19 research outputs found

    Voltage sensing based built-in current sensor for IDDQ test

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    Quiescent current leakage test of the VDD supply (IDDQ Test) has been proven an effective way to screen out defective chips in manufacturing of Integrated Circuits (IC). As technology advances, the traditional IDDQ test is facing more and more challenges. In this research, a practical built-in current sensor (BICS) is proposed and the design is verified by three generations of test chips. The BICS detects the signal by sensing the voltage drop on supply lines of the circuit under test (CUT). Then the sensor performs analog-to-digital conversion of the input signal using a stochastic process with scan chain readout. Self-calibration and digital chopping are used to minimize offset and low frequency noise and drift. This non-invasive procedure avoids any performance degradation of the CUT. The measurement results of test chips are presented. The sensor achieves a high IDDQ resolution with small chip area overhead. This will enable IDDQ of future technology generations

    Energy-efficient analog-to-digital conversion for ultra-wideband radio

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    Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2007.Includes bibliographical references (p. 207-222).In energy constrained signal processing and communication systems, a focus on the analog or digital circuits in isolation cannot achieve the minimum power consumption. Furthermore, in advanced technologies with significant variation, yield is traditionally achieved only through conservative design and a sacrifice of energy efficiency. In this thesis, these limitations are addressed with both a comprehensive mixed-signal design methodology and new circuits and architectures, as presented in the context of an analog-to-digital converter (ADC) for ultra-wideband (UWB) radio. UWB is an emerging technology capable of high-data-rate wireless communication and precise locationing, and it requires high-speed (>500MS/s), low-resolution ADCs. The successive approximation register (SAR) topology exhibits significantly reduced complexity compared to the traditional flash architecture. Three time-interleaved SAR ADCs have been implemented. At the mixed-signal optimum energy point, parallelism and reduced voltage supplies provide more than 3x energy savings. Custom control logic, a new capacitive DAC, and a hierarchical sampling network enable the high-speed operation. Finally, only a small amount of redundancy, with negligible power penalty, dramatically improves the yield of the highly parallel ADC in deep sub-micron CMOS.by Brian P. Ginsburg.Ph.D

    Design and debugging of multi-step analog to digital converters

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    With the fast advancement of CMOS fabrication technology, more and more signal-processing functions are implemented in the digital domain for a lower cost, lower power consumption, higher yield, and higher re-configurability. The trend of increasing integration level for integrated circuits has forced the A/D converter interface to reside on the same silicon in complex mixed-signal ICs containing mostly digital blocks for DSP and control. However, specifications of the converters in various applications emphasize high dynamic range and low spurious spectral performance. It is nontrivial to achieve this level of linearity in a monolithic environment where post-fabrication component trimming or calibration is cumbersome to implement for certain applications or/and for cost and manufacturability reasons. Additionally, as CMOS integrated circuits are accomplishing unprecedented integration levels, potential problems associated with device scaling – the short-channel effects – are also looming large as technology strides into the deep-submicron regime. The A/D conversion process involves sampling the applied analog input signal and quantizing it to its digital representation by comparing it to reference voltages before further signal processing in subsequent digital systems. Depending on how these functions are combined, different A/D converter architectures can be implemented with different requirements on each function. Practical realizations show the trend that to a first order, converter power is directly proportional to sampling rate. However, power dissipation required becomes nonlinear as the speed capabilities of a process technology are pushed to the limit. Pipeline and two-step/multi-step converters tend to be the most efficient at achieving a given resolution and sampling rate specification. This thesis is in a sense unique work as it covers the whole spectrum of design, test, debugging and calibration of multi-step A/D converters; it incorporates development of circuit techniques and algorithms to enhance the resolution and attainable sample rate of an A/D converter and to enhance testing and debugging potential to detect errors dynamically, to isolate and confine faults, and to recover and compensate for the errors continuously. The power proficiency for high resolution of multi-step converter by combining parallelism and calibration and exploiting low-voltage circuit techniques is demonstrated with a 1.8 V, 12-bit, 80 MS/s, 100 mW analog to-digital converter fabricated in five-metal layers 0.18-µm CMOS process. Lower power supply voltages significantly reduce noise margins and increase variations in process, device and design parameters. Consequently, it is steadily more difficult to control the fabrication process precisely enough to maintain uniformity. Microscopic particles present in the manufacturing environment and slight variations in the parameters of manufacturing steps can all lead to the geometrical and electrical properties of an IC to deviate from those generated at the end of the design process. Those defects can cause various types of malfunctioning, depending on the IC topology and the nature of the defect. To relive the burden placed on IC design and manufacturing originated with ever-increasing costs associated with testing and debugging of complex mixed-signal electronic systems, several circuit techniques and algorithms are developed and incorporated in proposed ATPG, DfT and BIST methodologies. Process variation cannot be solved by improving manufacturing tolerances; variability must be reduced by new device technology or managed by design in order for scaling to continue. Similarly, within-die performance variation also imposes new challenges for test methods. With the use of dedicated sensors, which exploit knowledge of the circuit structure and the specific defect mechanisms, the method described in this thesis facilitates early and fast identification of excessive process parameter variation effects. The expectation-maximization algorithm makes the estimation problem more tractable and also yields good estimates of the parameters for small sample sizes. To allow the test guidance with the information obtained through monitoring process variations implemented adjusted support vector machine classifier simultaneously minimize the empirical classification error and maximize the geometric margin. On a positive note, the use of digital enhancing calibration techniques reduces the need for expensive technologies with special fabrication steps. Indeed, the extra cost of digital processing is normally affordable as the use of submicron mixed signal technologies allows for efficient usage of silicon area even for relatively complex algorithms. Employed adaptive filtering algorithm for error estimation offers the small number of operations per iteration and does not require correlation function calculation nor matrix inversions. The presented foreground calibration algorithm does not need any dedicated test signal and does not require a part of the conversion time. It works continuously and with every signal applied to the A/D converter. The feasibility of the method for on-line and off-line debugging and calibration has been verified by experimental measurements from the silicon prototype fabricated in standard single poly, six metal 0.09-µm CMOS process

