LONDÁK, P. NOVÝ PŘÍSTUP V NÁVRHU JEDNORÁZOVĚ PROGRAMOVATELNÝCH PAMĚTÍ [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2025.
Tématem disertační práce Ing. Londáka je návrh a optimalizace jednorázově programovatelných paměťových buněk (OTP -One Time Programmable memories), v podstatě jenobitových pamětí, používaných v rámci produkce integrovaných obvodů. Zde pak slouží například pro trvalé nastavení parametrů obvodů, digitálních i analogových, na konci výrobního procesu. Navržené řešení je založeno na změně vodivosti struktury „silicon fuse“. Cílem práce byl návrh a ověření vhodné technologie, která bude vyhovovat z hlediska implementace v rámci stávajících technologických postupů výroby IO, bude dostatečně kvalitní z hlediska spolehlivosti zápisu a dlouhodobého uchování zapsané informace. Návrh robustního řešení využitelného v rámci sériové průmyslové výroby integrovaných obvodů vyžadoval jednak teoretický návrh struktur, jejich numerické modelování s ohledem na optimalizaci parametrů, dále pak experimentální ověřování včetně hledání vhodného fyzikálně-elektrického způsobu zápisu a čtení informace Ing. Londák pracoval na tématu víceméně samostatně, během zaměstnání v ON Semiconductor Czech Republic, s.r.o., kde jsou také výstupy jeho práce prakticky aplikovány. O kvalitě práce svědčí i to, že vytvořený návrh je úspěšně patentován a využíván v praxi.
viz pdf
Ad a) Aktuálnost tématu dizertační práce Téma dizertační práce je aktuální. Disertační práce se zabývá metodami optimálního návrhu jednorázově programovatelných paměťových buněk v moderních výrobních procesech návrhu integrovaných obvodů. Tyto struktury různé složitosti jsou třeba především v přednastavovacích procedurách v zařízení (napájecí zdroje a měniče, senzorové systémy, atd.) po zapnutí napájecího napětí. Jedná se o poměrně specifickou ale velice důležitou oblast návrhu IO vyžadující speciální přístupy. Popisovaný princip využívá jednorázového přerušení vodivosti ve struktuře vytvořené „pojistky“, což rozhoduje o naprogramování konkrétního bitu. To, jakým způsobem se přerušení provádí a jak lze minimalizovat dopady jeho nedokonalostí při prvotním naprogramování je hlavním směrem práce. Experimentální část práce ověřuje očekávané chování na reálném čipu a taktéž jsou uvedeny doporučení a podklady pro hlubší studium fyzikálních jevů, které zde probíhají. Z mého pohledu se jedná o aktuální výzkum, ale dle seznamu použité literatury je asi jen 15 referencí z 54 mladší méně jak 10 let. Pokud jsem mohl vysledovat (oblastí pamětí se odborně nezabývám), tak v současné literatuře existuje řada prací zabývajících se optimálním programováním pamětí (různé algoritmy např. s nasazením neuronových sítí), ale nesoustředí se na zcela identický přístup (minimalizace vlivu efektů doprovázejících přerušení vodivé cesty) a s tak velkým množstvím testovaných vzorků. Široké odborné veřejnosti je dle mého názoru oblast tohoto výzkumu spíše nedostupná. Pouze omezené množství akademických pracovišť a institucí má přístup k výrobním procesům integrovaných obvodů a taktéž množství testovaných vzorků pro prokazatelná statistická potvrzení je mimo velké společnosti velmi omezené (např. Europractice dodá jen nízké desítky kusů, apod.). Ostatně aktuálnost a novost pravděpodobně dostatečně potvrzuje udělení patentové ochrany některých výsledků práce, kde se současný stav pečlivě prověřuje. Ad b) Splnění stanoveného cíle dizertační práce Cíl dizertační práce byl splněn. Úvodní část práce seznamuje čtenáře s principy pamětí detailně zaměřenými na jednorázově programovatelné analogové paměti. Podle mého názoru by některé části nemusely zacházet až do takových detailů (např. obsáhlé tabulky technologických parametrů). Stačí zcela základní principy, pokud jim dále není věnována pozornost. Autor si stanovil následující cíle: 1) Připravit přehledný materiál popisující fyzikálně-technologické procesy odehrávající se ve struktuře polovodiče pozorovatelné při programování těchto pamětí a porozumět těmto jevům. 2) Navrhnout testovací čipy pro různé programovací procedury a geometrie paměťových buněk (včetně kontaktování na křemíku). 3) Zvýšit spolehlivost celého procesu výroby a prvotního programování paměti vyvinutím výhodnější metody programování, která umožňuje zvýšit výtěžnost výroby bez nutnosti velké redundance, a verifikovat vlastnosti běžnějších přístupů i očekávané výhody nových přístupů experimentálně na vyrobených čipech (statisticky velkou řadou vzorků). 