JP4249739B2 - ラッチのソフトエラー率の改善 - Google Patents

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    • H03K3/356147Bistable circuits using complementary field-effect transistors using additional transistors in the input circuit using pass gates

Description

本発明は、一般にラッチ設計に関し、特にラッチにおけるソフトエラー耐性を改善することに関する。
高エネルギーの中性子は、主としてシリコン原子核との衝突によって、物質内でエネルギーを失い、その結果、2次的な反応の連鎖が生じる。電子−正孔対がp−n接合を通過する際に、これらの反応は、電子−正孔対の高密度な軌道を堆積させる。堆積した電荷のうちの幾つかは再結合することとなり、別の幾つかは接合接触部において集められることとなる。ある粒子が、ラッチの、影響を受けやすい領域に衝突する時には、蓄積する電荷が、ラッチにおいて格納された値を「反転」させるために必要とされる最小電荷を超える可能性があり、その結果としてソフトエラーが生じる。
結果としてソフトエラーを生じさせる最小電荷は、ラッチの臨界電荷(critical charge)と呼ばれる。ソフトエラーが生じるレート(SER)は、典型的には、FIT数(Failures in Time)によって表される。
ソフトエラーの一般的な発生源は、集積回路のパッケージ材料内に存在する微量の放射性同位元素によって放出される可能性があるα(アルファ)粒子である。フリップチップパッケージング技法において用いられる「バンプ」材料が、α粒子の発生源となり得ることもまた認識されている。
ソフトエラーの他の発生源は、高エネルギーな宇宙線と太陽粒子とを含む。高エネルギーな宇宙線と太陽粒子とは、高層大気と反応して、高エネルギーの陽子と中性子とを生成し、それらが地球に降り注ぐ。中性子は、それらがほとんどの人工構造物を貫通することができるので、特に厄介な可能性がある(中性子は1.524m(5フィート)のコンクリートを容易に通過することができる)。この影響は、緯度と高度との両方によって変化する。ロンドンにおいて、その影響は、赤道上よりも2倍も悪い。海抜1.609km(1マイル)のコロラド州デンバーにおいて、その影響は、海抜ゼロレベルのサンフランシスコよりも3倍も悪い。民間航空機内において、その影響は、海抜ゼロレベルにおけるよりも、100〜800倍も悪い可能性がある。
放射線によって引き起こされるソフトエラーは、マイクロプロセッサ内、及び他の複雑なIC(集積回路)内の故障率の主な原因の1つになってきている。この種の障害を低減するために、いくつかの手法が提案されてきている。データパス内においてECC(誤り訂正符号)か又はパリティを付加することは、アーキテクチャレベルからこの問題にアプローチする。データパス内においてECCか又はパリティを付加することは、複雑となり、コストがかかる可能性がある。
回路レベルにおいて、p/n接合によって生成されたキャパシタンスに対する、酸化物によって生成されたキャパシタンスの比率を増加させることによって、SERを低減することができる。ラッチにおけるキャパシタンスは、とりわけ、p/n接合によって生成されたキャパシタンスと、酸化物によって生成されたキャパシタンスとを含む。高エネルギーの中性子がp/n接合を通過する際に、電子/正孔対は生成されるので、ラッチにおけるp/n接合の領域(又は面積)の低減が、典型的には、SERを減少させる。高エネルギーの中性子が酸化物を通過する時には、著しい数の電子/正孔対は生成されない。結果として、典型的には、SRAMセル内のp/n接合キャパシタンスに対する酸化物キャパシタンスの比率を増加させることによって、SERを低減することができる。
ラッチにおけるSERを低減することに対するニーズが当該技術分野において存在する。本発明の一実施形態は、わずか2つの追加トランジスタを追加すると同時に、ラッチにおけるSERを低減する。
好適実施形態において、本発明は、ラッチにおけるソフトエラーイベントを低減するための回路と方法とを提供する。第1のインバータの入力は、第2のインバータの出力に接続される。第2のインバータの入力は、前記第1のインバータの出力に接続される。前記第1のインバータに対する前記入力が、ソフトエラーイベントによって妨害される(又は障害を受ける)時には、ある信号が前記第1のインバータをトライステート(又はハイインピーダンス状態)にする。
本発明の他の態様と利点とが、本発明の原理を例示する目的で示している添付図面に関連して、以下の詳細な説明から明らかとなってくるであろう。
