Design of robust spin-transfer torque magnetic random access memories for ultralow power high performance on-chip cache applications

Spin-transfer torque magnetic random access memories (STT-MRAMs) based on magnetic tunnel junction (MTJ) has become the leading candidate for future universal memory technology due to its potential for low power, non-volatile, high speed and extremely good endurance. However, conflicting read and write requirements exist in STT-MRAM technology because the current path during read and write operations are the same. Read and write failures of STT-MRAMs are degraded further under process variations. The focus of this dissertation is to optimize the yield of STT- MRAMs under process variations by employing device-circuit-architecture co-design techniques. A devices-to-systems simulation framework was developed to evaluate the effectiveness of the techniques proposed in this dissertation. An optimization methodology for minimizing the failure probability of 1T-1MTJ STT-MRAM bit-cell by proper selection of bit-cell configuration and access transistor sizing is also proposed. A failure mitigation technique using assistsin 1T-1MTJ STT-MRAM bit-cells is also proposed and discussed. Assist techniques proposed in this dissertation to mitigate write failures either increase the amount of current available to switch the MTJ during write or decrease the required current to switch the MTJ. These techniques achieve significant reduction in bit-cell area and write power with minimal impact on bit-cell failure probability and read power. However, the proposed write assist techniques may be less effective in scaled STT-MRAM bit-cells. Furthermore, read failures need to be overcome and hence, read assist techniques are required. It has been experimentally demonstrated that a class of materials called multiferroics can enable manipulation of magnetization using electric fields via magnetoelectric effects. A read assist technique using an MTJ structure incorporating multiferroic materials is proposed and analyzed. It was found that it is very difficult to overcome the fundamental design issues with 1T-1MTJ STT-MRAM due to the two-terminal nature of the MTJ. Hence, multi-terminal MTJ structures consisting of complementary polarized pinned layers are proposed. Analysis of the proposed MTJ structures shows significant improvement in bit-cell failures. Finally, this dissertation explores two system-level applications enabled by STT-MRAMs, and shows that device-circuit-architecture co-design of STT-MRAMs is required to fully exploit its benefits

