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VERWANDTE
ANMELDUNG
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Die
Anmeldung wurde am gleichen Tag wie die Anmeldung mit dem Titel „System
With Response to Cosmic Ray Detection" mit dem gleichen Erfinder (Docket Nummer
42P18584) eingereicht. Mit Ausnahme der Abschnitte „Verwandte
Anmeldung" und „Technisches
Gebiet" haben die
beiden Anmeldungen identische Spezifikationen und Figuren, jedoch unterschiedliche
Ansprüche.
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STAND DER
TECHNIK
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Detektoren für kosmische Strahlen für Chips
mit integriertem Schaltkreis.
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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK:
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Die
normale Hintergrundstrahlungsumgebung auf der Erdoberfläche hat
ionisierende Komponenten, die manchmal die Zuverlässigkeit
von Halbleiterchips mit integriertem Schaltkreis beeinträchtigen,
wie zum Beispiel Speicherchips, die in Computern verwendet werden.
Wenn sich ein eindringendes Teilchen in der Nähe eines P-N-Übergangs
in dem Chip befindet, kann es einen Softfehler oder einen Einzelereignis-Kontrolleverlust
auslösen,
der bewirken kann, daß Signale
die Spannung wechseln und daß Datenbits
daher den Spannungswert wechseln. Überschüssige Elektron-Loch-Paare können daher im
Anschluß an
das eindringende Teilchen erzeugt werden. Ist das Feld in der Nähe des P-N-Übergangs ausreichend
stark, trennt es diese Elektronen und Löcher bevor sie rekombinieren
und fegt die überschüssigen Träger mit
dem entsprechenden Vorzeichen zu einem nahe liegenden Gerätekontakt.
Es kann ein Zufallssignal registriert werden, wenn diese gesammelte
Ladung einen kritischen Schwellenwert überschreitet.
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Kosmische
Teilchen in der Form von Neutronen oder Protonen können zufällig mit
Siliziumkernen in dem Chip zusammenstoßen und einige von ihnen fragmentieren,
was Alphapartikel und andere Sekundärpartikel ergibt, darunter
der zurückspringende Kern.
Diese können
in alle Richtungen mit Energien wegfliegen, die ziemlich hoch sein
können
(obwohl sie natürlich
nicht so hoch sind wie die eintreffende Nukleonenergie). Derart
erzeugte Alphapartikelbahnen können
sich manchmal über
einhundert Mikrometer durch das Silizium erstrecken. Die Bahn eines ionisierenden
Teilchens kann sich über
einen Bruchteil eines Mikrometers bis viele Mikrometer durch das betreffende
Chipvolumen erstrecken und hinter sich Elektron-Loch-Paare mit einer
Rate von einem Paar pro 3,6 eV (Elektronenvolt) an Energieverlust
erzeugen. Eine typische Bahn kann eine Million Paare von Löchern und
Elektronen aufweisen.
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Computerabstürze aufgrund
kosmischer Strahlung sind aufgetreten und man erwartet, daß ihre Häufigkeit
mit der Verringerung der Größe der Chips
der Vorrichtung (zum Beispiel Transistoren) zunimmt. Dieses Problem
wird als eine der Haupteinschränkungen
der Computerzuverlässigkeit
in dem kommenden Jahrzehnt betrachtet.
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Verschiedene
Ansätze
wurden vorgeschlagen, um die Anzahl von Softfehlern aufgrund der Wechselwirkung
kosmischer Strahlung in Chips zu eliminieren oder verringern. Keiner
dieser Ansätze
ist völlig
erfolgreich, insbesondere weil die Größe der Vorrichtungen weiterhin
sinkt.
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Ein
weiterer Ansatz besteht darin zu akzeptieren, daß einige Softfehler auftreten,
und die Speicher- und logische Schaltungen zu konzipieren, so daß sie in
allen Berechnungen Redundanz enthalten. Dieser Ansatz bedingt mehr
Gatter und ausreichend räumliche
Trennung zwischen beitragenden redundanten Elementen, um gegenseitige
Softfehler aufgrund des gleichen kosmischen Strahls zu vermeiden.
Dieser Ansatz ist für
viele Chips nicht praktisch.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindungen werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und aus
den begleitenden Zeichnungen von Ausführungsformen der Erfindung
noch besser verstanden werden, die jedoch nicht als die Erfindungen
auf die spezifischen beschriebenen Ausführungs formen einschränkend ausgelegt
werden sollen, sondern allein zur Erklärung und zum Verstehen dienen.
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1 ist
eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines Systems, das
einen Chip hat, der eine Schaltung und einen Detektor für kosmische Strahlen
gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen aufweist.
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2 und 3 sind
jeweils eine schematische Blockschaltbilddarstellung der Schaltungen
in dem Chip der 1 gemäß einigen Ausführungsformen
der Erfindungen.
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4 und 5 sind
jeweils eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines Chips
gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen.
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6 ist
ein System mit zwei Chips gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen.
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7 und 8 sind
jeweils eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines Chips
gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen.
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9 und 10 sind
jeweils eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines Systems,
das einen Chip und drei Detektoren für kosmische Strahlen gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen aufweist.
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11 ist
eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines Systems, das
Chips und einen Detektor für
kosmische Strahlen gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen aufweist.
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12 ist
eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines Systems, das
einen Chip und drei Detektoren für
kosmische Strahlen gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen aufweist.
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13 und 14 sind
jeweils eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer Seitenquerschnittansicht
eines Chips, der zwei Detektoren für kosmische Strahlen gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen aufweist.
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15 ist
eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer Seitenquerschnittansicht
eines Chips und einer Montage mit zwei Detektoren für kosmische
Strahlen gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen.
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16, 17 und 18 sind jeweils schematische Blockschaltbilddarstellungen
einer Seitenquerschnittansicht eines Chips, der einen Detektor für kosmische
Strahlen gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen aufweist.
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19 ist eine schematische Blockschaltbilddarstellung
einer Seitenquerschnittansicht eines Chips und einer Montage mit
einem Detektor für
kosmische Strahlen gemäß einigen
Ausführungsformen der
Erfindungen.