ラッチにおけるSERを低減することができる。
図1は、転送ゲート、ラッチ、及びインバータの回路図である。入力100は、転送ゲート104の入力に接続される。転送ゲート104の出力106は、ラッチ108の入力/出力に接続される。制御信号102は、転送ゲート104の入力100上の信号が、転送ゲート104の出力106に転送されるタイミングを制御する。出力106において現われた信号は、ラッチ108において格納される。ラッチ108において格納された信号106は、インバータ116の入力106を駆動する。この例において、インバータ116の出力118は、ラッチ108において格納された信号とは反対の意味を有する。この例において、ラッチは、2つのインバータ110と112とを備え、ここで、一方のインバータ110の出力114は、他方のインバータ112の入力114に接続される。一方のインバータ112の出力106は、他方のインバータ110の入力106に接続される。
制御信号102が、オフに切り替えられた後、ラッチ108における信号106は、通常、保持される。しかしながら、ソフトエラーイベントが、ラッチにおいて格納された電荷に障害を与える場合には、元の信号が、失われる可能性があり、インバータ116の出力118は、その元の論理値から変更させられる可能性がある。
図2は、転送ゲート、ラッチ、及びインバータの回路図である。入力200は、転送ゲート204の入力に接続される。転送ゲート204の出力206は、ラッチ208の入力/出力に接続される。制御信号202は、転送ゲート204の入力200上の信号が、転送ゲート204の出力206に転送されるタイミングを制御する。出力206において現われた信号は、ラッチ208において格納される。ラッチ208において格納された信号206は、インバータ216の入力206を駆動する。この例において、インバータ216の出力218は、ラッチ208において格納された信号とは反対の意味を有する。
この例において、ラッチ208は、2つのインバータ210と212とを備え、ここで、一方のインバータ210の出力214は、他方のインバータ212の入力214に接続される。一方のインバータ212の出力206は、他方のインバータ210の入力206に接続される。この例において、インバータ210は、PFET(P型FET)のMP1と、NFET(N型FET)のMN1とを備える。PFETのMP1と、NFETのMN1とのゲート206は接続される。PFETのMP1のソースは、VDDに接続され、NFETのMN1のソースは、GNDに接続される。PFETのMP1と、NFETのMN1とのドレインは、ノード214に接続される。この例において、、インバータ212は、PFETのMP2と、NFETのMN2とを備える。PFETのMP2と、NFETのMN2とのゲート214は接続される。PFETのMP2のソースは、VDDに接続され、NFETのMN2のソースは、GNDに接続される。PFETのMP2と、NFETのMN2とのドレインは、ノード206に接続される。インバータ216は、PFETのMP3とNFETのMN3とを備える。PFETのMP3と、NFETのMN3とのゲートは、ノード206に接続される。PFETのMP3のソースは、VDDに接続される。NFETのMN3のソースは、グランド(GND)に接続される。PFETのMP3と、NFETのMN3とのドレインは、ノード218に接続される。この例において、インバータ210、212、及び216は、仮にPFETとNFETとを用いて実装されている。インバータの他のインプリメンテーション(又は実装形態)を用いることもできる。
制御信号202が、オフに切り替えられた後、ラッチ208における信号206は、通常、保持される。しかしながら、ソフトエラーイベントが、ラッチにおいて格納された電荷に障害を与える場合には、元の信号が、失われる可能性があり、インバータ216の出力218は、その元の論理値から変更させられる可能性がある。
図3は、転送ゲート、トライステート可能なラッチ、及びインバータの回路図である。入力300は、転送ゲート304の入力に接続される。転送ゲート304の出力306は、トライステート可能なラッチ308の入力/出力に接続される。制御信号302は、転送ゲート304の入力300上における信号が、転送ゲート304の出力306に転送されるタイミングを制御する。出力306において現われた信号は、トライステート可能なラッチ308において格納される。トライステート可能なラッチ308において格納された信号306は、インバータ316の入力306を駆動する。この例において、インバータ316の出力318は、トライステート可能なラッチ308において記憶された信号とは反対の意味を有する。この例において、トライステート可能なラッチは、インバータ310と、トライステート可能なインバータ312とを備え、ここで、インバータ310の出力314は、トライステート可能なインバータ312の第1の入力314に接続され、トライステート可能なインバータ312の出力306は、第1のインバータ310の入力306に接続される。