    VLSI smart sensor-processor for fingerprint comparison

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    A time-based approach for multi-GHz embedded mixed-signal characterization and measurement /

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    The increasingly more sophisticated systems that are nowadays implemented on a single chip are placing stringent requirements on the test industry. New test strategies, equipment, and methodologies need to be developed to sustain the constant increase in demand for consumer and communication electronics. Techniques for built-in-self-test (BIST) and design-for-test (DFT) strategies have been proven to offer more feasible and economical testing solutions.Previous works have been conducted to perform on-chip testing, characterization, and measurement of signals and components. The current thesis advances those techniques on many levels. In terms of performance, an increase of more than an order of magnitude in speed is achieved. 70-GHz (effective sampling) on-chip oscilloscope is reported, compared to 4-GHz and 10-GHz ones in previous state-of-the-art implementations. Power dissipation is another area where the proposed work offer a superior solution compared to previous alternatives. All the proposed circuits do not exceed a few milliWatts of power dissipation, while performing multi-GHz high-speed signal capture at a medium resolution. Finally, and possibly most importantly, all the proposed circuits for test rely on a different form of signal processing; the time-based approach. It is believed that this approach paves the path to a lot of new techniques and circuit design skills that can be investigated more deeply. As an integral part of the time-based processing approach for GHz signal capture, this thesis verifies the advantages of using time amplification. The use of such amplification in the time domain is materialized with experimental results from three specific integrated circuits achieving different tasks in GHz high-speed in-situ signal measurement and characterization. Advantages of using such time-based approach techniques, when combined with the use of a front-end time amplifier, include noise immunity, the use of synthesizable digital cells, and circuit building blocks that track the technology scaling in terms of area and speed

    Wireless Testing of Integrated Circuits.

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    Integrated circuits (ICs) are usually tested during manufacture by means of automatic testing equipment (ATE) employing probe cards and needles that make repeated physical contact with the ICs under test. Such direct-contact probing is very costly and imposes limitations on the use of ATE. For example, the probe needles must be frequently cleaned or replaced, and some emerging technologies such as three-dimensional ICs cannot be probed at all. As an alternative to conventional probe-card testing, wireless testing has been proposed. It mitigates many of the foregoing problems by replacing probe needles and contact points with wireless communication circuits. However, wireless testing also raises new problems which are poorly understood such as: What is the most suitable wireless communication technique to employ, and how well does it work in practice? This dissertation addresses the design and implementation of circuits to support wireless testing of ICs. Various wireless testing methods are investigated and evaluated with respect to their practicality. The research focuses on near-field capacitive communication because of its efficiency over the very short ranges needed during IC manufacture. A new capacitive channel model including chip separation, cross-talk, and misalignment effects is proposed and validated using electro-magnetic simulation studies to provide the intuitions for efficient antenna and circuit design. We propose a compact clock and data recovery architecture to avoid a dedicated clock channel. An analytical model which predicts the DC-level fluctuation due to the capacitive channel is presented. Based on this model, feed-forward clock selection is designed to enhance performance. A method to select proper channel termination is discussed to maximize the channel efficiency for return-to-zero signaling. Two prototype ICs incorporating wireless testing systems were fabricated and tested with the proposed methods of testing digital circuits. Both successfully demonstrated gigahertz communication speeds with a bit-error rate less than 10^−11. A third prototype IC containing analog voltage measurement circuits was implemented to determine the feasibility of wirelessly testing analog circuits. The fabricated prototype achieved satisfactory voltage measurement with 1 mV resolution. Our work demonstrates the validity of the proposed models and the feasibility of near-field capacitive communication for wireless testing of ICs.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/93993/1/duelee_1.pd