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20 ist eine schematische Blockschaltbilddarstellung
eines Detektors für
kosmische Strahlen, von Strommeßschaltungen
und eines Verstärkers
gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen.
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21 ist eine schematische Blockschaltbilddarstellung
einer Seitenquerschnittansicht eines Chips mit einem Detektor für kosmische
Strahlen gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen.
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22 und 23 sind
jeweils eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines Chips
verbunden mit Detektoren für
kosmische Strahlen gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen.
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24 und 25 sind
jeweils eine schematische Blockschaltbilddarstellung von Schaltkreisen, die
gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindungen verwendet werden können.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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A. Beispiele für Chips
und Systeme
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Unter
Bezugnahme auf 1 weist ein Chip 20 Schaltungen 24 auf,
die Eingangssignale auf Leitern 22 empfangen und Ausgangssignale
auf Ausgangsleitern 28 ausgeben. Die Schaltungen 24 können eine
große
Vielzahl von Schaltkreisen aufweisen und eine große Vielzahl
von Funktionen ausführen. Ein
Detektor für
kosmische Strahlen 26 erfaßt zumindest bestimmte kosmische
Strahlen, die in den Chip 20 eintreten. Der Detektor für kosmische
Strahlen 26 stellt den Schaltungen 24 einen Hinweis
auf das Erfassen eines kosmischen Strahls bereit. Das Signal des
Erfassens eines kosmischen Strahls kann auf verschiedene Arten angegeben
werden. Zum Beispiel kann ein Signal des Erfassens eines kosmischen
Strahls eine logische Hochspannung auf einem Leiter von dem Detektor
für kosmische
Strahlen 26 zu den Schaltungen 24 sein, während eine
logische Niederspannung auf dem gleichen Leiter kein Erfassen kosmischer
Strahlen anzeigt, obwohl das nicht unbedingt erforderlich ist. Es
kann zusätzliche Schaltungen,
die in 1 nicht gezeigt sind, zwischen dem Detektor 26 für kosmische
Strahlen und den Schaltungen 24 geben. Das Signal des Erfassens
des kosmischen Strahls kann daher seine Form, seinen Zustand oder
eine andere Charakteristik zwischen dem Detektor 26 für kosmische
Strahlen und den Schaltungen 24 ändern. Wie hier verwendet, bedeutet „kosmischer
Strahl" allgemein
verschiedene kosmische Strahlen oder Teilchen, die die Spannung
von Signalen in einem Chip ändern
können.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
erfaßt der
Detektor 26 für
kosmische Strahlen indirekt einen kosmischen Strahl durch Erfassen
des Effekts einer Wechselwirkung des kosmischen Strahls mit dem Chip
oder der Chipmontage, erfaßt
jedoch nicht direkt den kosmischen Strahl selbst. Bei anderen Ausführungsformen
erfaßt
der Detektor 26 für
kosmische Strahlen den kosmischen Strahl direkt. Bei bestimmten
Ausführungsformen
kann der Detektor 26 für
kosmische Strahlen einen kosmischen Strahl sowohl direkt als auch
indirekt erfassen. Es wird erwartet, daß bestimmte kosmische Strahlen
einen Softfehler verursachen, während
andere erfaßte
kosmische Strahlen keinen Softfehler verursachen. Der Detektor 26 für kosmische
Strahlen weiß daher
nicht, ob der kosmische Strahl tatsächlich einen Softfehler verursacht. Es
ist auch möglich,
daß bestimmte
Detektoren für kosmische
Strahlen manchmal irrtümlich
einen kosmischen Strahl identifizieren und ein Signal des Erfassens
eines kosmischen Strahls als Reaktion auf die irrtümliche Identität erzeugen.
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Je
nach der Ausführungsform
gibt es verschiedene Arten für
das Reagieren der Schaltungen 24 auf den Empfang eines
Signals des Erfassens eines kosmischen Strahls. Bei bestimmten Ausführungsformen
stoppen die Schaltungen 24 zum Beispiel vorübergehend
das Senden der Ausgangssignale zu den Leitern 28. Einige
oder alle der internen Signale der Schaltungen 24 werden
verworfen und zumindest bestimmte Eingangssignale wiederum werden
von den Schaltungen 24 verarbeitet. Wie unten erklärt, werden
bei bestimmten Ausführungsformen
bestimmte interne Signale gespeichert und wieder verwendet anstatt
verworfen zu werden. Nach dem Neuverarbeiten der Eingangssignale
werden die resultierenden Ausgangssignale den Leitern 28 bereitgestellt.
Ausgangsignale können
vorübergehend gestoppt
werden, indem ein Taktgebersignal daran gehindert wird, das Ausgangssignal
zu takten. Bei bestimmten Ausführungsformen
werden die Leiter 28 vorübergehend auf einen Zustand
mit hoher Impedanz gestellt (auch Dreizustandsstatus genannt), obwohl
das nicht unbedingt erforderlich ist.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
starten die Schaltungen 24 beim Erfassen eines kosmischen Strahls
wieder in einem früheren
Zustand. Das ist eine neue Variante der spekulativen Ausführung, bei der
die Spekulation darin besteht, daß keine Softfehler auftreten
werden. Ein Bitwert oder Bits können
ein Ereignis eines kosmischen Strahls in der Nähe einer logischen Verarbeitungseinheit
während
einer Operation des Chips aufzeichnen. Für viele Operationen reicht
es, die Tatsache aufzuzeichnen, daß ein Signal oder mehrere Signale
(potentiell) einem Fehler unterlagen, sogar nachdem die Operation
beendet ist und die Ergebnisse von einer anderen logischen Einheit verwendet
werden.
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2 stellt
ein Beispiel der Schaltungen 24 der 1 bereit,
obwohl die Schaltungen 24 nicht erforderlich sind, um diese
Details zu enthalten. In dem Beispiel der 2 weisen
die Schaltungen 24 Unterschaltungen SC1, SC2 und SC3 auf.