4) Připravit podklady pro možnost reprezentovat paměťové struktury fyzikálním (materiálově technologickým) modelem. Z toho plyne i dělení dílčích kapitol dalšího textu (přehledová část o transformačních procesech v křemíkovém materiálu, návrh paměťových buněk, ověření různých přístupů, vývoj spolehlivé metody prvotního programování a postup a podklady pro sestavení fyzikálního modelu). Ad c) Postup řešení problému a výsledky disertační práce s uvedením konkrétního přínosu doktoranda Postup řešení problému a výsledky dizertační práce jsou nadprůměrné. Z mého pohledu analogového obvodového inženýra se hůře posuzují technologické části práce, které jsou zde ale určitě nezbytné. V této části práce autor definuje materiálové parametry a konstanty (pohyblivost nosičů, teplotu tavení materiálu, odpor na čtverec plochy, atd.). Hodilo by se přesněji uvádět z jakých zdrojů (zdroje jsou v textu) vychází sestavené tabulky (str. 12-16). Doporučil bych jasněji v některých obrázcích vyznačit části, na které je třeba soustředit pozornost, např. v kapitole 4.3. označit, která část „psí kosti“ se procesem programování nejpravděpodobněji vodivě přeruší (respektive naroste její odpor), i když je to pak zřejmé i z pořízených mikrofotografií. Změnu vodivosti vrstvy provádí jednorázový impulz proudu (nízké desítky mA) trvající desítky us. Lze očekávat, že o preciznosti dosažení optimální úrovně odporu rozpojeného obvodu rozhoduje velikost, tvar a doba působení přerušovacího proudu, na což se soustřeďuje autorova práce. V případě nevhodné (nekontrolované) kombinace těchto parametrů právě vzniká možná nespolehlivost v procesu programování buněk (efekt není dostatečný a obnoví se vodivost, případně nedosahuje úrovně jednoznačně definující rozpojený stav). Autor navrhl kompletní systém pro řízení procesu programování, měření a vyhodnocování prováděných operací (kap. 5.2). I zde by mnoho blokových a obvodových schémat zasloužilo větší preciznost. Z výsledků v kapitole 6 je patrné, že optimálního programování lze dosáhnout možností zasahovat do průběhu programovacího („tavícího“) proudu. Je testována řada na čipu navržených struktur (buněk) a provozně-testovacích podmínek (kap. 6.1). Použitím nízkých hodnot programovacích proudů do 20 mA nelze dosáhnout velké spolehlivosti a výtěžnosti. Důležitý ale nečitelný výsledek na obr. 6.1 (vpravo) i dále by měl být taky prezentován statisticky (histogramy), nejen závěry v textu. Vyšší spolehlivosti programování je dosaženo po zavedení krátkého ostrého skoku proudu (jednotky us) až na hodnotu alespoň dvojnásobku předchozích úrovní na začátku trvání programovacího impulzu. V takovém případě dosahuje spolehlivost 100% i pro očekávaný odpor rozpojené soustavy > 1 M. Zajímavým jištěním je, že pouhé zvýšení úrovně programovacího proudu a zkrácení doby expozice nemá očekávaný efekt (výtěžnost 70-90%). Mám trochu zmatek v definici „dlouhého impulzu“, v předchozích výsledcích to bylo 30 us v kap. 6.2.3 je to však pouze 10 us (obr. 6.3 vs obr. 6.7). V kap. 6.3 je z porovnání patrné, že vliv sestupné hrany na spolehlivost naprogramování je také poměrně vysoký (čím pomaleji zaniká tavící proud, tím se spolehlivost přerušení snižuje). Kromě jiného je studován i vliv napájecího/testovacího napětí (místy zmatečně označeno obdobně, jako napětí aktivující spínač - Vprog vs PROG). V konečném důsledku je autorem logicky doporučeno používat vyšší úrovně. Kapitola 6.4 řeší způsob kontaktování struktur, nejspolehlivěji vychází obdélníkové rozmístění kontaktů. Kapitola 7 je označena jako zcela nová oblast, která nebyla dosud řešena. Spočívá ve využití velmi krátkých proudových impulzů (stovek ns), které tak nevyžadují větší množství energie a urychlují celý proces programování. Opět jsou experimenty provedeny pro různé variace parametrů (velikost napájecího/programovacího napětí, geometrie a kontaktování struktury, atd.). Řízení procesu je sofistikovanější než v předchozích případech. Zde je systematicky indikován okamžik poklesu napětí na spínači při přetavení (sestupné hraně) a po určité definovatelné době, potřebné na odtavení dostatečného množství vodivého materiálu v místě přerušení, nastane zastavení programovacího procesu (v nejvýhodnějším okamžiku pro dosažení velkého odporu Roff). Šance, že dojde vlivem procesů v roztavené chladnoucí cestě proudu k obnovení i menší vodivosti se tak významně snižuje. V případě této metody (patentována) se výtěžnost a spolehlivost správného programování rapidně zvyšuje (i pro hodnoty Roff > 1 M) oproti výsledkům v kap. 6. Kapitola 8 se již věnuje