exponenta.ru/design/lecture/app/lec07.doc, 2006, с.8-9 и книгу Б.Байцера «Архитектура вычислительных комплексов»/ пер. с англ., М.: Мир, 1974, том 2, с.312-313, рис.11.6 и рис.11.7). При троировании небольших логических узлов затраты аппаратуры возрастают более чем в три раза, и под действием радиации может отказать мажоритарный клапан, а также два из трех резервируемых узлов.

К способам поэлементного резервирования относятся также различные способы построения надежных схем из ненадежных элементов, которые были предложены для построения нанокомпьютеров (см., например, статью К.Nikolic, A.Saudek and M.Forshaw “Fault-tolerant techniques for nanocomputers”, “Nanotechnology”, London, 13 (2002), p.357-362, http://www.lems.brown.edu/~iris/en291s10-05/Papers/nikolic-fault-tolerance-nano02.pdf и статью Jie Han and Peter Jonker “From Massively Parallel Image Processors to Fault-Tolerant Nanocomputers”, 2010, http://www.tnw.tudelft.nl/live/binaries/a90c49e4-6513-4138-913c-0c02d344d645/doc/ICPR17JonkerV30_0_02.pdf).

Однако в этих способах используют n-кратное резервирование (при n≥3) на уровне небольших групп логических элементов, что ведет увеличению аппаратных затрат более чем в n раз. При использовании этих способов использующиеся в них восстановительные каскады и мажоритарные клапаны, а также большинство из резервируемых логических узлов и элементов могут отказать при воздействии радиации.

Способы повышения надежности с помощью кода Хэмминга требуют больших затрат аппаратуры и больших затрат времени на кодирование и декодирование и имеют очень ограниченное применение. Они используются для контроля информации, передаваемой и хранимой в памяти, но не для контроля адресной части памяти, а также не для контроля управляющей и логико-арифметической части процессора, и способны исправлять только одиночные ошибки в передаваемой информации (см, например, книгу Путинцева Н.Д. «Аппаратный контроль управляющих цифровых вычислительных машин», М.: Советское радио, 1996, с.87-98, 326). Эти способы позволяют исправлять только одиночные ошибки, но при ошибках кратности 3 и более могут давать неверные исправления (см. указанную книгу Путинцева Н.Д., с.97-98).

В данной заявке предлагаются два варианта способа постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, то есть два варианта способа одинакового назначения, обеспечивающие получение одного и того же технического результата - повышения отказоустойчивости этих систем.

Прототипом первого варианта предлагаемого способа является способ постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, при котором для каждого элемента устанавливают идентичный ему дублирующий элемент и объединяют одноименные входы дублирующих друг друга элементов, в котором в качестве дублируемых элементов используют идентичные логические узлы (блоки), на выходах которых устанавливают блок сравнения (см. например, книгу Б.Байцера «Архитектура вычислительных комплексов» / пер. с англ., М.: Мир, 1974, том 2, подраздел 5.1.4 «Дублирование аппаратных средств», с.322).

Недостаток этого способа состоит в том, что под воздействием частиц могут быть повреждены одновременно оба дублируемых элемента и/или блок сравнения.

Прототипом второго варианта предлагаемого способа является способ постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, при котором для каждого элемент устанавливают идентичный ему дублирующий элемент, а в качестве дублируемых элементов используют двухэлектродные компоненты (диодов и резисторов) логических элементов (см. способ дублирования диодов, описанный, например, в книге Б.Байцера «Архитектура вычислительных комплексов» / пер. с англ., М.: Мир, 1974, том 2, с.308, рис.11.5), и способ дублирования резисторов, описанный, например, в статье А.В.Федухина. «Об аппаратной реализации избыточных структур. Поэлементное резервирование» - «Математичнi машины i системи», Киев, 2009, №4, с., http://vvww.nbuv.gov.ua/portal/natural/mms/2009_4/04_2009_Feduhin.pdf).

Недостаток этого способа дублирования компонентов логических элементов состоит в том, что он не предусматривает защиту от отказов транзисторов при попадании в них частиц излучения.

Общий недостаток обоих способов-прототипов состоит в том, что при их использовании оба соседних дублируемых элемента из-за своих малых размеров могут быть повреждены одновременно воздействием одной частицы излучения.

Другой общий недостатком обоих способов-прототипов состоит в том, что они не защищают от отказов, произошедших вследствие обрыва соединений под воздействием частиц излучения, что может иметь место из-за малых размеров сечения соединений в системах наноэлектроники.