    Dependable Embedded Systems

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    This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems

    Predicting power scalability in a reconfigurable platform

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    This thesis focuses on the evolution of digital hardware systems. A reconfigurable platform is proposed and analysed based on thin-body, fully-depleted silicon-on-insulator Schottky-barrier transistors with metal gates and silicide source/drain (TBFDSBSOI). These offer the potential for simplified processing that will allow them to reach ultimate nanoscale gate dimensions. Technology CAD was used to show that the threshold voltage in TBFDSBSOI devices will be controllable by gate potentials that scale down with the channel dimensions while remaining within appropriate gate reliability limits. SPICE simulations determined that the magnitude of the threshold shift predicted by TCAD software would be sufficient to control the logic configuration of a simple, regular array of these TBFDSBSOI transistors as well as to constrain its overall subthreshold power growth. Using these devices, a reconfigurable platform is proposed based on a regular 6-input, 6-output NOR LUT block in which the logic and configuration functions of the array are mapped onto separate gates of the double-gate device. A new analytic model of the relationship between power (P), area (A) and performance (T) has been developed based on a simple VLSI complexity metric of the form ATσ = constant. As σ defines the performance “return” gained as a result of an increase in area, it also represents a bound on the architectural options available in power-scalable digital systems. This analytic model was used to determine that simple computing functions mapped to the reconfigurable platform will exhibit continuous power-area-performance scaling behavior. A number of simple arithmetic circuits were mapped to the array and their delay and subthreshold leakage analysed over a representative range of supply and threshold voltages, thus determining a worse-case range for the device/circuit-level parameters of the model. Finally, an architectural simulation was built in VHDL-AMS. The frequency scaling described by σ, combined with the device/circuit-level parameters predicts the overall power and performance scaling of parallel architectures mapped to the array

    Contributions to the detection and diagnosis of soft errors in radiation environments