Die Unterschaltungen können
jede beliebige Schaltung von einer sehr einfachen Schaltung bis
zu einer sehr umfangreichen Schaltung mit mehreren Millionen Transistoren
sein. Die Unterschaltung SC1 empfängt Eingangssignale und führt eine
Operation an ihnen aus, um interne Signale IS1 zu erzeugen. Die
Unterschaltung SC2 empfängt
die internen Signale IS1 und schafft als Reaktion darauf interne
Signale IS2. Die Unterschaltung SC3 ist eine Ausgangsschaltung,
die interne Signale IS2 empfängt
und sie selektiv als Ausgangssignale für Leiter 28 bereitstellt.
Die Unterschaltung SC3 wird selektiv am Ausgeben der Ausgangssignale
durch ein Ausgangssteuersignal von der Logik 32 gehindert
(zum Beispiel durch Verhindern eines Taktgebersignals am Takten
des Ausgangssignals). Die Unterschaltung Sc3 kann ein einfaches
logisches Gatter oder komplizierter sein. Die Unterschaltungen können Eingangs-
und Ausgangssignale zusätzlich
zu den gezeigten empfangen.
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Beim
Betrieb ist es gewöhnlich
der Fall, daß der
Detektor 26 für
kosmische Strahlen keine kosmischen Strahlen erfaßt, und
daß das
Signal für
das Erfassen kosmischer Strahlen nicht an die Logik 32 der Schaltungen 24 angelegt
wird. Wenn das Signal für das
Erfassen kosmischer Strahlen nicht empfangen wird, bewirkt die Logik 32 nicht,
daß die
Unterschaltung SC3 Signale IS2 daran hindert, aufgrund eines erfaßten kosmischen
Strahls zu den Ausgangsleitern 28 zu gehen (obwohl es einen
anderen Grund geben kann, warum die Logik 32 Ausgangssignale
verhindert). Andererseits bewirkt die Logik 32 beim Empfangen
des Signals für
das Erfassen kosmischer Strahlung, daß das Ausgangssteuersignal
vorübergehend
bewirkt, daß die
Unterschaltung SC3 keine internen Signale IS2 durchläßt. Bei
bestimmten Ausführungsformen
wird die Unterschalung SC3 nicht wieder aktiviert, bis IS2 für das Ausgeben
geeignet ist.
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In 2 können interne
Signale in Unterschaltungen SC1 und SC2 allein dadurch verworfen werden,
daß sie
geändert
werden, wenn neue Eingänge
angelegt werden. Alternativ und wie in 3 gezeigt,
kann die Logik 32 Verwerfsignale an SC1 und SC2 bereitstellen,
um zu bewirken, daß interne Signale
verworfen werden.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
kann die Logik 32 auch bewirken, daß zumindest bestimmte der Eingangssignale
an die Schaltungen 24 oder an bestimmte der Unterschaltungen
neu angelegt werden. Das kann bewirken, daß die Schaltungen 24 auf
einem vorhergehenden Zustand der Signale arbeiten.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
werden die Eingangssignale im zeitweiligen Speicher gespeichert
und wieder an die Schaltungen 24 aus dem zeitweiligen Speicher
angelegt, obwohl eine solche zeitweilige Speicherung nicht in allen
Ausführungsformen
enthalten ist. Bei bestimmten Ausführungsformen werden bestimmte
interne Signale auch für den
Wiedergebrauch im vorübergehenden
Speicher gespeichert. Bei diesen Ausführungsformen kann die Kombination
bestimmter Eingangssignale und interner Signale den früheren Zustand
bilden. Beispielhaft kann die Logik 32 die Schaltungen 24 anweisen,
aus dem zeitweiligen Speicher zu lesen.
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4 zeigt
einen Chip 40 mit zeitweiligem Speicher 48 als
Teil der Schaltungen 24. Der zeitweilige Speicher 48 kann
Register, SRAM, DRAM, Flash oder andere Speichertypen enthalten. 5 zeigt
einen Chip 50, bei dem der zeitweilige Speicher 48 von den
Schaltungen 24 weiter entfernt aber noch immer auf dem
gleichen Chip wie die Schaltungen 24 ist. Ein Vorteil des
weiteren Entfernens des zeitweiligen Speichers von den Schaltungen 24 besteht
darin, daß beim
Auftreffen eines kosmischen Strahls auf die Schaltungen 24 die
Wahrscheinlichkeit kleiner ist, daß auch der zeitweilige Speicher 48 betroffen
ist, wenn der zeitweilige Speicher 48 räumlich von den Schaltungen 24 getrennt
ist. 6 veranschaulicht Chips 60, die Schaltungen 24 aufweisen,
und einen anderen Chip 66, der den zeitweiligen Speicher 48 enthält. Es kann
zwischen dem zeitweiligen Speicher 48 und den Schaltungen 24 zusätzliche
Schaltungen geben, die in 6 nicht
gezeigt sind.
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Beispielhaft
veranschaulicht 7 einen Chip 80, der
Schaltungen 24 enthält,
die Daten und Anweisungen von einem Cache 82 empfangen.
Der Cache 82 kann vielfache Cache-Speicher darstellen. Wie
in 7 gezeigt, weisen die Schaltungen 24 Abrufschaltungen 86,
eine Pipeline 88 und Logik 92 auf, obwohl diese
Elemente nicht bei allen Ausführungsformen
erforderlich sind. Beim normalen Betrieb holen die Abrufschaltungen 86 Anweisungen
vom Cache 82. Die Pipeline 88 führt zumindest
einige der abgerufenen Anweisungen aus. Daten von dem Cache 82 können der
Pipeline 88 direkt oder über die Abrufschaltungen 86 bereitgestellt
werden. Wenn ein kosmischer Strahl erfaßt wird, empfängt die
Logik 92, die gleich oder ähnlich wie die Logik 32 in 2 sein kann,
das Signal des Erfassens eines kosmischen Strahls. In dem Beispiel
der 7 bewirkt die Logik 92, daß ein Teil
oder die ganze Pipeline 88 entleert wird und vorübergehend
das Ausgeben von Daten zu den Leitern 28 verhindert. Die
Logik 92 bewirkt, daß die
Abrufschaltungen 86 die Anweisungen für die Pipeline 88 neu
abrufen. Die Pipeline 88 kann auch Daten vom Cache 82 nach
Bedarf holen. Wenn ein Fehler in einige der Daten oder Anweisungen
in der Pipeline 88 aufgrund des kosmischen Strahls eingeleitet
wird, können
die Anweisungen daher gemeinsam mit den Daten wieder ausgeführt werden.