この例において、インバータ310は、PFETのMP1と、NFETのMN1とを備える。PFETのMP1と、NFETのMN1とのゲート306は接続される。PFETのMP1のソースは、VDDに接続され、NFETのMN1のソースは、GNDに接続される。PFETのMP1と、NFETのMN1とのドレインは、ノード314に接続される。この例において、トライステート可能なインバータ312は、PFETのMP2、PFETのMP4、NFETのMN4、及びNFETのMN2を備える。PFETのMP2と、NFETのMN2とのゲート314は接続される。PFETのMP4と、NFETのMN4とのゲート318は接続される。PFETのMP4のソースは、VDDに接続され、NFETのMN4のソースは、GNDに接続される。PFETのMP4のドレインと、PFETのMP2のソースとは、ノード320に接続される。PFETのMP2のドレインと、NFETのMN2のドレインとは、ノード306に接続される。NFET のMN2のソースと、NFETのMN4のドレインとは、ノード322に接続される。インバータ316は、PFETのMP3と、NFETのMN3とを備える。PFETのMP3と、NFETのMN3とのゲートは、ノード306に接続される。PFETのMP3のソースは、VDDに接続される。NFETのMN3のソースは、グランド(GND)に接続される。PFETのMP3と、NFETのMN3とのドレインは、ノード318に接続される。この例において、インバータ310、トライステート可能なインバータ312、及びインバータ316は、仮にPFETとNFETとを用いて実装されている。インバータか又はトライステート可能なインバータの他のインプリメンテーション(又は実装形態)を用いることもできる。
制御信号302がオフに切り替えられた後、トライステート可能なラッチ308における信号306は、通常、保持される。しかしながら、ソフトエラーイベントが、ノード306において格納された電荷に障害を与える場合には、元の信号は、失われる可能性があり、インバータ316の出力318は、その元の論理値から変更させられる可能性がある。しかしながら、ソフトエラーイベントが、ノード314上において格納された電荷に障害を与える場合には、トライステート可能なインバータ312が、トライステート(又はハイインピーダンス状態)となるので、306上及びノード318上の元の論理は変更されないであろう。
例えば、トライステート可能なラッチ308が、そこに格納された論理1を有しており、転送ゲート304がオフである場合には、ノード306は、論理ハイ値であり、ノード318は、論理ロー値であり、ノード314は、論理ロー値である。この例において、ソフトエラーイベントが、論理ロー値から論理ハイ値へとノード314に障害を与える場合には、ノード306は、論理ハイ値のままであり、ノード318は、論理ロー値のままであろう。何故ならば、PFETのMP2がオフであり、NFETのMN4がオフであり、このことがトライステート可能なインバータ312をトライステート(又はハイインピーダンス)にするからである。トライステート可能なインバータ312がトライステートにされるので、ノード306は、その元のハイ値を保持し、ノード318は、そのロー値を保持する。ノード306が論理ハイ値であるので、ノード314は変化して、その元の論理ロー値に戻される。ノード314がその元の論理ロー値に回復させられるので、トライステート可能なインバータ312は、もはやトライステートにはされない。代わりに、トライステート可能なインバータ312は、ノード306を論理ハイ値へと能動的に駆動する。
別の例は、トライステート可能なラッチ308が、そこに格納された論理0を有しており、転送ゲート304がオフである場合には、ノード306は論理ロー値であり、ノード318は、論理ハイ値であり、ノード314は、論理ハイ値である。この例において、ソフトエラーイベントが、論理ハイ値から論理ロー値へとノード314に障害を与える場合には、ノード306は論理ロー値のままであり、ノード318は、論理ハイ値のままであろう。何故ならば、PFETのMP4がオフであり、NFETのMN2がオフであり、このことが、トライステート可能なインバータ312をトライステートにするからである。トライステート可能なインバータ312は、トライステートにされるので、ノード306は、その元のロー値を保持し、ノード318は、そのハイ論理値を保持する。ノード306が論理ロー値であるので、ノード314は変化して、その元のハイ論理値に回復させられる。ノード314は、その元のハイ論理値に回復させられるので、トライステート可能なインバータ312は、もはやトライステートにされない。代わりに、トライステート可能なインバータ312は、ノード306をロー論理値へと能動的に駆動する。