先端プロセス技術における混載SRAMの高信頼・低電力化に関する研究

13301甲第4843号博士（工学）金沢大学博士論文本文Ful

STT-MRAM characterization and its test implications

Spin torque transfer (STT)-magnetoresistive random-access memory (MRAM) has come a long way in research to meet the speed and power consumption requirements for future memory applications. The state-of-the-art STT-MRAM bit-cells employ magnetic tunnel junction (MTJ) with perpendicular magnetic anisotropy (PMA). The process repeatabil- ity and yield stability for wafer fabrication are some of the critical issues encountered in STT-MRAM mass production. Some of the yield improvement techniques to combat the e ect of process variations have been previously explored. However, little research has been done on defect oriented testing of STT-MRAM arrays. In this thesis, the author investi- gates the parameter deviation and non-idealities encountered during the development of a novel MTJ stack con guration. The characterization result provides motivation for the development of the design for testability (DFT) scheme that can help test and characterize STT-MRAM bit-cells and the CMOS peripheral circuitry e ciently. The primary factors for wafer yield degradation are the device parameter variation and its non-uniformity across the wafer due to the fabrication process non-idealities. There- fore, e ective in-process testing strategies for exploring and verifying the impact of the parameter variation on the wafer yield will be needed to achieve fabrication process opti- mization. While yield depends on the CMOS process variability, quality of the deposited MTJ lm, and other process non-idealities, test platform can enable parametric optimiza- tion and veri cation using the CMOS-based DFT circuits. In this work, we develop a DFT algorithm and implement a DFT circuit for parametric testing and prequali cation of the critical circuits in the CMOS wafer. The DFT circuit successfully replicates the electrical characteristics of MTJ devices and captures their spatial variation across the wafer with an error of less than 4%. We estimate the yield of the read sensing path by implement- ing the DFT circuit, which can replicate the resistance-area product variation up to 50% from its nominal value. The yield data from the read sensing path at di erent wafer loca- tions are analyzed, and a usable wafer radius has been estimated. Our DFT scheme can provide quantitative feedback based on in-die measurement, enabling fabrication process optimization through iterative estimation and veri cation of the calibrated parameters. Another concern that prevents mass production of STT-MRAM arrays is the defect formation in MTJ devices due to aging. Identifying manufacturing defects in the magnetic tunnel junction (MTJ) device is crucial for the yield and reliability of spin-torque-transfer (STT) magnetic random-access memory (MRAM) arrays. Several of the MTJ defects result in parametric deviations of the device that deteriorate over time. We extend our work on the DFT scheme by monitoring the electrical parameter deviations occurring due to the defect formation over time. A programmable DFT scheme was implemented for a sub-arrayin 65 nm CMOS technology to evaluate the feasibility of the test scheme. The scheme utilizes the read sense path to compare the bit-cell electrical parameters against known DFT cells characteristics. Built-in-self-test (BIST) methodology is utilized to trigger the onset of the fault once the device parameter crosses a threshold value. We demonstrate the operation and evaluate the accuracy of detection with the proposed scheme. The DFT scheme can be exploited for monitoring aging defects, modeling their behavior and optimization of the fabrication process. DFT scheme could potentially nd numerous applications for parametric characteriza- tion and fault monitoring of STT-MRAM bit-cell arrays during mass production. Some of the applications include a) Fabrication process feedback to improve wafer turnaround time, b) STT-MRAM bit-cell health monitoring, c) Decoupled characterization of the CMOS pe- ripheral circuitry such as read-sensing path and sense ampli er characterization within the STT-MRAM array. Additionally, the DFT scheme has potential applications for detec- tion of fault formation that could be utilized for deploying redundancy schemes, providing a graceful degradation in MTJ-based bit-cell array due to aging of the device, and also providing feedback to improve the fabrication process and yield learning

Design of Variation-Tolerant Circuits for Nanometer CMOS Technology: Circuits and Architecture Co-Design