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8 ist ähnlich wie 7 mit
der Ausnahme, daß der
Chip 96 in der 8 einen zeitweiligen Speicher 48 aufweist,
der Daten enthält,
die von der Pipeline 88 beim Erfassen eines kosmischen
Strahls zu verwenden sind. Während
die Pipeline 88 Anweisungen und Daten verarbeitet, kann
sie interne Daten erzeugen, die in einem zeitweiligen Speicher 48 gespeichert
werden, und, bei bestimmten Ausführungsformen,
auch im Cache 82. Wenn ein Signal für das Erfassen eines kosmischen
Strahls von der Logik 92 erfaßt wird, bewirkt die Logik 92,
daß die
Pipeline 88 zumindest bestimmte der Daten nach Bedarf aus dem
zeitweiligen Speicher 48 holt. Bei bestimmten Ausführungsformen
können
bestimmte Daten von dem Cache 82 auch in dem zeitweiligen
Speicher 48 gespeichert werden. Bei bestimmten Ausführungsformen
enthält
der zeitweilige Speicher 48 zumindest bestimmte Anweisungen
und Daten des Caches 82. Fehlererfassungstechniken können verwendet
werden, um zu sehen, ob Daten Fehler enthalten, das ist aber nicht
unbedingt erforderlich.
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Natürlich kann
jeder der gezeigten oder beschriebenen Chips verschiedene Speicher
haben, die in den Figuren nicht veranschaulicht sind und die vorübergehend
verschiedene Daten speichern, die eventuell beim Wiederausführen als
Reaktion auf das Erfassen eines kosmischen Strahls nicht verwendet
werden. Bestimmte Speicher können
bestimmte Signale enthalten, die beim Wiederausführen verwendet werden, und
andere Signale, die beim Wiederausführen nicht verwendet werden.
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9 veranschaulicht
einen Chip 100, der Schaltungen C1, Schaltungen C2 und
Schaltungen C3 mit dazugehörenden
zeitweiligen Speichern TS1, TS2 und TS3 aufweist. Die Schaltungen
C1 stellen Ausgangssignale Out1 bereit. Die Schaltungen C2 und C3
haben Eingangssignale, die jeweils Out1 und Out2 sind, und Ausgangssignale
Out2 und Out3. Die Schaltungen können
auch andere Eingangssignale haben (siehe zum Beispiel die beim Eingeben
in die Schaltungen C2 gezeigten) und andere Ausgangssignale (nicht
gezeigt). Eine Logik ähnlich
der Logik 32 oder 82 kann enthalten sein. Die
Detektoren für
kosmische Strahlen CRD1, CRD2 und CRD3 liegen an bestimmten Stellen.
Bei bestimmten Ausführungsformen
liegt CRD1 den Schaltungen C1 am nächsten, CRD2 den Schaltungen
C2 und CRD3 den Schaltungen C3.
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In 10 ist
der Chip 110 dem Chip 100 der 9 ähnlich.
Ein Unterschied zwischen dem Chip 100 und dem Chip 110 besteht
darin, daß die
zeitweiligen Speicher TS1, TS2 und TS3 im Chip 110 in der Speicherstruktur 116 kombiniert
sind. In 9 sind TS1, TS2 und TS3 hingegen
räumlich
getrennt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß in dem
Chip 110 CRD1, CRD2 und CRD3 ein Signal des Erfassens eines
kosmischen Strahls an jede der Schaltungen C1, C2 und C3 bereitstellen.
Ein Grund dafür
ist, daß bestimmte
Detektoren für
kosmische Strahlen einen kosmischen Strahl an jeder Stelle in dem
Chip oder aus einem ziemlich großen Volumen des Chips erfassen.
Mehr als ein Detektor kann daher einen bestimmten kosmischen Strahl
erfassen. Es ist eventuell nicht klar, welcher Detektor für kosmi sche
Strahlen der Wechselwirkung des kosmischen Strahls am nächsten liegt.
In diesem Fall kann es am sichersten sein, daß alle Schaltungen über das
Ereignis in Kenntnis gesetzt werden. Wenn die Detektoren für kosmische
Strahlen Wechselwirkungen erfassen, die sich nur an den Detektoren
oder sehr nahe an den Detektoren befinden, kann es günstig sein,
daß jeder Detektor
CRD1, CRD2 und CRD3 ein Signal des Erfassens eines kosmischen Strahls
nur an eine der Schaltungen bereitstellt. Kompliziertere Schaltungen können verwendet
werden, um mit mehr Präzision
zu bestimmen, wo die Wechselwirkung mit dem kosmischen Strahl auftritt.
Bestimmte Triangulations- oder Timingschaltungen könnten verwendet
werden, sind jedoch nicht unbedingt erforderlich. In 9 werden die
Signale des Erfassens eines kosmischen Strahls an alle stromaufwärtigen Schaltungen
bereitgestellt. In 12 werden die Signale des Erfassens
eines kosmischen Strahls nur an jeweils eine Schaltung angelegt.
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Allein
beispielhaft kann der Cache 82 in 8 in 10 C1
mit dem zeitweiligen Speicher 48 im Speicher 116 enthalten
sein. 8 könnte
für den Cache 82 und
die Pipeline 88 unterschiedliche zeitweilige Speicher haben,
wie in 9 gezeigt.
