Flight Avionics Hardware Roadmap

As part of NASA's Avionics Steering Committee's stated goal to advance the avionics discipline ahead of program and project needs, the committee initiated a multi-Center technology roadmapping activity to create a comprehensive avionics roadmap. The roadmap is intended to strategically guide avionics technology development to effectively meet future NASA missions needs. The scope of the roadmap aligns with the twelve avionics elements defined in the ASC charter, but is subdivided into the following five areas: Foundational Technology (including devices and components), Command and Data Handling, Spaceflight Instrumentation, Communication and Tracking, and Human Interfaces

Microdot - A Four-Bit Microcontroller Designed for Distributed Low-End Computing in Satellites

Many satellites are an integrated collection of sensors and actuators that require dedicated real-time control. For single processor systems, additional sensors require an increase in computing power and speed to provide the multi-tasking capability needed to service each sensor. Faster processors cost more and consume more power, which taxes a satellite\u27s power resources and may lead to shorter satellite lifetimes. An alternative design approach is a distributed network of small and low power microcontrollers designed for space that handle the computing requirements of each individual sensor and actuator. The design of microdot, a four-bit microcontroller for distributed low-end computing, is presented. The design is based on previous research completed at the Space Electronics Branch, Air Force Research Laboratory (AFRL/VSSE) at Kirtland AFB, NM, and the Air Force Institute of Technology at Wright-Patterson AFB, OH. The Microdot has 29 instructions and a 1K x 4 instruction memory. The distributed computing architecture is based on the Philips Semiconductor I2C Serial Bus Protocol. A prototype was implemented and tested using an Altera Field Programmable Gate Array (FPGA). The prototype was operable to 9.1 MHz. The design was targeted for fabrication in a radiation-hardened-by-design gate-array cell library for the TSMC 0.35 micrometer CMOS process

INVESTIGATING THE EFFECTS OF SINGLE-EVENT UPSETS IN STATIC AND DYNAMIC REGISTERS

Radiation-induced single-event upsets (SEUs) pose a serious threat to the reliability of registers. The existing SEU analyses for static CMOS registers focus on the circuit-level impact and may underestimate the pertinent SEU information provided through node analysis. This thesis proposes SEU node analysis to evaluate the sensitivity of static registers and apply the obtained node information to improve the robustness of the register through selective node hardening (SNH) technique. Unlike previous hardening techniques such as the Triple Modular Redundancy (TMR) and the Dual Interlocked Cell (DICE) latch, the SNH method does not introduce larger area overhead. Moreover, this thesis also explores the impact of SEUs in dynamic flip-flops, which are appealing for the design of high-performance microprocessors. Previous work either uses the approaches for static flip-flops to evaluate SEU effects in dynamic flip-flops or overlook the SEU injected during the precharge phase. In this thesis, possible SEU sensitive nodes in dynamic flip-flops are re-examined and their window of vulnerability (WOV) is extended. Simulation results for SEU analysis in non-hardened dynamic flip-flops reveal that the last 55.3 % of the precharge time and a 100% evaluation time are affected by SEUs

Radiation Hardened by Design Methodologies for Soft-Error Mitigated Digital Architectures

abstract: Digital architectures for data encryption, processing, clock synthesis, data transfer, etc. are susceptible to radiation induced soft errors due to charge collection in complementary metal oxide semiconductor (CMOS) integrated circuits (ICs). Radiation hardening by design (RHBD) techniques such as double modular redundancy (DMR) and triple modular redundancy (TMR) are used for error detection and correction respectively in such architectures. Multiple node charge collection (MNCC) causes domain crossing errors (DCE) which can render the redundancy ineffectual. This dissertation describes techniques to ensure DCE mitigation with statistical confidence for various designs. Both sequential and combinatorial logic are separated using these custom and computer aided design (CAD) methodologies. Radiation vulnerability and design overhead are studied on VLSI sub-systems including an advanced encryption standard (AES) which is DCE mitigated using module level coarse separation on a 90-nm process with 99.999% DCE mitigation. A radiation hardened microprocessor (HERMES2) is implemented in both 90-nm and 55-nm technologies with an interleaved separation methodology with 99.99% DCE mitigation while achieving 4.9% increased cell density, 28.5 % reduced routing and 5.6% reduced power dissipation over the module fences implementation. A DMR register-file (RF) is implemented in 55 nm process and used in the HERMES2 microprocessor. The RF array custom design and the decoders APR designed are explored with a focus on design cycle time. Quality of results (QOR) is studied from power, performance, area and reliability (PPAR) perspective to ascertain the improvement over other design techniques. A radiation hardened all-digital multiplying pulsed digital delay line (DDL) is designed for double data rate (DDR2/3) applications for data eye centering during high speed off-chip data transfer. The effect of noise, radiation particle strikes and statistical variation on the designed DDL are studied in detail. The design achieves the best in class 22.4 ps peak-to-peak jitter, 100-850 MHz range at 14 pJ/cycle energy consumption. Vulnerability of the non-hardened design is characterized and portions of the redundant DDL are separated in custom and auto-place and route (APR). Thus, a range of designs for mission critical applications are implemented using methodologies proposed in this work and their potential PPAR benefits explored in detail.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