Aggressive scaling of CMOS technology in sub-90nm nodes has created huge challenges. Variations due to fundamental physical limits, such as random dopants fluctuation (RDF) and line edge roughness (LER) are increasing significantly with technology scaling. In addition, manufacturing tolerances in process technology are not scaling at the same pace as transistor's channel length due to process control limitations (e.g., sub-wavelength lithography). Therefore, within-die process variations worsen with successive technology generations. These variations have a strong impact on the maximum clock frequency and leakage power for any digital circuit, and can also result in functional yield losses in variation-sensitive digital circuits (such as SRAM). Moreover, in nanometer technologies, digital circuits show an increased sensitivity to process variations due to low-voltage operation requirements, which are aggravated by the strong demand for lower power consumption and cost while achieving higher performance and density. It is therefore not surprising that the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) lists variability as one of the most challenging obstacles for IC design in nanometer regime. To facilitate variation-tolerant design, we study the impact of random variations on the delay variability of a logic gate and derive simple and scalable statistical models to evaluate delay variations in the presence of within-die variations. This work provides new design insight and highlights the importance of accounting for the effect of input slew on delay variations, especially at lower supply voltages. The derived models are simple, scalable, bias dependent and only require the knowledge of easily measurable parameters. This makes them useful in early design exploration, circuit/architecture optimization as well as technology prediction (especially in low-power and low-voltage operation). The derived models are verified using Monte Carlo SPICE simulations using industrial 90nm technology. Random variations in nanometer technologies are considered one of the largest design considerations. This is especially true for SRAM, due to the large variations in bitcell characteristics. Typically, SRAM bitcells have the smallest device sizes on a chip. Therefore, they show the largest sensitivity to different sources of variations. With the drastic increase in memory densities, lower supply voltages and higher variations, statistical simulation methodologies become imperative to estimate memory yield and optimize performance and power. In this research, we present a methodology for statistical simulation of SRAM read access yield, which is tightly related to SRAM performance and power consumption. The proposed flow accounts for the impact of bitcell read current variation, sense amplifier offset distribution, timing window variation and leakage variation on functional yield. The methodology overcomes the pessimism existing in conventional worst-case design techniques that are used in SRAM design. The proposed statistical yield estimation methodology allows early yield prediction in the design cycle, which can be used to trade off performance and power requirements for SRAM. The methodology is verified using measured silicon yield data from a 1Mb memory fabricated in an industrial 45nm technology. Embedded SRAM dominates modern SoCs and there is a strong demand for SRAM with lower power consumption while achieving high performance and high density. However, in the presence of large process variations, SRAMs are expected to consume larger power to ensure correct read operation and meet yield targets. We propose a new architecture that significantly reduces array switching power for SRAM. The proposed architecture combines built-in self-test (BIST) and digitally controlled delay elements to reduce the wordline pulse width for memories while ensuring correct read operation; hence, reducing switching power. A new statistical simulation flow was developed to evaluate the power savings for the proposed architecture. Monte Carlo simulations using a 1Mb SRAM macro from an industrial 45nm technology was used to examine the power reduction achieved by the system. The proposed architecture can reduce the array switching power significantly and shows large power saving - especially as the chip level memory density increases. For a 48Mb memory density, a 27% reduction in array switching power can be achieved for a read access yield target of 95%. In addition, the proposed system can provide larger power saving as process variations increase, which makes it a very attractive solution for 45nm and below technologies. In addition to its impact on bitcell read current, the increase of local variations in nanometer technologies strongly affect SRAM cell stability. In this research, we propose a novel single supply voltage read assist technique to improve SRAM static noise margin (SNM). The proposed technique allows precharging different parts of the bitlines to VDD and GND and uses charge sharing to precisely control the bitline voltage, which improves the bitcell stability. In addition to improving SNM, the proposed technique also reduces memory access time. Moreover, it only requires one supply voltage, hence, eliminates the need of large area voltage shifters. The proposed technique has been implemented in the design of a 512kb memory fabricated in 45nm technology. Results show improvements in SNM and read operation window which confirms the effectiveness and robustness of this technique

Solid State Circuits Technologies

The evolution of solid-state circuit technology has a long history within a relatively short period of time. This technology has lead to the modern information society that connects us and tools, a large market, and many types of products and applications. The solid-state circuit technology continuously evolves via breakthroughs and improvements every year. This book is devoted to review and present novel approaches for some of the main issues involved in this exciting and vigorous technology. The book is composed of 22 chapters, written by authors coming from 30 different institutions located in 12 different countries throughout the Americas, Asia and Europe. Thus, reflecting the wide international contribution to the book. The broad range of subjects presented in the book offers a general overview of the main issues in modern solid-state circuit technology. Furthermore, the book offers an in depth analysis on specific subjects for specialists. We believe the book is of great scientific and educational value for many readers. I am profoundly indebted to the support provided by all of those involved in the work. First and foremost I would like to acknowledge and thank the authors who worked hard and generously agreed to share their results and knowledge. Second I would like to express my gratitude to the Intech team that invited me to edit the book and give me their full support and a fruitful experience while working together to combine this book