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11 veranschaulicht
Chips 120 und 128. Die Schaltungen 24 stellen
ein Ausgangssignal für die
Schaltungen 134 des Chips 128 bereit. Zusätzlich stellen
die Schaltungen 24 selektiv das Signal für ein Ereignis
eines kosmischen Strahls an die Reaktionsschaltungen für kosmische
Strahlen 130 des Chips 128 bereit. Das Signal
für das
Ereignis eines kosmischen Strahls zeigt an, daß ein kosmischer Strahl erfaßt wurde,
und daß er
eventuell zu einem potentiellen Fehler in dem Ausgangssignal von
den Schaltungen 24 geführt
hat. Die Antwortschaltungen für
kosmische Strahlen 130 entscheiden, was hinsichtlich des
potentiellen Fehlers in dem Ausgangssignal des Chips 120 zu
tun ist. Bei bestimmten Ausführungsformen
bewirkt die Antwortschaltung auf kosmische Strahlung 130 zum
Beispiel, daß die
Schaltungen 134 die Eingangssignale ignorieren und auf
ein neues (neu verarbeitetes) Ausgangssignal von dem Chip 120 warten.
Die Schaltungen 130 können
den Chip 120 anweisen, ein anderes Ausgangssignal neu zu verarbeiten
und zu senden. Bei anderen Ausführungsformen
können
die Antwortschaltungen 130 für kosmische Strahlen es den
Schaltungen 134 erlauben, die Eingangssignale zu akzeptieren,
wenn verschiedene Tests an den Eingangssignalen erfolgreich sind,
und sie anderenfalls zu ignorieren und auf neue Eingangssignale
zu warten.
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Unter
Bezugnahme auf 24 können die Antwortschaltkreise
für kosmische
Strahlen 130 in 11 Fehlererfassungs-
und Korrekturschaltungen 302 enthalten, um Fehler in den
Aus gangssignalen zu erfassen und sie zu korrigieren. Die Fehler
können Softfehler
oder andere Fehler sein, die durch Softfehler verursacht werden.
Wenn kein Signal für
das Auftreten eines kosmischen Strahls vorhanden ist (oder wenn
es nicht bestätigt
wird), können
die Eingangssignale (die von dem Chip 120 ausgegeben werden) durch
die Schaltungen 134 durchgehen. Besteht ein Signal für das Auftreten
eines kosmischen Strahls, können
eventuell Fehler erfaßt
und eventuell korrigiert werden. Unter Bezugnahme auf 25 können die
Schaltungen 24 und (die Schaltungen) Fehlererfassungs-
und Korrekturschaltungen 306 aufweisen. In dieser Hinsicht
kann statt des Wiederverarbeitens von Signalen die Antwort das Erfassen
und Korrigieren von Fehlern sein. Natürlich kann in vielen Fällen das
Erfassen und/oder Korrigieren des Fehlers nicht möglich sein,
und das Neuverarbeiten ist die passende Lösung für das Erfassen eines kosmischen Strahls.
Daher haben die Schaltungen 24 und 130 in bestimmten
Ausführungsformen
keine Fehlererfassungs- oder Fehlerkorrekturschaltungen.
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Es
kann zwischen den Schaltungen 24 und 134 zusätzliche
Schaltungen (nicht gezeigt) geben und zusätzliche Schaltungen (nicht
gezeigt) zwischen den Schaltungen 24 und Antwortschaltungen für kosmische
Strahlen 130. Daher können
das Ausgangssignal und das Signal für das Auftreten eines kosmischen
Strahls die Form, den Zustand oder andere Merkmale ändern. Ferner
können
die Ausgangssignale und Signale für das Auftreten kosmischer
Strahlen auf den gleichen Leitern in paralleler oder serieller Form
zeitgemultiplext oder in Pakete zerlegt werden.
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12 zeigt
Details eines Chips 140 gemäß bestimmten Ausführungsformen
der Erfindung, aber andere Ausführungsformen
enthalten diese Details nicht. Unter Bezugnahme auf 12 ist
der Chip 140 ähnlich
dem Chip 100 der 9. Der Schaltkreis
C3 stellt jedoch selektiv ein Signal für das Auftreten eines kosmischen
Strahls auf dem/den Leiter(n) 148 bereit. Das Signal für das Auftreten
eines kosmischen Strahls zeigt an, daß ein kosmischer Strahl in Zusammenhang
mit dem Chip 140 erfaßt
wurde. Der Chip 140 weist auch einen oder mehrere Leiter 144 auf,
die ein Signal für
das Auftreten eines kosmischen Strahls von dem Schaltkreis C1 zu
dem Schaltkreis C2 bereitstellen und einen oder mehrere Leiter 146,
die ein Signal für
das Auftreten eines kosmischen Strahls von dem Schaltkreis C2 zu
dem Schaltkreis C3 bereitstellen. Bei bestimmten Ausführungsformen
kommt das Signal für
das Auftreten eines kosmischen Strahls auf dem/den Leiter(n) 144 direkt
von dem/dem Leiter(n) 150, und bei anderen Ausführungsformen
ist es indirekt. Bei bestimmten Ausführungsformen kommt das Signal
für das
Auftreten eines kosmischen Strahls auf dem/den Leiter(n) 146 direkt
von dem/den Lei ter(n) 144 oder 152, und bei anderen
Ausführungsformen
ist es indirekt. Bei bestimmten Ausführungsformen kommt das Signal für das Auftreten
eines kosmischen Strahls auf dem/den Leiter(n) 148 direkt
von dem/den Leiter(n) 146 oder 154 und bei anderen
Ausführungsformen
ist es indirekt.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
können
die Detektoren für
kosmische Strahlen in verschiedenen Positionen angeordnet werden. 13 veranschaulicht
zum Beispiel einen Chip mit einer aktiven Siliziumregion 170 auf
einem Substrat 172 (das ebenfalls aus Silizium sein kann).
Die Detektoren für kosmischen
Strahlen CRD1 und CRD2 sind in der aktiven Region des Siliziums
ausgebildet. In 14 sind die Detektoren für kosmische
Strahlen CRD1 und CRD2 in einem Substrat 182 ausgebildet,
das eine aktive Siliziumregion 180 trägt. In 15 sind die
Detektoren für
kosmische Strahlen CRD1 und CRD2 in einer Montage 196 ausgebildet,
die das Substrat 192 trägt,
auf dem eine aktive Siliziumregion 180 ausgebildet ist.