INTEGRATED CIRCUITS FOR HIGH ENERGY PHYSICS EXPERIMETNS

Integrated Circuits are used in most people\u2019s lives in the modern societies. An important branch of research and technology is focused on Integrated Circuit (IC) design, fabrication, and their efficient applications; moreover most of these activities are about commercial productions with applications in ambient environment. However the ICs play very important role in very advance research fields, as Astronomy or High Energy Physics experiments, with absolutely extreme environments which require very interdisciplinary research orientations and innovative solutions. For example, the Fast TracKer (FTK) electronic system, which is an important part of triggering system in ATLAS experiment at European Organization for Nuclear Research (CERN), in every second of experiment selects 200 interesting events among 40 millions of total events due to collision of accelerated protons. The FTK function is based on ICs which work as Content Addressable Memory (CAM). A CAM compares the income data with stored data and gives the addresses of matching data as an output. The amount of calculation in FTK system is out of capacity of commercial ICs even in very advanced technologies, therefore the development of innovative ICs is required. The high power consumption due to huge amount of calculation was an important limitation which is overcome by an innovative architecture of CAM in this dissertation. The environment of ICs application in astrophysics and High Energy Physics experiments is different from commercial ICs environment because of high amount of radiation. This fact started to get seriously attention after the first \u201cTelstar I\u201d satellite failure because of electronic damages due to radiation effects in space, and opened a new field of research mostly about radiation hard electronics. The multidisciplinary research in radiation hard electronic field is about radiation effects on semiconductors and ICs, deep understanding about the radiation in the extreme environments, finding alternative solutions to increase the radiation tolerance of electronic components, and development of new simulation method and test techniques. Chapter 2 of this dissertation is about the radiation effects on Silicon and ICs. Moreover, In this chapter, the terminologies of radiation effects on ICs are explained. In chapter 3, the space and high energy physics experiments environments, which are two main branches of radiation hard electronics research, are studied. The radiation tolerance in on-chip circuits is achieving by two kinds of methodology: Radiation Hardening By Process (RHBP) and Radiation Hardening By Design (RHBD). RHBP is achieved by changing the conventional fabrication process of commercial ICs. RHBP is very expensive so it is out of budget for academic research, and in most cases it is exclusive for military application, with very restricted rules which make the access of non-military organizations impossible. RHBD with conventional process is the approach of radiation hard IC design in this dissertation. RHBD at hardware level can be achieved in different ways: \u2022 System level RHBD: radiation hardening at system level is achieved by algorithms which are able to extract correct data using redundant information. \u2022Architecture level RHBD: some hardware architectures are able to prevent of lost data or mitigate the radiation effects on stored data without interfacing of software. Error Correction Code (ECC) circuits and Dual Interlocked storage CEll (DICE) architecture are two examples of RHBD at architecture level. \u2022 Circuit level RHBD: at circuit level, some structures are avoided or significantly reduced. For example, feedback loops with high gain are very sensitive to radiation effects. \u2022 Layout level RHBD: there are also different solutions in layout design level to increase the radiation tolerance of circuits. Specific shapes of transistor design, optimization of the physical distance between redundant data and efficient polarization of substrate are some techniques commonly used to increase significantly the radiation tolerance of ICs. An innovative radiation hard Static Random Access Memory (SRAM), designed in three versions, is presented in chapter 4. The radiation hardening is achieved by RHBD approach simultaneously at architecture, circuit and layout levels. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) 65 nm is the technology of design and the prototype chip is fabricated at Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Chapter 5 is about the development of simulation models that can help to predict the radiation effect in the behavior of SRAM block. The setup system developed to characterize the radiation hard SRAM prototype chip is presented in Chapter 5. The setup system gives the possibility of testing the prototype exposed under radiation in a vacuum chamberand regular laboratory environment. Chapter 6 is about the contribution of this dissertation on FTK project and the conclusion of all research activities is shown in the final part of this dissertation. The research activities of this dissertation in supported by Italian National Institute for Nuclear Physics (INFN) as part of CHIPIX65 project and RD53 collaboration at CERN