Digital System Design - Use of Microcontroller

Embedded systems are today, widely deployed in just about every piece of machinery from toasters to spacecraft. Embedded system designers face many challenges. They are asked to produce increasingly complex systems using the latest technologies, but these technologies are changing faster than ever. They are asked to produce better quality designs with a shorter time-to-market. They are asked to implement increasingly complex functionality but more importantly to satisfy numerous other constraints. To achieve the current goals of design, the designer must be aware with such design constraints and more importantly, the factors that have a direct effect on them.One of the challenges facing embedded system designers is the selection of the optimum processor for the application in hand; single-purpose, general-purpose or application specific. Microcontrollers are one member of the family of the application specific processors.The book concentrates on the use of microcontroller as the embedded system?s processor, and how to use it in many embedded system applications. The book covers both the hardware and software aspects needed to design using microcontroller.The book is ideal for undergraduate students and also the engineers that are working in the field of digital system design.Contents• Preface;• Process design metrics;• A systems approach to digital system design;• Introduction to microcontrollers and microprocessors;• Instructions and Instruction sets;• Machine language and assembly language;• System memory; Timers, counters and watchdog timer;• Interfacing to local devices / peripherals;• Analogue data and the analogue I/O subsystem;• Multiprocessor communications;• Serial Communications and Network-based interfaces

Digital System Design - Use of Microcontroller

Embedded systems are today, widely deployed in just about every piece of machinery from toasters to spacecraft. Embedded system designers face many challenges. They are asked to produce increasingly complex systems using the latest technologies, but these technologies are changing faster than ever. They are asked to produce better quality designs with a shorter time-to-market. They are asked to implement increasingly complex functionality but more importantly to satisfy numerous other constraints. To achieve the current goals of design, the designer must be aware with such design constraints and more importantly, the factors that have a direct effect on them.One of the challenges facing embedded system designers is the selection of the optimum processor for the application in hand; single-purpose, general-purpose or application specific. Microcontrollers are one member of the family of the application specific processors.The book concentrates on the use of microcontroller as the embedded system?s processor, and how to use it in many embedded system applications. The book covers both the hardware and software aspects needed to design using microcontroller.The book is ideal for undergraduate students and also the engineers that are working in the field of digital system design.Contents• Preface;• Process design metrics;• A systems approach to digital system design;• Introduction to microcontrollers and microprocessors;• Instructions and Instruction sets;• Machine language and assembly language;• System memory; Timers, counters and watchdog timer;• Interfacing to local devices / peripherals;• Analogue data and the analogue I/O subsystem;• Multiprocessor communications;• Serial Communications and Network-based interfaces

ULTRARAM™:Design, Modelling, Fabrication and Testing of Ultra-low-power III-V Memory Devices and Arrays

In this thesis, a novel memory based on III-V compound semiconductors is studied, both theoretically and experimentally, with the aim of developing a technology with superior performance capabilities to established and emerging rival memories. This technology is known as ULTRARAM™. The memory concept is based on quantum resonant tunnelling through InAs/AlSb heterostructures, which are engineered to only allow electron tunnelling at precise energy alignment(s) when a bias is applied. The memory device features a floating gate (FG) as the storage medium, where electrons that tunnel through the InAs/AlSb heterostructure are confined in the FG to define the memory logic (0 or 1). The large conduction band offset of the InAs/AlSb heterojunction (2.1 eV) keeps electrons in the FG indefinitely, constituting a non-volatile logic state. Electrons can be removed from the FG via a similar resonant tunnelling process by reversing the voltage polarity. This concept shares similarities with flash memory, however the resonant tunnelling mechanism provides ultra-low-power, low-voltage, high-endurance and high-speed switching capability. The quantum tunnelling junction is studied in detail using the non-equilibrium Green’s function (NEGF) method. Then, Poisson-Schrödinger simulations are used to design a high-contrast readout procedure for the memory using the unusual type-III band-offset of the InAs/GaSb heterojunction. With the theoretical groundwork for the technology laid out, the memory performance is modelled and a high-density ULTRARAM™ memory architecture is proposed for random-access memory applications. Later, NEGF calculations are used for a detailed study of the process tolerances in the tunnelling region required for ULTRARAM™ large-scale wafer manufacture. Using interfacial misfit array growth techniques, III-V layers (InAs, AlSb and GaSb) for ULTRARAM™ were successfully implemented on both GaAs and Si substrates. Single devices and 2×2 arrays were then fabricated using a top-down processing approach. The memories demonstrated outstanding memory performance on both substrate materials at 10, 20 and 50 µm gate lengths at room temperature. Non-volatile switching was obtained with ≤ 2.5 V pulses, corresponding to a switching energy per unit area that is lower than DRAM and flash by factors of 100 and 1000 respectively. Memory logic was retained for over 24 hours whilst undergoing over 10^6 readout operations. Analysis of the retention data suggests a storage time exceeding 1000 years. Devices showed promising durability results, enduring over 10^7 cycles without degradation, at least two orders of magnitude improvement over flash memory. Switching of the cell’s logic was possible at 500 µs pulse durations for a 20 µm gate length, suggesting a subns switching time if scaled to modern-day feature sizes. The proposed half-voltage architecture is shown to operate in principle, where the memory state is preserved during a disturbance test of > 10^5 half-cycles. With regard to the device physics, these findings point towards ULTRARAM™ as a universal memory candidate. The path towards future commercial viability relies on process development for aggressive device and array-size scaling and implementation on larger Si wafe