Раскрытие (сущность) изобретения

Настоящее изобретение направлено на разработку способа постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, в том числе в наноэлектронных системах, позволяющего повысить их отказоустойчивость при воздействии на них радиации и в первую очередь потока высокоэнергетических частиц (нейтронов, протонов, электронов и тяжелых заряженных частиц), которое приводит к неисправностям типа «обрыв».

Технический результат - повышение отказоустойчивости дискретных электронных систем и в особенности - наноэлектронных систем достигается благодаря двум вариантам предлагаемого способа постоянного поэлементного дублирования в этих системах. Оба эти варианта способа имеют одинаковое назначение, обеспечивают получение одного и того же технического результата - повышение отказоустойчивости дискретных электронных систем и образуют единый изобретательский замысел, что не нарушает единства изобретения в соответствии с п.10.5 Административного регламента по изобретениям.

Оба эти варианта предлагаемого способа основаны на том, что в микросхемах, на которых построены дискретные микроэлектронные системы большой интеграции и особенно дискретные наносистемы, вероятность того, что из-за попадания частицы откажет элемент, соседний с дублирующим его элементом, который ранее был выведен из строя другой частицей, пренебрежимо мала и обратно пропорциональна количеству элементов в системе. Повышение отказоустойчивости системы в обоих вариантах обусловлено тем, что вероятность отказа двух дублирующих друг друга элементов из-за попадания в них двух частиц - по одной в каждый из них очень мала и уменьшается с увеличением количества элементов в системе. Кроме того, повышение отказоустойчивости в обоих вариантах предлагаемого способа достигается благодаря тому, что дублирующие друг друга элементы располагают на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения наноэлектронной системы от одной частицы излучения, попадающей в нее. Это предотвращает выход из строя двух дублирующих друг друга элементов из-за попадания в них одной частицы.

Покажем, что этот феномен сохранения работоспособности пары двух дублирующих друг друга элементов при отказе одного из них под действием радиации имеет место и может быть использован для повышения отказоустойчивости микроэлектронных и наноэлектронных систем высокой степени интеграции.

Оценим вероятность отказа микросхемы, состоящей из N элементов, при условии, что отказ одного из этих элементов приводит к отказу всей микросхемы. Это условие справедливо при отсутствии резервирования элементов в микросхеме. Для упрощения задачи примем, что площадь S микросхемы полностью покрыта составляющими ее элементами, каждый из которых может выйти из строя при попадании в него одной частицы. Тогда вероятность отказа микросхемы при отказе любого элемента микросхемы будет:

где

Р₁ - вероятность отказа микросхемы, в которой ее элементы не дублированы, вследствие отказа любого ее элемента;

Ф - математическое ожидание дозы облучения, приходящейся на 1 см² за все время облучения;

S - площадь микросхемы в см²;

W₁ - вероятность отказа одного элемента при попадании в него частицы.

Доза облучения, или, иначе говоря, количество частиц, попавших в 1 см² микросхемы за все время облучения, представляется в виде

где

I - интенсивность облучения, представляющая число частиц, приходящееся на 1 см² в единицу времени (за 1 сек);

t - время облучения.

Вероятность W₁ отказа одного элемента при попадании в него частицы может быть представлена в виде:

где

σ - сечение взаимодействия с атомами вещества микросхемы или, иначе говоря, «площадь атома, видимая в данном излучении»;

n - число атомов вещества микросхемы в 1 см³;

d - средняя толщина элемента.

Например, если частицы - это нейтроны, то

σ=10^-24 cм²,

n=5·10²² атомов/ см³,

d=3·10^-6 см (т.е. примерно 100 атомных слоев).

С учетом этого для нейтронов вычислим W₁=1,5·10^-7.

Тогда при S=1 см² получим

где величина Ф определена выше.

Если требуемая вероятность безотказной работы микросхемы составляет

то из (4) получим, что допустимая доза Ф облучения составит

что очень мало.

Для других частиц, например протонов, тяжелых ядер, величина σ увеличивается на 2-4 порядка и допустимая доза Ф облучения уменьшается во столько же раз.