Die Erfindungen sind nicht auf diese Details beschränkt. Die
Chips der 13 bis 19 und 21 können
geflipped werden (zum Beispiel in einer „Flipped Chip-Anordnung"). In 15 können die
CDR1 und CDR2 auf jede Seite des aktiven Siliziums 180 gegeben
werden. Das heißt,
daß 15 geändert werden
könnte,
so daß CRD1
und CRD2 über
dem aktiven Silizium 204 sind statt darunter zu sein, wie
in 15 gezeigt (wobei „über" und „unter" nicht notwendigerweise Gravitationsrichtungen
sind).
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
gibt es nur einen Detektor für
kosmische Strahlen für
einen Chip, und bei anderen Ausführungsformen
kann mehr als ein Detektor bestehen, darunter auch viele Detektoren.
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Die
Detektoren für
kosmische Strahlen können
größer oder
kleiner als die sein, die in den Figuren unter Bezugnahme auf die
relative Größe des Chips
gezeigt sind. Alle Figuren sind nämlich schematisch und sollen
keine tatsächlichen
oder relativen Größen der
Bauteile in den Figuren darstellen.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
haben die Detektoren für
kosmische Strahlen verschiedene Ausrichtungen in Bezug auf die Ober-
und Unterseitenfläche
des Chips. Die Detektoren für
kosmische Strahlen können
parallel oder senkrecht zu der Oberseiten- und Unterseitenfläche sein,
oder sie können
andere Winkel zu diesen einnehmen.
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Die
hier beschriebenen Chips können
auf Siliziumsubstraten hergestellt werden oder andere Chiparten
sein, wie zum Beispiel Galliumarsenidchips. Prozessoren verschiedener
Herstellungstypen können
verwendet werden. Da sich die Herstellungstechniken weiter entwickeln,
können
die Chips andere als die dargestellten Eigenschaften haben, die Konzepte
der Erfindungen gelten jedoch trotzdem.
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B. Detektoren für kosmische
Strahlen
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Verschiedene
Typen von Detektoren für
kosmische Strahlen können
verwendet werden, darunter auch die, die derzeit erhältlich sind,
und die, die noch zu machen sind. Die derzeitigen integrierten Schaltkreischips
haben eine obere Schicht aus Silizium, die die aktiven Elemente
enthält
und vielleicht nur ein Mikrometer Stärke aufweist. Während wir
weiter in die Nanotechnologie vorstoßen, werden die Arbeitsstärken wahrscheinlich
sinken. Ein kosmischer Strahl, der oft Softfehler verursacht, kann
zum Spalten eines Siliziumkerns führen und eine Reihe ionisierender Trümmer über eine
Bahn mit einer Länge
in der Größenordnung
von 100 Mikrometer schaffen. Die nächste Energie, die freigegeben
wird, kann mehrere Millionen Elektronvolt betragen, und die Endprodukte können mehrere
Millionen Elektron-Loch-Paare mit einer typischen Energie von mehreren
Elektronvolt für
jedes Teilchen sein. Verschiedene Typen von Detektoren für kosmische
Strahlen können
diese Elektron-Loch-Paare erfassen.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
kann ein Detektor für
kosmische Strahlung elektrische, optische, mechanische oder akustische
Bauteile oder eine Kombination von einem oder mehreren elektrischen,
optischen, mechanischen oder akustischen Bauteilen enthalten. Bei
bestimmten Ausführungsformen
können
die Detektoren für
kosmische Strahlen Bauteile enthalten, die keine elektrischen, optischen, mechanischen
oder akustischen Bauteile sind.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
erfaßt der
Detektor für
kosmische Strahlen die Trümmerbahn
eines kosmischen Strahls. Bei bestimmten Ausführungsfomen weist der Detektor
für kosmische Strahlen
große
verteilte P-N-Übergänge auf,
um Ladung zu sammeln. Bei bestimmten Ausführungsformen weist der Detektor
für kosmische
Strahlen optische Detektoren für
kosmische Strahlen auf, die in irgendeinen optisch durchsichtigen
Tragisolator eingebettet sind, wie zum Beispiel Diamant-Wärmeausbreiter.
Eine Million Elektron-Loch-Paare kann zum Beispiel eine große Anzahl
von Rekombinationsphotonen bilden. Bei bestimmten Ausführungsformen können eine
Szintillatortafel (die kleine Lichtblitze (Photonen) abgibt, wenn ein
Ladungsteilchen durch sie durchgeht), ein Lichtquellenleiter zum
Lenken des Lichts von dem Szintillator und Photondetektoren verwendet
werden.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
können die
Detektoren für
kosmische Strahlen eine Anordnung mikroelektromechanischer Systeme
(MEMS) enthalten. MEMS-Detektoren für kosmische Strahlen können eine
Integration mechanischer Elemente, Sensoren, Stellglieder und Elektronikelemente
in einem sehr kleinen Maßstab
sein. Die Detektoren für kosmische
Strahlen können
Spitzen oder andere Belastungsdetektoren enthalten, um die Stoßwelle von der
nuklearen Kollision mittels akustischer Wellen, die sich durch das
Substrat ausbreiten, zu erfassen.
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Es
ist klar, daß beim
Fragmentieren eines Siliziumkerns durch einen kosmischen Strahl
etwa 10 MeV (Megaelektronvolt) oder 1 pJ (Picojoule) Energie in
weniger als einer Nanosekunde freigegeben wird. Nach dem Rekombinieren
der Elektronen und Löcher
erscheint die Nettoenergie des kosmischen Strahls in der Form lokaler
Hitze oder einer Wolke von Phononen, die sich von der Aufprallstelle
ausgehend ausbreiten. Unter der Annahme, daß die Rekombination innerhalb
etwa einer Nanosekunde auftritt und angesichts der Geschwindigkeit
von Phononen in einem Gitter von etwa 10 km/s (Kilometer/Sekunde),
sieht man, daß sich
der kosmische Strahl in eine intensive Schallwelle mit einer Wellenfront
verwandelt hat, die in der Größenordnung
von 0,01 mm (Millimeter) Stärke
liegen kann. In einer Entfernung von 5 mm von der Quelle des Schalls,
kann diese Wellenform eine akustische Spitzenleistungsdichte von
0,3 mW/cm-2 (Milliwatt/Quadratzentimeter)
erzeugen. Über
eine Öffnung
einer Wellenlänge
im Quadrat kann eine Spitzenleistung von 0,3 nW (Nanowatt) empfangen
werden. Für
die Gigahertzbandbreite dieses Signals (1/ns) (Nanosekunde) kann
das thermische Rauschen etwa 10-11 Watt
betragen. Es kann daher für
diese Wellenform einen sehr großen Rauschabstand
geben. Es kann andere Rauschquellen aufgrund von Schaltkreisumschaltungen
geben, aber die Signatur dieser Form von Hitze sollte sehr unterschiedlich
sein. Zu beachten ist, daß die
Anzahlen in bestimmten Beispielen variieren können.