The 1991 3rd NASA Symposium on VLSI Design

Papers from the symposium are presented from the following sessions: (1) featured presentations 1; (2) very large scale integration (VLSI) circuit design; (3) VLSI architecture 1; (4) featured presentations 2; (5) neural networks; (6) VLSI architectures 2; (7) featured presentations 3; (8) verification 1; (9) analog design; (10) verification 2; (11) design innovations 1; (12) asynchronous design; and (13) design innovations 2

Approximate hardening techniques for digital signal processing circuits against radiation-induced faults

RESUMEN NO TÉCNICO. Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen de su posición, en un proceso llamado ionización. La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran altitud. Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante Total (TID por sus siglas en inglés), o por distorsiones en el silicio sobre el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o fallos destructivos en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE por sus siglas en inglés). Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación. Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP por sus siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas electrónicos cotidianos. En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento frente a la Radiación Por Diseño (RHBD por sus siglas en inglés). Estas técnicas permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan los sistemas modernos. En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes Comerciales (COTS por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD. Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante, Duplicación Con Comparación [DWC]) o llegar incluso a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR) en todas sus variantes. El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de recursos de las utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA comerciales, dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos de prueba endurecidos mediante TMR y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos (ORCA): • La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito original. De este modo se pueden disminuir los recursos necesitados por el circuito, aunque las correcciones en caso de fallo son menos precisas que en el TMR. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. • La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en esta tesis. Está pensada para algoritmos que trabajan con información en forma de paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí. Las réplicas redundantes calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales, lo que reduce su tamaño y permite correcciones aproximadas en caso de fallo. • La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas anteriores. Las réplicas redundantes se forman como bloques que calculan resultados intermedios y el resultado de su composición se puede comparar con el resultado original. Este método permite reducir recursos y proporciona resultados de corrección exactos en la mayor parte de los casos, lo que supone una mejora importante con respecto a las correcciones de los métodos anteriores. La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. En concreto, se han realizado ensayos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y ensayos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido).RESUMEN TÉCNICO. Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen de su posición, en un proceso llamado ionización. La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran altitud. Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante Total (TID, Total Ionizing Dose), o por distorsiones acumuladas en la matriz cristalina del silicio en el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD, Displacement Damage). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o la activación de circuitos parasitarios en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE, Single Event Effects). Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación. Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP, por sus siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas electrónicos cotidianos. En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento frente a la Radiación Por Diseño (RHBD, por sus siglas en inglés). Estas técnicas permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan los sistemas modernos. En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes Comerciales (COTS, por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD. Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante, Duplicación Con Comparación [DWC, Duplication With Comparison]) o llegar incluso a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR, Triple Modular Redundancy) en todas sus variantes. El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de recursos de las técnicas utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA (Field Programmable Gate Array) comerciales. Las FPGA son dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales diseñados a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. Su capacidad de reconfiguración y sus altas prestaciones las convierten en dispositivos muy interesantes para aplicaciones espaciales, donde realizar cambios en los diseños no suele ser posible una vez comenzada la misión. La reconfigurabilidad de las FPGA permite corregir en remoto posibles problemas en el diseño, pero también añadir o modificar funcionalidades a los circuitos implementados en el sistema. La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas e implementadas en FPGAs se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. Los ensayos de radiación son el estándar industrial para probar el comportamiento de todos los sistemas electrónicos que se envían a una misión espacial. Con estos ensayos se trata de emular de manera acelerada las condiciones de radiación a las que se verán sometidos los sistemas una vez hayan sido lanzados y determinar su resistencia a TID, DD y/o SEEs. Dependiendo del efecto que se quiera observar, las partículas elegidas para la radiación varían, pudiendo elegirse entre electrones, neutrones, protones, iones pesados, fotones... Particularmente, los ensayos de radiación realizados en este trabajo, tratándose de un estudio de técnicas de endurecimiento para sistemas electrónicos digitales, están destinados a establecer la sensibilidad de los circuitos estudiados frente a un tipo de SEE conocido como Single Event Upset (SEU), en el que la radiación modifica el valor lógico de un elemento de memoria. Para ello, hemos recurrido a experimentos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA, España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y experimentos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido). La sensibilidad de un circuito suele medirse en términos de su sección eficaz (cross section) con respecto a una partícula determinada, calculada como el cociente entre el número de fallos encontrados y el número de partículas ionizantes por unidad de área utilizadas en la campaña de radiación. Esta métrica sirve para estimar el número de fallos que provocará la radiación a lo largo de la vida útil del sistema, pero también para establecer comparaciones que permitan conocer la eficacia de los sistemas de endurecimiento implementados y ayudar a mejorarlos. El método de inyección de fallos utilizado en esta Tesis como complemento a la radiación se basa en modificar el valor lógico de los datos almacenados en la memoria de configuración de la FPGA. En esta memoria se guarda la descripción del funcionamiento del circuito implementado en la FPGA, por lo que modificar sus valores equivale a modificar el circuito. En FPGAs que utilizan la tecnología SRAM en sus memorias de configuración, como las utilizadas en esta Tesis, este es el componente más sensible a la radiación, por lo que es posible comparar los resultados de la inyección de fallos y de las campañas de radiación. Análogamente a la sección eficaz, en experimentos de inyección de fallos podemos hablar de la tasa de error, calculada como el cociente entre el número de fallos encontrados y la cantidad de bits de memoria inyectados. A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos endurecidos mediante Redundancia Modular Triple y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos (ORCA). Estas dos últimas son contribuciones originales presentadas en esta Tesis. • La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito original. Para cada dato de salida se comparan el resultado del circuito original y los dos resultados de precisión reducida. Si los dos resultados de precisión reducida son idénticos y su diferencia con el resultado de precisión completa es mayor que un determinado valor umbral, se considera que existe un fallo en el circuito original y se utiliza el resultado de precisión reducida para corregirlo. En cualquier otro caso, el resultado original se considera correcto, aunque pueda contener errores tolerables por debajo del umbral de comparación. En comparación con un circuito endurecido con TMR, los diseños RPR utilizan menos recursos, debido a la reducción en la precisión de los cálculos de los circuitos redundantes. No obstante, esto también afecta a la calidad de los resultados obtenidos cuando se corrige un error. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. En esta variante de la técnica RPR, los resultados de cada etapa de cálculo en los circuitos redundantes tienen una precisión diferente, incrementándose hacia las últimas etapas, en las que el resultado tiene la misma precisión que el circuito original. Con este método se logra incrementar la calidad de los datos corregidos a la vez que se reducen los recursos utilizados por el endurecimiento. Los resultados de las campañas de radiación y de inyección de fallos realizadas sobre los diseños endurecidos con RPR sugieren que la reducción de recursos no sólo es beneficiosa por sí misma en términos de recursos y energía utilizados por el sistema, sino que también conlleva una reducción de la sensibilidad de los circuitos, medida tanto en cross section como en tasa de error. • La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en esta tesis. Está indicada para algoritmos que trabajan con información en forma de paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí, como puede ser un algoritmo de procesamiento de imágenes. En la técnica RRR, se añaden dos circuitos redundantes que calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales. Tras el cálculo, los resultados diezmados pueden interpolarse para obtener un resultado aproximado del mismo tamaño que el resultado del circuito original. Una vez interpolados, los resultados de los tres circuitos pueden ser comparados para detectar y corregir fallos de una manera similar a la que se utiliza en la técnica RPR. Aprovechando las características del diseño hardware, la disminución de la cantidad de datos que procesan los circuitos de Resolución Reducida puede traducirse en una disminución de recursos, en lugar de una disminución de tiempo de cálculo. De esta manera, la técnica RRR es capaz de reducir el consumo de recursos en comparación a los que se necesitarían si se utilizase un endurecimiento TMR. Los resultados de los experimentos realizados en diseños endurecidos mediante Redundancia de Resolución Reducida sugieren que la técnica es eficaz en reducir los recursos utilizados y, al igual que pasaba en el caso de la Redundancia de Precisión Reducida, también su sensibilidad se ve reducida, comparada con la sensibilidad del mismo circuito endurecido con Redundancia Modular Triple. Además, se observa una reducción notable de la sensibilidad de los circuitos frente a errores no corregibles, comparado con el mismo resultado en TMR y RPR. Este tipo de error engloba aquellos producidos por fallos en la lógica de comparación y votación o aquellos en los que un único SEU produce fallos en los resultados de dos o más de los circuitos redundantes al mismo tiempo, lo que se conoce como Fallo en Modo Común (CMF). No obstante, también se observa que la calidad de las correcciones realizadas utilizando este método empeora ligeramente. • La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas anteriores. Para endurecer un circuito usando esta técnica, se añaden dos circuitos redundantes diferentes entre sí y que procesan cada uno una parte diferente del conjunto de datos de entrada. Cada uno de estos circuitos aproximados calcula un resultado intermedio. La composición de los dos resultados intermedios da un resultado idéntico al del circuito original en ausencia de fallos. La detección de fallos se realiza comparando el resultado del circuito original con el de la composición de los circuitos aproximados. En caso de ser diferentes, se puede determinar el origen del fallo comparando los resultados aproximados intermedios frente a un umbral. Si la diferencia entre los resultados intermedios supera el umbral, significa que el fallo se ha producido en uno de los circuitos aproximados y que el resultado de la composición no debe ser utilizado en la salida. Al igual que ocurre en la Redundancia de Precisión Reducida y la Redundancia de Resolución Reducida, utilizar un umbral de comparación implica la existencia de errores tolerables. No obstante, esta técnica de endurecimiento permite realizar correcciones exactas, en lugar de aproximadas, en la mayor parte de los casos, lo que mejora la calidad de los resultados con respecto a otras técnicas de endurecimiento aproximadas, al tiempo que reduce los recursos utilizados por el sistema endurecido en comparación con las técnicas tradicionales. Los resultados de los experimentos realizados con diseños endurecidos mediante Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos confirman que esta técnica de endurecimiento es capaz de producir correcciones exactas en un alto porcentaje de los eventos. Su sensibilidad frente a todo tipo de errores y frente a errores no corregibles también se ve disminuida, comparada con la obtenida con Redundancia Modular Triple. Los resultados presentados en esta Tesis respaldan la idea de que las técnicas de Redundancia Aproximada son alternativas viables a las técnicas de endurecimiento frente a la radiación habituales, siempre que