図4は、転送ゲート、トライステート可能なラッチ、第1のインバータ、及び第2のインバータの回路図である。入力400は、転送ゲート404の入力に接続される。転送ゲート404の出力406は、トライステート可能なラッチ408の入力/出力406に接続される。制御信号402は、転送ゲート404の入力400上の信号が、転送ゲート404の出力406に転送されるタイミングを制御する。出力406において現われる信号は、トライステート可能なラッチ408において格納される。トライステート可能なラッチ408において格納された信号406は、インバータ416の入力406を駆動する。この例において、インバータ416の出力418は、トライステート可能なラッチ408において格納された信号の反対の意味を有する。
この例において、トライステート可能なラッチ408は、インバータ412、インバータ426、及びトライステート可能なインバータ410を備え、ここで、トライステート可能なインバータ410の出力414は、インバータ412の入力414と、インバータ426の入力414とに接続される。インバータ412の出力406は、トライステート可能なインバータの入力406に接続される。インバータ426の出力424は、トライステート可能なインバータの入力424に接続される。制御信号402は、トライステート可能なインバータの入力402と、インバータ428の入力とに接続される。インバータ428の出力430は、トライステート可能なインバータの入力に接続される。この例において、インバータ412は、PFETのMP2と、NFETのMN2とを備える。PFETのMP2と、NFETのMN2とのゲート414は接続される。PFETのMP2のソースは、VDDに接続され、NFETのMN2のソースは、GNDに接続される。PFETのMP2と、NFETのMN2とのドレインは、ノード406に接続される。この例において、インバータ426は、PFETのMP5と、NFETのMN5とを備える。PFETのMP5と、NFETのMN5とのゲート414は接続される。PFET のMP5のソースは、VDDに接続され、NFETのMN5のソースは、GNDに接続される。PFETのMP5と、NFETのMN5とのドレインは、ノード424に接続される。この例において、トライステート可能なインバータ410は、PFETのMP1、PFETのMP4、PFETのMP6、NFETのMN4、NFETのMN6、及びNFETのMN1を備える。PFETのMP1と、NFETのMN1とのゲート406は接続される。PFETのMP4と、NFETのMN4とのゲート424は接続される。NFETのMN6のゲート402は、制御信号402に接続される。PFETのMP6のゲート430は、インバータ428の出力430に接続される。PFETのMP4のソースと、PFETのMP6のソースとは、VDDに接続される。NFETのMN4のソースと、NFETのMN6のソースとは、GNDに接続される。PFETのMP4のドレイン、PFETのMP6のドレイン、及びPFETのMP1のソースは、ノード420に接続される。PFETのMP1のドレインと、NFETのMN1のドレインとは、ノード414に接続される。NFETのMN1のソース、MN6のドレイン、及びNFETのMN4のドレインは、ノード422に接続される。インバータ416は、PFETのMP3と、NFETのMN3とを備える。PFETのMP3と、NFETのMN3とのゲートは、ノード406に接続される。PFETのMP3のソースは、VDDに接続される。NFETのMN3のソースは、グランド(GND)に接続される。PFETのMP3と、NFETのMN3とのドレインは、ノード418に接続される。この例において、インバータ412、トライステート可能なインバータ410、インバータ426、及びインバータ416は、仮にPFETとNFETとを用いて実装されている。インバータか又はトライステート可能なインバータの他のインプリメンテーション(又は実装形態)を用いることもできる。
制御信号402がオフに切り替えられた後、トライステート可能なラッチ408における信号406は、通常、保持される。しかしながら、ソフトエラーイベントが、ノード414上に格納された電荷に障害を与える場合には、元の信号が失われる可能性があり、インバータ416の出力418は、その元の論理値から変更させられる可能性がある。しかしながら、ソフトエラーイベントが、ノード406上に格納された電荷に障害を与える場合には、トライステート可能なインバータ410がトライステートになるので、ノード414上の元の論理値は変更されないであろう。