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Durch
Einbauen eines sehr empfindlichen Belastungsdetektors für kosmische
Strahlen in einen Cantilever ist es möglich, akustische Hochgeschwindigkeitsdetektoren
für kosmische
Strahlen zu bilden. Eine Möglichkeit
besteht darin, eine Raster-Tunnel-Mikroskop (RTM)-Struktur in einen
Cantilever einzubauen. RTM-Strukturen können Bewegungen erfassen, die
so klein sind wie 1/10.000-stel eines Atomdurchmessers. Bei bestimmten
Ausführungsformen weist
der Detektor für
kosmische Strahlen einen sehr kleinen Cantilever auf, der auf langsame
akustische Wellen nicht reagiert. Liegt der Cantilever in der Größenordnung
von 0,01 mm Länge,
kann er optimal auf die plötzliche
Wellenform des Auftretens eines kosmischen Strahls reagieren.
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Viel
größere oder
kleinere Cantilever können dazu
tendieren, diese Störungsgröße zu ignorieren. Erstrebenswerte
Cantileverlängen
können
jedoch in Abhängigkeit
von verschiedenen Faktoren variieren. Die Starrheit oder andere
Eigenschaften des Cantilevers können
eine erstrebenswerte Länge
ergeben und können
ausgewählt
werden, um die erstrebenswerte Bewegung auszuführen. Die erste Resonanz- oder
Antwortfrequenz des Cantilevers kann mit den dominanten Frequenzen,
die von einem kosmischen Strahl erwartet werden, übereinstimmen.
(Natürlich enthalten
die Detektoren für
kosmische Strahlen in bestimmten Ausführungsformen keinen Cantilever.)
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
enthalten der oder die Detektoren für kosmische Strahlen eine oder
mehrere MEMS-Strukturen, die auf die erwartete akustische Wellenform
des Auftretens eines kosmischen Strahls abgestimmt sind. RTM-Struktur-Spitzen
können
extrem empfindliche Spannungserfassung von Schallwellen bereitstellen.
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Das
gesamte Ereignis kann seine Energie in weniger als einer Nanosekunde
freigeben. Ein Softfehlerbit oder -bits könnte daher gesetzt werden,
bevor das Berechnen sehr weit fortgeschritten ist. Das oder die
Softfehlerbits können,
wenn sie verwendet werden, in der Logik 32 und Logik 82 sein.
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16 veranschaulicht
einen Chip mit einem Detektor für
kosmische Strahlen 206, der einen Cantilver 212,
eine RTM-Struktur-Spitze 204 und eine geätzte Siliziumspitze 218 aufweist.
Der Feuerball 220 eines kosmischen Strahls stellt eine
Wechselwirkung zwischen einem kosmischen Strahl und Silizium in
dem Substrat 208 in der Nähe aktiven Siliziums 204 dar.
Als Reaktion auf die Wechselwirkung verursacht eine Welle das Ändern der
Entfernung zwischen der RTM-Struktur-Spitze 214 und der
Spitze 218. Diese Änderung
wird erfaßt
und als von einem kosmischen Strahl verursacht ausgelegt. Ein optionaler
Verstärker 216 ist
zwischen dem Detektor für
kosmische Strahlen 206 und dem aktiven Silizium 204 gezeigt.
In der Praxis kann der Verstärker 216 zu dem
Detektor für
kosmische Strahlen 206 oder zu dem ak tiven Silizium 204 gehören oder
dazwischen liegen. Der Verstärker 216 und
der Feuerball 220 des kosmischen Strahls sind in anderen
Figuren nicht gezeigt, um sie nicht zu überladen.
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17 veranschaulicht
einen Chip 222, der gleich ist wie der Chip 202 in 16,
mit der Ausnahme, daß der
Chip in der Ausrichtung umgekehrt ist, so daß sich der Detektor für kosmische
Strahlen 206 in einer Kammer 234 befindet, die
von einem Träger 232 getragen
wird.
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18 veranschaulicht einen Chip 232,
der gleich ist wie der Chip 222 in 17, mit
der Ausnahme, daß die
Kammer 234 näher
an dem aktiven Silizium 204 als in 17 gezeigt
liegt.
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19 veranschaulicht einen Chip 242 und eine
Kammer 234 in einer Montage 246. Der Detektor für kosmische
Strahlen 206 kann auf die andere Seite des aktiven Siliziums
gegeben werden. 19 könnte daher
geändert
werden, so daß sich
der Detektor für
kosmische Strahlen 206 unter dem aktiven Silizium 204 und
nicht über
ihm befindet, wie in 19 gezeigt (wobei „über" und „unter" nicht notwendigerweise
Gravitationsrichtungen sind).
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20 veranschaulicht Strommeßschaltungen 250,
die in bestimmten Ausführungsformen
des Detektors für
kosmische Strahlen 206 enthalten sind, jedoch nicht in
allen Ausführungsformen
erforderlich sind. Die Strommeßschaltungen 250 erfassen Änderungen
in dem Strom zwischen den Spitzen 214 und 218,
die sich mit dem Ändern
der Entfernung zwischen den Spitzen ändern können. Bei bestimmten Ausführungsformen
erfassen die Strommeßschaltungen 250 plötzliche Änderungen
im Strom und stellen für
den Verstärker 260 als
Reaktion darauf ein Signal bereit. Bei anderen Ausführungsformen
erfassen die Strommeßschaltungen,
wenn der Strom bestimmte Schwellenwertmengen über- oder unterschreitet. Andere
Möglichkeiten
existieren.