Согласно обоим вариантам предлагаемого способа дублирующие друг друга элементы являются соседними и расположены на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения системы от одной частицы излучения, попадающей в нее, что предотвращает поражения обоих дублирующих элементов действием одной частицы. Отказ любого одного элемента микросхемы при попадании в него частицы не приводит к отказу микросхемы, если продолжает оставаться исправным дублирующий его элемент. Вероятность Р₁ этого отказа определяется приведенной выше формулой (1). Условная вероятность отказа второго дублирующего элемента под воздействием на него другой частицы, вычисленная при условии, что первый дублирующий элемент отказал, будет:

где

Р(2/1) - условная вероятность отказа второго дублирующего элемента,

Р₁ - вероятность отказа любого первого дублирующего элемента,

N - количество пар дублирующих друг друга элементов в микросхеме.

Отказом микросхемы с дублированием элементов является отказ обоих дублирующих элементов. Вероятность отказа микросхемы с дублированием элементов или, иначе говоря, вероятность отказа второго дублирующего элемента при условии, что дублирующий его первый элемент отказал, будет

где

Р₂ - вероятность отказа микросхемы с дублированием элементов;

остальные величины определены выше.

Для микросхемы с дублированием вместо (4) при S=2 см² получим:

Подставив (9) в (8) для случая нейтронов получим

где все величины определены выше.

Откуда при N=10¹² получим

Теперь для микросхемы с дублированием примем то же значение вероятности безотказной работы, которая была принята для микросхемы без дублирования в (5):

Тогда из (11) получим, что допустимая доза Ф облучения для микросхемы с дублированием составит

Из сравнения выражений (13) и (6) следует, что допустимая доза Ф облучения для микросхемы с дублированием возросла в 5·10⁷ раз по сравнению с допустимой дозой для микросхемы без дублирования. Это означает, что в соответствии с (2) при той же интенсивности I облучения допустимое время t облучения возросло в 5·10⁷ раз. В зависимости от условий применения электронной системы интенсивность облучения изменяется в очень широком диапазоне.

Указанный технический результат, а именно повышение отказоустойчивости дискретных электронных систем, достигается в первом варианте предлагаемого способа за счет того, что в способе постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, построенных на микросхемах, при котором для каждого элемента устанавливают идентичный ему дублирующий элемент и объединяют одноименные входы дублирующих друг друга элементов, в качестве дублирующих элементов используют логические элементы, не имеющие памяти, располагают дублирующие друг друга логические элементы на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее, и объединяют одноименные выходы дублирующих друг друга логических элементов, образуя пары дублирующих друг друга элементов, каждая из которых представляет дублированный логический элемент, правильная работа которого обеспечена в случае одиночной неисправности в одном из дублирующих друг друга логических элементов.

Это предотвращает выход из строя обоих дублирующих элементов при воздействии на них одной частицы излучения, так как область повреждения от одной частицы меньше расстояния между элементами, и обеспечивает правильную длительную работу дублированного логического элемента в случае неисправности типа «обрыв» в любом одном из дублирующих элементов.

Этот технический результат достигается в первом варианте предлагаемого способа также благодаря тому, что дублируют соединения между элементами и располагают дублирующие друг друга соединения на расстоянии, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее. Это предотвращает отказ системы в случае разрыва межсоединения попавшей в него частицей. Дублирование межсоединений особенно важно для наноэлектронных систем, в которых соединения между элементами могут иметь очень малое сечение.

В случае большой токовой нагрузки на межсоединение получению этого технического результата в первом варианте предлагаемого способа способствует то, что устанавливают ширину соединений между элементами, такой, чтобы она превышала размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в указанное соединение, на величину, при которой это соединение после повреждения его одной частицей обеспечивает работоспособность микросхемы. Это также важно для наноэлектронных систем в тех случаях, когда дублирование межсоединений невозможно из-за большой токовой нагрузки на них.

Во втором варианте предлагаемого способа постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, построенных на микросхемах, в качестве дублирующих элементов используют компоненты логических элементов, для каждого компонента устанавливают идентичный ему дублирующий компонент, и при применении двухэлектродных компонентов (диодов и резисторов) объединяют их одноименные электроды. Технический результат, а именно повышение отказоустойчивости дискретных электронных систем, достигается во втором варианте предлагаемого способа постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах, построенных на микросхемах, за счет того, что в качестве дублирующих компонентов используют транзисторы, объединяют одноименные электроды дублирующих друг друга транзисторов и располагают дублирующие друг друга компоненты на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее.