fyzikálnímu modelování navržených struktur (simulátor TCAD). Ad d) Význam pro praxi nebo rozvoj oboru Význam pro praxi nebo rozvoj oboru je nadprůměrný. Je třeba zdůraznit, že uchazeč má velmi významné výsledky, a to nejen v oblasti problematiky diskutované v disertační práci, ale i v oblasti návrhu napěťových referencí, stabilizátorů, napájecích zdrojů, měničů, atd., které jsou běžně v prodeji jako finální masově vyráběné produkty pro koncové využití v diskrétním obvodovém návrhu. Na tyto výsledky získal řadu patentů. Z mého pohledu uchazeč rozhodně ve své dlouholeté kariéře značným způsobem přispěl k rozvoji oboru analogové diskrétní elektroniky a mikroelektroniky technickými řešeními, která uvedl do praxe a která se opravdu běžně používají. Ad e) Formální úprava dizertační práce a její jazyková úroveň Formální úprava dizertační práce a její jazyková úroveň je slabé. Práce je poměrně obsáhlá (celkově asi 90 stran) a je napsána v angličtině. Jazyková stránka je srozumitelná. Nebyl problém porozumět sdělením. To se bohužel nedá říct o grafické stránce a formální úpravě. Ve velké části práce se nachází značné množství přebraných i vlastních obrázků nízké kvality a čitelnosti, což je na disertační práci celkem škoda a snižuje to jinak celkem dobrý dojem z množství odvedené práce a popisovaných aktivit. Bohužel je velikost fontu písmen i číslic v některých významných charakteristikách velmi malá. To znesnadňuje porozumění. Zdá se mi, že bloky (a v nich uvedené zkratky) v obr. 4.27 (velmi nízké kvality) nejsou vysvětleny v textu. Jiné zkratky zase opakovaně (vícekrát). Je zde mix v (ne)používání indexů. Některé rovnice nejsou správně zapisovány (operátor násobení není * nebo .). Ukázkovým příkladem je str. 31. Význam NMOS spínače v paměťové buňce je jasný, ale bylo by dobré uvést nějaké bližší parametry (W/L, RDSon, VDSsat,… případně alespoň nároky, které musí splňovat, pokud nelze zveřejnit přesné parametry) použité v návrhu a experimentech, které asi platí pro všechny testované situace, kde je použit. Rozdílový zesilovač na obr. 4.29 by neměl být takto zakreslen (jako operační zesilovač). Bude mít konkrétní (a ne nekonečné) zesílení, aby měřící uspořádání správně pracovalo. Parametry a hodnoty v některých tabulkách kapitoly 4.11 jsou velmi nečitelné. Paměťová struktura na obr. 5.1 je velice nečitelná a neprofesionálně kreslená (měla by být v příloze). V práci bych ocenil i detailní fotografie měřícího uspořádání při testech. Formální stránka včetně členění textu, formátování obrázků a tabulek, používání odrážek v nevhodné formě, čitelnosti údajů, kvality některých schémat (text přes obrys značky nebo spoje), atd. spíše připomíná podprůměrné práce nezkušených bakalářských studentů. Ad f) Dizertační práce splňuje podmínky uvedené v § 47 odst. 4 zákona Dizertační práce podmínky uvedené v § 47 odst. 4*) zákona č. 111/1998 sb. o vysokých školách splňuje. (*(4) Studium se řádně ukončuje státní doktorskou zkouškou a obhajobou dizertační práce, kterými se prokazuje schopnost a připravenost k samostatné činnosti v oblasti výzkumu nebo vývoje nebo k samostatné teoretické a tvůrčí umělecké činnosti. Dizertační práce musí obsahovat původní a uveřejněné výsledky nebo výsledky přijaté k uveřejnění. Ad g) Prokázání tvůrčí schopnosti studenta v dané oblasti výzkumu a zda práce splňuje nebo nesplňuje požadavky standardně kladené na dizertační práce v daném oboru. Doktorand prokázal tvůrčí schopnosti v dané oblasti výzkumu a práce splňuje požadavky standardně kladené na dizertační práce v daném oboru. Vlastní publikace autora v oblasti pamětí jsou prakticky pouze ve spoluautorství, ale tento fakt vysvětluje skutečnost, že prakticky celý výzkum vzniknul u nadnárodní společnosti (ON Rožnov p. Radhoštěm), jedná se o firemní tajemství, která nelze plně zveřejnit. V rámci společnosti bylo na tuto oblast autorem zaevidováno několik mezinárodních patentů za posledních 5 let. Celkové hodnocení: Závěrem lze říct, že uchazeč a autor provedl velké množství experimentů a odvedl značné množství návrhářské práce (jen návrh a verifikace testovacího čipu je velice náročná etapa), která si vyžádala mnoho měsíců (možná let). Má za sebou taktéž mnoho dalších praktických a veřejností používaných výstupů vyvinutých v rámci společnosti ON. Profesionalitu uchazeče bohužel velmi zkresluje formální stránka práce, která je místy velmi slabá. Od dlouholetého inženýra s tak obrovskou praxí v oboru u vývojového střediska takto významné firmy bych očekával mnohem víc.
eVSKP id 163011