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21 veranschaulicht einen Chip 262 mit einem
Detektor für
kosmische Strahlen 270 mit einem Cantilever 274 und
einem Belastungsmeßgerät 272.
Als Reaktion auf das Auftreten einer Wechselwirkung aufgrund eines
kosmischen Strahls biegt sich das Belastungsmeßgerät 272. Die Biegeerfassungsschaltungen 278 bestimmen,
ob ein Biegen des Belastungsmeßgeräts 272 zu
dem Typ gehört, der
durch das Auftreten einer Wechselwirkung aufgrund eines kosmischen
Strahls verursacht wird. Es kann dabei auch einen Verstärker geben.
Obwohl die Biegeerfassungsschaltungen 278 in dem Substrat 266 veranschaulicht
sind, können
sie sich in der Nähe
des Cantilevers befinden, im aktiven Silizium 204 oder
in dem Substrat 266. Der Detektor für kosmische Strahlen 270 kann
sich an anderen Stellen befinden, zum Beispiel wie in den 17 bis 19 gezeigt.
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Die 22 und 23 veranschaulichen
Chips 282 und 286, die mit Detektoren für kosmische
Strahlen CRD1, CRD2 und CRD3 verbunden sind. Die Detektoren für kosmische
Strahlen sind in 23 kleiner als in 22. Die Detektoren für kosmische Strahlen können in
Bezug auf die Größe des Chips eigentlich
größer oder
kleiner sein als gezeigt. Wenn die Detektoren klein genug sind,
können
sie wirtschaftlich in dem aktiven Silizium angeordnet werden. Die
Detektoren für
kosmische Strahlen können sich über oder
unter dem aktiven Silizium oder in der Montage befinden. Wie erwähnt, können bestimmte Detektoren
für kosmische
Strahlen Wechselwirkungsereignisse durch kosmische Strahlen aus
einer signifikanten Entfernung von dem Detektor für kosmische
Strahlen erfassen. Mehr oder weniger als vier Detektoren können verwendet
werden. Die Detektoren für
kosmische Strahlen in den 22 und 23 können
beliebige der Detektoren für
kosmische Strahlen sein, die beschrieben oder veranschaulicht sind,
darunter die mit Cantilevern, die mit verteilten P-N-Übergängen, um
Ladung zu sammeln und die mit Fotodetektoren.
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Bei
unterschiedlichen Ausführungsformen können die
Detektoren für
kosmische Strahlen verschiedene Ausrichtungen in Bezug auf die Ober-
und Unterseitenfläche
des Chips haben. Die Detektoren für kosmische Strahlen können parallel
zu oder im rechten Winkel zu der Oberseiten- und Unterseitenfläche liegen
oder können
andere Winkel in Bezug auf sie einnehmen.
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C. Zusätzliche Information
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Die
verschiedenen Zahlen und Details, die oben in Zusammenhang mit Wechselwirkungen
kosmischer Strahlen und Detektionen bereitgestellt wurden, werden
für richtig
angenommen, können
aus verschiedenen Gründen
jedoch nur annähernd
oder irrtümlich
sein. Die Konzepte der Erfindungen gelten dennoch.
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In
den 13 bis 19 und 22 ist die Region des aktiven Siliziums
als nicht über
das ganze Substrat reichend veranschaulicht. Die aktive Siliziumregion
könnte
sich jedoch über
das ganze Substrat oder mehr oder weniger als in den Figuren gezeigt
erstrecken.
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Die
Detektoren für
kosmische Strahlen könnten
drahtlos mit den Chips gekoppelt sein.
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Der
Gebrauch des Begriffs „erste
Schaltungen" in
den Ansprüchen
bedeutet nicht unbedingt, daß es
zweite Schaltungen gibt, obwohl sie vorhanden sein könnten.
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Eine
Ausführungsform
ist eine Umsetzung oder ein Beispiel der Erfindung. Bezugnahmen
in der Spezifikation auf „eine
Ausführungsform", „1 Ausführungsform", „bestimmte
Ausführungsformen" oder „andere
Ausführungsformen" bedeuten, daß ein besonderes
Merkmal, eine Struktur oder eine Charakteristik, die in Zusammenhang
mit den Ausführungsformen
beschrieben ist, in mindestens bestimmten Ausführungsformen enthalten ist,
aber nicht notwendigerweise in allen Ausführungsformen der Erfindungen.
Die verschiedenen Vorkommen von „eine Ausführungsform", „1
Ausführungsform" oder „bestimmte Ausführungsformen" beziehen sich nicht
notwendigerweise alle auf die gleichen Ausführungsformen.
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Wenn
die Spezifikation eine Komponente, ein Merkmal, eine Struktur oder
Charakteristik als „eventuell" enthalten angibt,
ist das spezifische Bauteil, Merkmal, die Struktur oder Charakteristik
nicht notwendigerweise enthalten. Geben die Spezifikation oder die
Ansprüche „ein" Element an, bedeutet
das nicht, daß es
nur ein Element gibt. Bezieht sich die Spezifikation oder beziehen
sich die Ansprüche
auf „ein
zusätzliches" Element, schließt das nicht
aus, daß ein
oder mehrere zusätzliche
Elemente vorhanden sind.
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Die
Erfindungen sind nicht auf die hier beschriebenen besonderen Details
eingeschränkt.
Viele andere Variationen der oben stehenden Beschreibung und Zeichnungen
können
innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindungen ausgeführt werden.
Die folgenden Ansprüche
mit eventuellen Änderungen
definieren daher den Geltungsbereich der Erfindungen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Bei
einigen Ausführungsformen
weist ein Detektor für
kosmische Strahlen einen Cantilever mit einer ersten Spitze auf.
Der Detektor weist ferner eine zweite Spitze und eine Schaltung
auf, um ein Signal bereitzustellen, das darauf hinweist, daß eine Entfernung
zwischen der ersten und der zweiten Spitze derart ist, wie sie durch
ein Wechselwirkungsereignis, verursacht durch eine kosmische Strahlung, wäre. Weitere
Ausführungsformen
sind beschrieben und beansprucht.