Этот технический результат достигается во втором варианте предлагаемого способа также благодаря тому, что дублируют соединения между логическими элементами и их компонентами и располагают дублирующие друг друга соединения на расстоянии, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее. Это предотвращает отказ системы в случае разрыва межсоединения попавшей в него частицей излучения. Дублирование межсоединений особенно важно для наноэлектронных систем, в которых соединения между элементами могут иметь очень малое сечение.

В случае большой токовой нагрузки на межсоединение получению этого технического результата во втором варианте предлагаемого способа способствует то, что устанавливают ширину соединений между компонентами логических элементов, такой, чтобы она превышала размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в указанное соединение, на величину, при которой это соединение после повреждения его одной частицей излучения обеспечивает работоспособность микросхемы. Это также важно для наноэлектронных систем в тех случаях, когда дублирование межсоединений невозможно из-за большой токовой нагрузки на них.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана структурная схема дублирования логического элемента «И-НЕ» без дублирования соединений между дублирующими элементами.

На фиг.2 показан пример принципиальной электрической схемы дублируемого логического элемента «И-НЕ», выполненного на биполярном транзисторе с диодной логикой.

Н фиг.3 показан пример структурной схемы дублирования логического элемента «И-НЕ» с дублированием соединений между дублирующими элементами.

На фиг.4 показан пример принципиальной схемы параллельного дублирования полевого транзистора.

Осуществление изобретения

Первый вариант предлагаемого способа постоянного поэлементного дублирования в дискретных электронных системах заключается в следующем (фиг.1).

Для каждого элемента 1 устанавливают идентичный ему дублирующий элемент 2, объединяют одноименные входы дублирующих друг друга элементов 1 и 2, в качестве дублирующих элементов 1 и 2 используют логические элементы, не имеющие памяти, объединяют одноименные выходы дублирующих друг друга логических элементов и располагают дублирующие друг друга логические элементы 1 и 2 на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения электронной системы от одной частицы излучения, попадающей в нее.

При этом предлагаемый способ не накладывает ограничений на взаимное расположение соседних пар дублирующих друга логических элементов. Соседние пары логических элементов можно располагать на любом необходимом из конструктивных соображений расстоянии между ними, в том числе на расстоянии, которое меньше размера области повреждения от одной частицы. Кроме того, соседние пары дублирующих друг друга элементов можно располагать в пространстве так, чтобы они в каком-то направлении «перекрывали» друга друга. Если одна частица излучения попадет сразу в две соседние пары дублирующих друг друга логических элементов и выведет из строя по одному элементу в этих парах, то обе эти пары останутся работоспособными.

Каждая пара дублирующих друг друга логических элементов 1 и 2 образует дублированный логический элемент 3, выполняющий ту же логическую функцию, что и составляющие его логические элементы 1 и 2. Правильная работа этого дублированного логического элемента 3 обеспечена в случае одиночной неисправности в одном из дублирующих друг друга логических элементов.

На фиг.1 элементы 1 и 2 выполняют функцию «И-НЕ». Покажем, что можно построить логические элементы 1 и 2, подходящие для использования в схеме дублирования, показанной на фиг.1, на основе некоторого изменения известных принципиальных схем логических элементов. Поскольку существует огромное число схем логических элементов, зависящих от типов транзисторов, принципов организации логики и функций логических элементов, приведем только один пример такой принципиальной схемы на биполярных транзисторах с диодно-транзисторной логикой (фиг.2). При малых размерах логических элементов можно принять, что в них встречаются неисправности только типа обрыва. Поэтому в схеме логического элемента, приведенной в качестве примера на фиг.2, допускается одиночная неисправность только типа обрыва. Эта схема содержит инвертор, построенный на транзисторе Т, коллекторном резисторе R_k и резисторе смещения R_см, и двухвходовую схему «И», построенную на резисторе R_и, дублирующих друг друга диодах Д₁, Д₂ и дублирующих друг друга диодах Д₃, Д₄. Диод Д₅, установленный на выходе инвертора, позволяет объединять выходы дублирующих друг друга логических элементов. Дублирование диодов входной схемы «И» необходимо для того, чтобы при обрыве одного их них под действием частицы на выходе инвертора сохранялся правильный сигнал. Пусть, например, входные сигналы соответствуют х₁=0, х₂=1. Тогда на выходе элемента «И-НЕ» будет сигнал у=1. Если же при этом будут оборваны оба диода Д₁, Д₂, то это будет воспринято схемой как сигнал х₁=1, в результате чего на выходе логического элемента «И-НЕ» появится ложный сигнал у=0. Выход такого логического элемента «И-НЕ» нельзя объединять с выходом исправного дублирующего элемента «И-НЕ». Но поскольку обрыв одновременно двух дублирующих друг друга диодов под действием частицы практически не возможен, то представленная на фиг.2 схема логического элемента «И-НЕ» будет работать верно при обрыве одного из дублирующих диодов. Можно было бы продублировать все резисторы в схеме на фиг.2, но в этом нет необходимости, так как обрыв любого из них приведет к выходу из строя (обрыву) в транзисторе Т. Обрыв в этом транзисторе не будет мешать правильной работе исправного дублирующего элемента «И-НЕ».

