作为连接制造工艺与电路设计的桥梁，设计技术协同优化方法近年来逐渐成为器件与电路协同设计中的重要技术。[1]该方法在器件建模、电路设计以及系统优化等多个领域都具有广泛应用价值，能够实现跨层级优化[2,3]，同时也非常适合用于抗辐射器件与电路的协同设计[4,5]。
在复杂的太空环境中，系统极易受到空间辐射的影响。辐射可能对器件造成可逆或不可逆的损伤，从而导致设备出现逻辑错误并缩短其使用寿命[6,7]。对于组合逻辑电路而言，敏感节点遭受单事件冲击时会产生单事件瞬变现象，表现为瞬态电流脉冲。这些脉冲会沿着组合路径传播，有可能被逻辑模块捕获，从而引发软错误[[8], [9], [10], [11]]。总电离剂量效应则会导致器件老化，进而影响电路和系统的性能。DTCO方法通过同时考虑多个层级，为提升跨层级的抗辐射能力提供了有效途径[12,13]。
在器件层面，通过改变材料的元素组成可以调控其能带结构。例如，在SiGe材料中，随着锗含量的增加，其带隙会缩小[14,15]。这种能带结构的可调性使得SiGe的载流子迁移率高于硅[16,17]。因此，当基于SiGe的器件遭受单事件冲击时，产生的电子和空穴会更快复合，从而增强器件抵御单事件瞬变的能力，并缩小瞬态脉冲的宽度[18,19]。在介于器件层面与电路层面之间的参数提取层面，可通过迭代优化器件制造工艺和结构来建立SPICE模型[20,21]。在电路层面，拓扑设计是一种重要的电路级优化策略[22,23]。例如，SRAM单元可以通过添加冗余节点形成反馈回路，从而提高其对单事件干扰的抵抗能力[[24], [25], [26]]。这类SRAM加固措施通常是在传统的6T-SRAM结构中添加一定数量的晶体管以实现节点冗余，这样无需额外的刷新电路即可保持存储数据不变[[27], [28], [29]]。振荡器方法则是通过引入环形振荡器来优化电路增益的一种方式。这类振荡器可以将总剂量效应的积累分散到多个器件上，有助于恢复因辐射而下降的放大增益，进而提升抗辐射能力[[30], [31], [32]]。
本文提出了一种基于器件、参数提取和电路协同优化的多层级DTCO框架。在器件层面，通过迭代调整器件参数并结合TCAD电气仿真，来优化器件在应对单事件瞬变和总剂量效应方面的性能。在参数提取层面，利用SCiPy参数提取模块，将TCAD仿真结果转化为基于BSIM-CMG框架的优化后的SPICE模型，从而建立起器件物理特性与电路仿真之间的联系。在电路层面，则引入冗余结构和环形振荡器。通过拓扑结构选择与器件尺寸优化的迭代过程，可以提高电路在脉冲宽度缩小和增益恢复方面的抗辐射能力。该框架通过实现从器件层面参数到电路层面性能的迭代反馈，实现了对器件、参数提取和电路三个层面的跨层级抗辐射优化。本研究为后续改进和扩展跨层级抗辐射DTCO优化算法提供了指导。