Fully Automated Radiation Hardened by Design Circuit Construction

abstract: A fully automated logic design methodology for radiation hardened by design (RHBD) high speed logic using fine grained triple modular redundancy (TMR) is presented. The hardening techniques used in the cell library are described and evaluated, with a focus on both layout techniques that mitigate total ionizing dose (TID) and latchup issues and flip-flop designs that mitigate single event transient (SET) and single event upset (SEU) issues. The base TMR self-correcting master-slave flip-flop is described and compared to more traditional hardening techniques. Additional refinements are presented, including testability features that disable the self-correction to allow detection of manufacturing defects. The circuit approach is validated for hardness using both heavy ion and proton broad beam testing. For synthesis and auto place and route, the methodology and circuits leverage commercial logic design automation tools. These tools are glued together with custom CAD tools designed to enable easy conversion of standard single redundant hardware description language (HDL) files into hardened TMR circuitry. The flow allows hardening of any synthesizable logic at clock frequencies comparable to unhardened designs and supports standard low-power techniques, e.g. clock gating and supply voltage scaling.Dissertation/ThesisPh.D. Electrical Engineering 201

Study of Single-Event Transient Effects on Analog Circuits

Radiation in space is potentially hazardous to microelectronic circuits and systems such as spacecraft electronics. Transient effects on circuits and systems from high energetic particles can interrupt electronics operation or crash the systems. This phenomenon is particularly serious in complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) integrated circuits (ICs) since most of modern ICs are implemented with CMOS technologies. The problem is getting worse with the technology scaling down. Radiation-hardening-by-design (RHBD) is a popular method to build CMOS devices and systems meeting performance criteria in radiation environment. Single-event transient (SET) effects in digital circuits have been studied extensively in the radiation effect community. In recent years analog RHBD has been received increasing attention since analog circuits start showing the vulnerability to the SETs due to the dramatic process scaling. Analog RHBD is still in the research stage. This study is to further study the effects of SET on analog CMOS circuits and introduces cost-effective RHBD approaches to mitigate these effects. The analog circuits concerned in this study include operational amplifiers (op amps), comparators, voltage-controlled oscillators (VCOs), and phase-locked loops (PLLs). Op amp is used to study SET effects on signal amplitude while the comparator, the VCO, and the PLL are used to study SET effects on signal state during transition time. In this work, approaches based on multi-level from transistor, circuit, to system are presented to mitigate the SET effects on the aforementioned circuits. Specifically, RHBD approach based on the circuit level, such as the op amp, adapts the auto-zeroing cancellation technique. The RHBD comparator implemented with dual-well and triple-well is studied and compared at the transistor level. SET effects are mitigated in a LC-tank oscillator by inserting a decoupling resistor. The RHBD PLL is implemented on the system level using triple modular redundancy (TMR) approach. It demonstrates that RHBD at multi-level can be cost-effective to mitigate the SEEs in analog circuits. In addition, SETs detection approaches are provided in this dissertation so that various mitigation approaches can be implemented more effectively. Performances and effectiveness of the proposed RHBD are validated through SPICE simulations on the schematic and pulsed-laser experiments on the fabricated circuits. The proposed and tested RHBD techniques can be applied to other relevant analog circuits in the industry to achieve radiation-tolerance

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

Study of Layout Techniques in Dynamic Logic Circuitry for Single Event Effect Mitigation

Dynamic logic circuits are highly suitable for high-speed applications, considering the fact that they have a smaller area and faster transition. However, their application in space or other radiation-rich environments has been significantly inhibited by their susceptibility to radiation effects. This work begins with the basic operations of dynamic logic circuits, elaborates upon the physics underlying their radiation vulnerability, and evaluates three techniques that harden dynamic logic from the layout: drain extension, pulse quenching, and a proposed method. The drain extension method adds an extra drain to the sensitive node in order to improve charge sharing, the pulse quenching scheme utilizes charge sharing by duplicating a component that offsets the transient pulse, and the proposed technique takes advantage of both. Domino buffers designed using these three techniques, along with a conventional design as reference, were modeled and simulated using a 3D TCAD tool. Simulation results confirm a significant reduction of soft error rate in the proposed technique and suggest a greater reduction with angled incidence. A 130 nm chip containing designed buffer and register chains was fabricated and tested with heavy ion irradiation. According to the experiment results, the proposed design achieved 30% soft error rate reduction, with 19%, 20%, and 10% overhead in speed, power, and area, respectively

A 3-D LUT Design for Transient Error Detection Via Inter-Tier In-Silicon Radiation Sensor

Three-dimensional Integrated Circuits (3-D ICs) have gained much attention as a promising approach to increase IC performance due to their several advantages in terms of integration density, power dissipation, and achievable clock frequencies. However, achieving a 3-D ICs resilient to soft errors resulting from radiation effects is a challenging problem. Traditional Radiation-Hardened-by-Design (RHBD) techniques are costly in terms of area, power, and performance overheads. In this work, we propose a new 3-D LUT design integrating error detection capabilities. The LUT has been designed on a two tiers IC model improving radiation resiliency by selective upsizing of sensitive transistors. Besides, an in-silicon radiation sensor adopting inverters chain has been implemented within the free volume of the 3-D structure. The proposed design shows a 37% reduction in sensitivity to SETs and an effective error detection rate of 83% without introducing any area overhead