March CRF: an Efficient Test for Complex Read Faults in SRAM Memories

In this paper we study Complex Read Faults in SRAMs, a combination of various malfunctions that affect the read operation in nanoscale memories. All the memory elements involved in the read operation are studied, underlining the causes of the realistic faults concerning this operation. The requirements to cover these fault models are given. We show that the different causes of read failure are independent and may coexist in nanoscale SRAMs, summing their effects and provoking Complex Read Faults, CRFs. We show that the test methodology to cover this new read faults consists in test patterns that match the requirements to cover all the different simple read fault models. We propose a low complexity (?2N) test, March CRF, that covers effectively all the realistic Complex Read Fault

Modeling and experimental verification of single event upsets

The research performed and the results obtained at the Laboratory for Radiation Studies, Prairie View A&M University and Texas A&I University, on the problem of Single Events Upsets, the various schemes employed to limit them and the effects they have on the reliability and fault tolerance at the systems level, such as robotic systems are reviewed

Technology and layout-related testing of static random-access memories

Static random-access memories (SRAMs) exhibit faults that are electrical in nature. Functional and electrical testing are performed to diagnose faulty operation. These tests are usually designed from simple fault models that describe the chip interface behavior without a thorough analysis of the chip layout and technology. However, there are certain technology and layout-related defects that are internal to the chip and are mostly time-dependent in nature. The resulting failures may or may not seriously degrade the input/output interface behavior. They may show up as electrical faults (such as a slow access fault) and/or functional faults (such as a pattern sensitive fault). However, these faults cannot be described properly with the functional fault models because these models do not take timing into account. Also, electrical fault models that describe merely the input/output interface behavior are inadequate to characterize every possible defect in the basic SRAM cell. Examples of faults produced by these defects are: (a) static data loss, (b) abnormally high currents drawn from the power supply, etc. Generating tests for such faults often requires a thorough understanding and analysis of the circuit technology and layout. In this article, we shall examine ways to characterize and test such faults. We shall divide such faults into two categories depending on the types of SRAMs they effect—silicon SRAMs and GaAs SRAMs.Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/43015/1/10836_2004_Article_BF00972519.pd

MCU Tolerance in SRAMs through Low Redundancy Triple Adjacent Error Correction

(c) 2015 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted components of this work in other works.[EN] Static random access memories (SRAMs) are key in electronic systems. They are used not only as standalone devices, but also embedded in application specific integrated circuits. One key challenge for memories is their susceptibility to radiation-induced soft errors that change the value of memory cells. Error correction codes (ECCs) are commonly used to ensure correct data despite soft errors effects in semiconductor memories. Single error correction/double error detection (SEC-DED) codes have been traditionally the preferred choice for data protection in SRAMs. During the last decade, the percentage of errors that affect more than one memory cell has increased substantially, mainly due to multiple cell upsets (MCUs) caused by radiation. The bits affected by these errors are physically close. To mitigate their effects, ECCs that correct single errors and double adjacent errors have been proposed. These codes, known as single error correction/double adjacent error correction (SEC-DAEC), require the same number of parity bits as traditional SEC-DED codes and a moderate increase in the decoder complexity. However, MCUs are not limited to double adjacent errors, because they affect more bits as technology scales. In this brief, new codes that can correct triple adjacent errors and 3-bit burst errors are presented. They have been implemented using a 45-nm library and compared with previous proposals, showing that our codes have better error protection with a moderate overhead and low redundancy.This work was supported in part by the Universitat Politecnica de Valencia, Valencia, Spain, through the DesTT Research Project under Grant SP20120806; in part by the Spanish Ministry of Science and Education under Project AYA-2009-13300-C03; in part by the Arenes Research Project under Grant TIN2012-38308-C02-01; and in part by the Research Project entitled Manufacturable and Dependable Multicore Architectures at Nanoscale within the framework of COST ICT Action under Grant 1103.Saiz-Adalid, L.; Reviriego, P.; Gil, P.; Pontarelli, S.; Maestro, JA. (2015). MCU Tolerance in SRAMs through Low Redundancy Triple Adjacent Error Correction. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. 23(10):2332-2336. https://doi.org/10.1109/TVLSI.2014.2357476S23322336231