例えば、トライステート可能なラッチ408が、そこに格納された論理1を有しており、転送ゲート404が、オフである場合には、ノード406は、論理ハイ値であり、ノード418は、論理ロー値であり、ノード414は、論理ロー値である。ここでもまた、転送ゲート404はオフであり、ノード402はローであり、ノード430はハイである。この例において、ソフトエラーイベントが、論理ハイ値から論理ロー値へとノード406に障害を与える場合には、ノード414は論理ロー値のままであろう。何故ならば、PFETのMP4、PFETのMP6、NFETのMN6、及びNFETのMN1は、オフであり、このことが、トライステート可能なインバータ410をトライステートにするからである。ノード418は、論理ロー値から論理ハイ値へと一時的に変化するであろう。トライステート可能なインバータ410は、トライステートにされるため、ノード414は、その元のロー値を保持する。ノード414は、論理ロー値であるので、ノード406が変化して、その元のハイ論理値に戻される。ノード406が、その元のハイ論理値に回復させられるので、ノード418は、その元のロー論理値に回復させられる。ノード406は、その元のハイ論理値に回復させられるので、トライステート可能なインバータ410は、もはやトライステートにされず、代わりに、トライステート可能なインバータ410は、ノード414をロー論理値へと能動的に駆動する。
別の例は、トライステート可能なラッチ408が、そこに格納された論理0を有しており、転送ゲート404が、オフである場合には、ノード406は論理ロー値であり、ノード418は論理ハイ値であり、ノード414は論理ハイ値である。ここでもまた、転送ゲート404はオフであるので、ノード402はローであり、ノード430はハイである。この例において、ソフトエラーイベントが、論理ロー値から論理ハイ値へとノード406に障害を与える場合には、ノード414は、論理ハイ値のままであろう。何故ならば、PFETのMP1、PFETのMP6、NFETのMN6、及びNFETのMN4がオフであり、このことが、トライステート可能なインバータ410をトライステートにするからである。ノード418は、論理ハイ値から論理ロー値へと一時的に変化するであろう。トライステート可能なインバータ410は、トライステートにされるので、ノード414は、その元のハイ値を保持する。ノード414は、論理ハイ値であるため、ノード406が変化して、その元のロー論理値に戻される。ノード406が、その元のロー論理値に回復させられるので、ノード418は、その元のハイ論理値に回復させられる。ノード406は、その元のハイ論理値に回復させられるので、トライステート可能なインバータ410は、もはやトライステートにされず、代わりに、トライステート可能なインバータ410は、ノード414をハイ論理値へと能動的に駆動する。
本発明の上述の説明が、図示と説明との目的のため提示されてきた。本発明を網羅することか、又は開示したものと同じ形態に本発明を限定することは、意図されず、上記の教示を考慮して、他の修正と変形とを可能にすることができる。その実施形態は、本発明の原理とその実際的な用途とを最も良く説明することによって、当業者の他者が、様々な実施形態における本発明と、予期される特定用途に適合されるような様々な修正とを最も有効に利用することを可能とするために、選択され且つ説明された。従来技術によって制限された範囲を除いて、添付の特許請求の範囲は、本発明の他の代替の実施形態を含むように解釈されることが意図される。
従来技術の転送ゲート、ラッチ、及びインバータの回路図である。 従来技術の転送ゲート、ラッチ、及びインバータの回路図である。 転送ゲート、トライステート可能なラッチ、及びインバータの回路図である。 転送ゲート、トライステート可能なラッチ、第1のインバータ、及び第2のインバータの回路図である。
符号の説明
310 第1のインバータ
312 トライステート可能なインバータ
316 第2のインバータ
410 トライステート可能なインバータ
412 第1のインバータ
426 第2のインバータ
MN1 第1のNFET
MN2 第1のNFET
MN4 第2のNFET
MN6 第3のNFET
MP1 第2のPFET
MP2 第2のPFET
MP4 第1のPFET
MP6 第3のPFET

Claims (1)

  1. ソフトエラーを低減するためのトライステート可能なラッチであって、
    a)第1の入力(406)と、第2の入力(424)と、第3の入力(402)と、第4の入力(430)と、出力(414)とを有する、トライステート可能なインバータ(410)と、
    b)入力(414)と出力(406)とを有する第1のインバータ(412)と、
    c)入力(414)と出力(424)とを有する第2のインバータ(426)
    d)入力(400)と出力(406)と制御端子(402)とを有する転送ゲート(404)