Попадание частицы излучения в соединение между элементами может вызвать обрыв этого соединения в наноэлектронных системах. Поэтому в первом варианте предлагаемого способа дублируют соединения между элементами и располагают дублирующие друг друга соединения на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее (фиг.3).

При этом первый вариант предлагаемого способа не накладывает ограничений на взаимное расположение соседних пар дублирующих друга соединений. Соседние пары дублирующих друг друга соединений можно располагать на любом необходимом из конструктивных соображений расстоянии между ними, в том числе на расстоянии, которое меньше размера области повреждения микросхемы от одной частицы. Кроме того, соседние пары дублирующих друг друга соединений можно располагать в пространстве так, чтобы они в каком-то направлении «перекрывали» друга друга. Если одна частица излучения попадет сразу в две соседние пары дублирующих соединений и оборвет по одному соединению в этих парах, то обе эти пары соединений останутся работоспособными.

Однако в тех случаях, когда дублирование соединений между элементами невозможно или нецелесообразно, например, из-за большой токовой нагрузки на соединение, то в первом варианте предлагаемого способа устанавливают ширину соединений между элементами такой, чтобы она превышала размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в указанное соединение, на величину, при которой это соединение после повреждения его одной частицей обеспечивает работоспособность этой электронной системы.

Второй вариант предлагаемого способа заключается в следующем. В нем в качестве дублирующих элементов используют компоненты логических элементов, для каждого компонента устанавливают идентичный ему дублирующий компонент. Основным, а во многих случаях единственным компонентом логических элементов является транзистор. Поэтому в качестве дублирующих компонентов используют транзисторы, объединяют одноименные электроды дублирующих друг друга транзисторов и располагают дублирующие друг друга транзисторы на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее. На фиг.4 показан пример дублирования полевых транзисторов T₁ и Т₂, у которых соединены между собой одноименные электроды - сток, исток, затвор и подложка.

При этом, если в логическом элементе применены также двухэлектродные компоненты (диоды и резисторы), то их также используют в качестве дублирующих элементов, объединяют их одноименные электроды и располагают эти дублирующие друг друга двухэлектродные компоненты на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее.

Второй вариант предлагаемого способа можно применять в тех случаях, когда его первый вариант потребует больше затрат на свою реализацию в связи с необходимостью дублировать логику на входе логического элемента.

При использовании второго варианта предлагаемого способа аналогично его первому варианту дублируют соединения между логическими элементами и их компонентами и располагают дублирующие друг друга соединения на расстоянии между ними, превышающем размер области повреждения микросхемы от одной частицы излучения, попадающей в нее.

При этом второй вариант предлагаемого способа не накладывает ограничений на взаимное расположение соседних пар дублирующих друга компонентов логических элементов и взаимное расположение соседних пар дублирующих друг друга соединений. Соседние пары дублирующих друг друга компонентов логических элементов и соседние пары дублирующих друг друга соединений можно располагать на любом необходимом из конструктивных соображений расстоянии между ними, в том числе на расстоянии, которое меньше размера области повреждения микросхемы от одной частицы. Кроме того, эти соседние пары можно располагать в пространстве так, чтобы они в каком-то направлении «перекрывали» друга друга.

В тех же случаях, когда дублирование соединений невозможно или нецелесообразно, то устанавливают ширину соединений между элементами такой, чтобы она превышала размер области повреждения электронной системы от одной частицы излучения, попадающей в указанное соединение, на величину, при которой это соединение после повреждения его одной частицей обеспечивает работоспособность этой электронной системы.

Первый и второй варианты предлагаемого способа могут быть применены не только для построения электронных систем, в которых крупные узлы не резервируются, но и для построения крупных резервируемых узлов и мажоритарных узлов для их выбора.