Improving Error Correction Codes for Multiple-Cell Upsets in Space Applications

© 2018 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permissíon from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertisíng or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.[EN] Currently, faults suffered by SRAM memory systems have increased due to the aggressive CMOS integration density. Thus, the probability of occurrence of single-cell upsets (SCUs) or multiple-cell upsets (MCUs) augments. One of the main causes of MCUs in space applications is cosmic radiation. A common solution is the use of error correction codes (ECCs). Nevertheless, when using ECCs in space applications, they must achieve a good balance between error coverage and redundancy, and their encoding/decoding circuits must be efficient in terms of area, power, and delay. Different codes have been proposed to tolerate MCUs. For instance, Matrix codes use Hamming codes and parity checks in a bi-dimensional layout to correct and detect some patterns of MCUs. Recently presented, column¿line¿code (CLC) has been designed to tolerate MCUs in space applications. CLC is a modified Matrix code, based on extended Hamming codes and parity checks. Nevertheless, a common property of these codes is the high redundancy introduced. In this paper, we present a series of new lowredundant ECCs able to correct MCUs with reduced area, power, and delay overheads. Also, these new codes maintain, or even improve, memory error coverage with respect to Matrix and CLC codes.This work was supported by the Spanish Government under the research Project TIN2016-81075-R.Gracia-Morán, J.; Saiz-Adalid, L.; Gil Tomás, DA.; Gil, P. (2018). Improving Error Correction Codes for Multiple-Cell Upsets in Space Applications. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. 26(10):2132-2142. https://doi.org/10.1109/TVLSI.2018.2837220S21322142261