    とを備え、
    e)前記転送ゲート(404)の入力(400)が、入力信号に接続され、前記転送ゲート(404)の出力(406)が、前記トライステート可能なインバータ(410)の第1の入力(406)と、前記第1のインバータ(412)の出力(406)とに接続され、前記制御端子(402)が、あるクロック信号に接続され、
    )前記トライステート可能なインバータ(410)の前記第1の入力(406)は、前記第1のインバータ(412)の前記出力(406)に接続され、
    )前記第1のインバータ(412)の前記入力(414)は、前記トライステート可能なインバータ(410)の前記出力(414)に接続され、
    )前記第2のインバータ(426)の前記入力(414)は、前記第1のインバータ(412)の前記入力(414)に接続され、
    )前記第2のインバータ(426)の前記出力(424)は、前記トライステート可能なインバータ(410)の前記第2の入力(424)に接続され、
    )前記トライステート可能なインバータ(410)の前記第3の入力(402)は、前記あるクロック信号に接続され、
    )前記トライステート可能なインバータ(410)の前記第4の入力(430)は、前記クロック信号の逆位相に接続され、
    )前記トライステート可能なインバータ(410)は、
    1)ゲート(424)、ドレイン(420)、及びソース(VDD)を有する、第1のPFET(MP4)と、
    2)ゲート(406)、ドレイン(414)、及びソース(420)を有する、第2のPFET(MP1)と、
    3)ゲート(430)、ドレイン(420)、及びソース(VDD)を有する、第3のPFET(MP6)と、
    4)ゲート(406)、ドレイン(414)、及びソース(422)を有する、第1のNFET(MN1)と、
    5)ゲート(424)、ドレイン(422)、及びソース(GND)を有する、第2のNFET(MN4)と、
    6)ゲート(402)、ドレイン(422)、及びソース(GND)を有する、第3のNFET(MN6)
    とを備え、
    7)前記第1のPFET(MP4)の前記ソースは、VDDに接続され、
    8)前記第3のPFET(MP6)の前記ソースは、VDDに接続され、
    9)前記第2のNFET(MN4)の前記ソースは、GNDに接続され、
    10)前記第3のNFET(MN6)の前記ソースは、GNDに接続され、
    11)前記第1のPFET(MP4)の前記ドレイン(420)と、前記第3のPFET(MP6)の前記ドレイン(420)とは、前記第2のPFET(MP1)の前記ソース(420)に接続され、
    12)前記第2のPFET(MP1)の前記ドレイン(414)と、前記第1のNFET(MN1)の前記ドレイン(414)とは、前記トライステート可能なインバータ(410)の前記出力(414)に接続され、
    13)前記第1のNFET(MN1)の前記ソース(422)は、前記第2のNFET(MN4)の前記ドレイン(422)と、前記第3のNFET(MN6)の前記ドレイン(422)とに接続され、
    14)前記第2のPFET(MP1)の前記ゲート(406)と、前記第1のNFET(MN1)の前記ゲート(406)とは、前記トライステート可能なインバータ(410)の前記第1の入力(406)に接続され、
    15)前記第1のPFET(MP4)の前記ゲート(424)と、前記第2のNFET(MN4)の前記ゲート(424)とは、前記トライステート可能なインバータ(410)の前記第2の入力(424)に接続され、
    16)前記第3のNFET(MN6)の前記ゲート(402)は、前記トライステート可能なインバータ(410)の前記第3の入力(402)に接続され、
    17)前記第3のPFET(MP6)の前記ゲート(430)は、前記トライステート可能なインバータ(410)の前記第4の入力(430)に接続されており、
    前記転送ゲート(404)がオフである時に、前記トライステート可能なインバータ(410)への前記第1の入力(406)が、ソフトエラーイベントによって障害を受ける場合には、前記トライステート可能なインバータ(410)は、前記第1のPFET(MP4)と前記第3のPFET(MP6)と前記第1のNFET(MN1)と前記第3のNFET(MN6)とがいずれもオフにされるか、又は前記第2のPFET(MP1)と前記第3のPFET(MP6)と前記第2のNFET(MN4)と前記第3のNFET(MN6)とがいずれもオフにされる時に、トライステートにされることからなる、トライステート可能なラッチ。
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