Sensor de envelhecimento para células de memória CMOS

Dissertação de Mestrado, Engenharia e Tecnologia, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2016As memórias Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) ocupam uma percentagem de área significativa nos circuitos integrados e, com o desenvolvimento de tecnologias de fabrico a uma escala cada vez mais reduzida, surgem problemas de performance e de fiabilidade. Efeitos como o BTI (Bias Thermal Instability), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), HCI (Hot Carrier Injection), EM (Electromigration), degradam os parâmetros físicos dos transístores de efeito de campo (MOSFET), alterando as suas propriedades elétricas ao longo do tempo. O efeito BTI pode ser subdividido em NBTI (Negative BTI) e PBTI (Positive BTI). O efeito NBTI é dominante no processo de degradação e envelhecimento dos transístores CMOS, afetando os transístores PMOS, enquanto o efeito PBTI assume especial relevância na degradação dos transístores NMOS. A degradação provocada por estes efeitos, manifesta-se nos transístores através do incremento do módulo da tensão de limiar de condução |ℎ| ao longo do tempo. A degradação dos transístores é designada por envelhecimento, sendo estes efeitos cumulativos e possuindo um grande impacto na performance do circuito, em particular se ocorrerem outras variações paramétricas. Outras variações paramétricas adicionais que podem ocorrer são as variações de processo (P), tensão (V) e temperatura (T), ou considerando todas estas variações, e de uma forma genérica, PVTA (Process, Voltage, Temperature and Aging). As células de memória de acesso aleatório (RAM, Random Access Memory), em particular as memórias estáticas (SRAM, Static Random Access Memory) e dinâmicas (DRAM, Dynamic Random Access Memory), possuem tempos de leitura e escrita precisos. Quando ao longo do tempo ocorre o envelhecimento das células de memória, devido à degradação das propriedades dos transístores MOSFET, ocorre também uma degradação da performance das células de memória. A degradação de performance é, portanto, resultado das transições lentas que ocorrem, devido ao envelhecimento dos transístores MOSFET que comutam mais tarde, comparativamente a transístores novos. A degradação de performance nas memórias devido às transições lentas pode traduzir-se em leituras e escritas mais lentas, bem como em alterações na capacidade de armazenamento da memória. Esta propriedade pode ser expressa através da margem de sinal ruído (SNM). O SNM é reduzido com o envelhecimento dos transístores MOSFET e, quando o valor do SNM é baixo, a célula perde a sua capacidade de armazenamento, tornando-se mais vulnerável a fontes de ruído. O SNM é, portanto, um valor que permite efetuar a aferição (benchmarking) e comparar as características da memória perante o envelhecimento ou outras variações paramétricas que possam ocorrer. O envelhecimento das memórias CMOS traduz-se portanto na ocorrência de erros nas memórias ao longo do tempo, o que é indesejável especialmente em sistemas críticos. O trabalho apresentado nesta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um sensor de envelhecimento e performance para memórias CMOS, detetando e sinalizando para o exterior o envelhecimento em células de memória SRAM devido à constante monitorização da sua performance. O sensor de envelhecimento e performance é ligado na bit line da célula de memória e monitoriza ativamente as operações de leitura e escrita decorrentes da operação da memória. O sensor de envelhecimento é composto por dois blocos: um detetor de transições e um detetor de pulsos. O detetor de transições é constituído por oito inversores e uma porta lógica XOR realizada com portas de passagem. Os inversores possuem diferentes relações nos tamanhos dos transístores P/N, permitindo tempos de comutação em diferentes valores de tensão. Assim, quando os inversores com tensões de comutações diferentes são estimulados pelo mesmo sinal de entrada e são ligados a uma porta XOR, permitem gerar na saída um impulso sempre que existe uma comutação na bit line. O impulso terá, portanto, uma duração proporcional ao tempo de comutação do sinal de entrada, que neste caso particular são as operações de leitura e escrita da memória. Quando o envelhecimento ocorre e as transições se tornam mais lentas, os pulsos possuem uma duração superior face aos pulsos gerados numa SRAM nova. Os pulsos gerados seguem para um elemento de atraso (delay element) que provoca um atraso aos pulsos, invertendo-os de seguida, e garantindo que a duração dos pulsos é suficiente para que exista uma deteção. O impulso gerado é ligado ao bloco seguinte que compõe o sensor de envelhecimento e performance, sendo um circuito detetor de pulso. O detetor de pulso implementa um NOR CMOS, controlado por um sinal de relógio (clock) e pelos pulsos invertidos. Quando os dois sinais de input do NOR são ‘0’ o output resultante será ‘1’, criando desta forma uma janela de deteção. O sensor de envelhecimento será ajustado em cada implementação, de forma a que numa célula de memória nova os pulsos invertidos se encontrem alinhados temporalmente com os pulsos de relógio. Este ajuste é feito durante a fase de projeto, em função da frequência de operação requerida para a célula, quer pelo dimensionamento do delay element (ajustando o seu atraso), quer pela definição do período do sinal de relógio. À medida que o envelhecimento dos circuitos ocorre e as comutações nos transístores se tornam mais lentas, a duração dos pulsos aumenta e consequentemente entram na janela de deteção, originando uma sinalização na saída do sensor. Assim, caso ocorram operações de leitura e escrita instáveis, ou seja, que apresentem tempos de execução acima do expectável ou que os seus níveis lógicos estejam degradados, o sensor de envelhecimento e performance devolve para o exterior ‘1’, sinalizando um desempenho crítico para a operação realizada, caso contrário a saída será ‘0’, indicando que não é verificado nenhum erro no desempenho das operações de escrita e leitura. Os transístores do sensor de envelhecimento e performance são dimensionados de acordo com a implementação; por exemplo, os modelos dos transístores selecionados, tensões de alimentação, ou número de células de memória conectadas na bit line, influenciam o dimensionamento prévio do sensor, já que tanto a performance da memória como o desempenho do sensor dependem das condições de operação. Outras soluções previamente propostas e disponíveis na literatura, nomeadamente o sensor de envelhecimento embebido no circuito OCAS (On-Chip Aging Sensor), permitem detetar envelhecimento numa SRAM devido ao envelhecimento por NBTI. Porém esta solução OCAS apenas se aplica a um conjunto de células SRAM conectadas a uma bit line, não sendo aplicado individualmente a outras células de memória como uma DRAM e não contemplando o efeito PBTI. Uma outra solução já existente, o sensor Scout flip-flop utilizado para aplicações ASIC (Application Specific Integrated Circuit) em circuitos digitais síncronos, atua também como um sensor de performance local e responde de forma preditiva na monitorização de faltas por atraso, utilizando por base janelas de deteção. Esta solução não foi projetada para a monitorização de operações de leitura e escrita em memórias SRAM e DRAM. No entanto, pela sua forma de atuar, esta solução aproxima-se mais da solução proposta neste trabalho, uma vez que o seu funcionamento se baseia em sinalização de sinais atrasados. Nesta dissertação, o recurso a simulações SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) permite validar e testar o sensor de envelhecimento e performance. O caso de estudo utilizado para aplicar o sensor é uma memória CMOS, SRAM, composta por 6 transístores, juntamente com os seus circuitos periféricos, nomeadamente o amplificador sensor e o circuito de pré-carga e equalização, desenvolvidos em tecnologia CMOS de 65nm e 22nm, com recurso aos modelos de MOSFET ”Berkeley Predictive Technology Models (PTM)”. O sensor é devolvido e testado em 65nm e em 22nm com os modelos PTM, permitindo caracterizar o sensor de envelhecimento e performance desenvolvido, avaliando também de que forma o envelhecimento degrada as operações de leitura e escrita da SRAM, bem como a sua capacidade de armazenamento e robustez face ao ruído. Por fim, as simulações apresentadas provam que o sensor de envelhecimento e performance desenvolvido nesta tese de mestrado permite monitorizar com sucesso a performance e o envelhecimento de circuitos de memória SRAM, ultrapassando os desafios existentes nas anteriores soluções disponíveis para envelhecimento de memórias. Verificou-se que na presença de um envelhecimento que provoque uma degradação igual ou superior a 10%, o sensor de envelhecimento e performance deteta eficazmente a degradação na performance, sinalizando os erros. A sua utilização em memórias DRAM, embora possível, não foi testada nesta dissertação, ficando reservada para trabalho futuro