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    Texto completo descargado desde Teseo1. Introducción Los efectos de la radiación ionizante sobre dispositivos semiconductores es objeto de estudio desde la invención del transistor bipolar en 1947. El espacio es un entorno de alta radiación, como pusieron de manifiesto los primeros satélites puestos en órbita, y fue durante la carrera espacial de los años 50 cuando se impulsó el estudio de errores generados en componentes electrónicos críticos a bordo de las primeras misiones espaciales. La necesidad de robustecer la electrónica frente a la radiación ha estado siempre presente en el sector aeroespacial, además, el progresivo escalado de las tecnologías microelectrónicas, hace que el problema sea cada vez más acuciante, afectando incluso a dispositivos que operan a nivel del mar. El advenimiento de tecnologías nanométricas augura que serán necesarias nuevas y más eficaces técnicas de robustecimiento que garanticen la fiabilidad de equipos electrónicos críticos en sectores tan importantes como la aviación, automoción o energía nuclear. Existen dos métodos de robustecimiento para los dispositivos electrónicos, por proceso y por diseño. En el primer caso, el circuito integrado es fabricado en una tecnología que presenta baja sensibilidad a los efectos de la radiación, como la ampliamente utilizada SOI (Silicon On Insulator). En el segundo caso, el circuito presenta topologías en su diseño que mitigan en mayor o menor grado el daño por radiación. La efectividad de cualquier medida de protección debe ser validada en el correspondiente ensayo de radiación de acuerdo a los estándares vigentes (ESA, NASA, JEDEC, AEC,...). Existen varios tipos de daño por radiación, asociados a dosis acumulada (TID) y a eventos únicos (SEE), fundamentalmente. Estos últimos están asociados al paso de una única partícula energética a través del dispositivo, que genera una estela de carga y puede dar lugar a respuestas eléctricas no deseadas, como conmutación 2 2 Antecedentes de biestables, enclavamiento de un bit o excursiones de voltaje transitorias. A su vez, dentro de los errores asociados a eventos únicos se puede distinguir entre daños físicos, que pueden destruir el dispositivo de manera irreversible, y errores lógicos o soft errors que conllevan la corrupción del estado de un circuito digital, por ejemplo por la conmutación del valor lógico de un biestable. Los tests en aceleradores de partículas o con fuentes radiactivas, se consideran los ensayos más representativos para conocer la inmunidad de un componente frente al daño de tipo SEE. Sin embargo, la complejidad de estos ensayos dificulta la observabilidad experimental y la interpretación de los resultados obtenidos. En particular los tests dinámicos, que implican que el chip esté operando durante la irradiacón, comportan una dificultad añadida a la hora de interpretar los errores observados en las salidas del circuito. El test dinámico de radiación es el más realista, ya que introduce la variable temporal en el experimento y da lugar a efectos reales que no son reproducibles en condiciones estáticas, como el evento único transitorio (SET). El trabajo a realizar durante esta tesis pretende aportar una metodología de test que mejore la observabilidad de errores lógicos en un test dinámico de radiación de circuitos digitales mediante detección y diagnóstico en tiempo real. 2. Antecedentes La experiencia investigadora del grupo al que pertenece el autor de esta tesis en el campo de los efectos de la radiación sobre dispositivos electrónicos, ha puesto de manifiesto la necesidad de establecer una metodología que permita el diagnóstico de los errores observados en un componente electrónico sometido a radiación ionizante. Generalmente, no es posible correlacionar con certeza el efecto (anomalía detectada en los puertos de salida) con la causa del mismo. La complejidad inherente a la instrumentación de un ensayo de radiación en un acelerador 3 3 Hipótesis y Objetivos de partículas, así como la propia comlejidad del circuito bajo estudio, requieren algún criterio de clasificación de los errores observados que pueden ser de muy diversa naturaleza. Algunos autores han aportado técnicas que combinan inyección de fallos dinámica con test en acelerador estáticos para estimar la probabilidad de fallo real del circuito, salvando la complejidad del test de radiación dinámico. La protección selectiva, consistente en adoptar topologías de diseño robustas en ¿puntos calientes¿ o críticos del circuito, requiere técnicas de ensayo que permita el diagnóstico y localización del daño por radiación. El uso de microsondas nucleares permite la focalización de un haz de iones en una región relativamente pequeña, facilitando el diagnóstico. La disponibilidad de uso de la microsonda nuclear en el Centro Nacional de Aceleradores puede contribuir al desarrollo de la técnica de detección y diagnóstico que es objeto de esta tesis. La curva de sección eficaz de fallo SEE es la forma más extendida de representación de resultados de experimentación. Estas curvas representan una colección de datos experimentales que deben ser minuciosamente clasificados. Lo mismo ocurre en los tests destinados a evaluar la tasa de errores lógicos en tiempo real (RTSER). En este sentido, la norma JEDEC JESD89-1A recomienda que se sigan ¿criterios de fallo¿ para la correcta identificación de los errores detectados a la salida de un circuito en tests de radiación. 3. Hipótesis y Objetivos El grupo de investigación al que pertenece el doctorando, posee una contrastada experiencia en el uso de emuladores hardware para la evaluación temprana de la robustez de diseños digitales ante errores lógicos. Estos emuladores inyectan fallos en la netlist de un diseño digital y estudian la evolución del estado del circuito durante la ejecución de un conjunto de estímulos. La principal ventaja de estas herramientas frente a la simulación, radica en la aceleración hardware de los 4 3 Hipótesis y Objetivos tests que permite la finalización de campañas de inyección masivas en un tiempo relativamente corto. Las campañas masivas o sistemáticas de inyección de fallos permiten comprobar de forma exhaustiva la respuesta de un diseño digital a un entorno de alta radiación. Estas campañas arrojan una ingente cantidad de información acerca de las vulnerabilidades del diseño que debe ser procesada generalmente de forma estadística. La correlación entre el instante y lugar de inyección del fallo emulado y la respuesta del mismo, sería una información que permitiría establecer la causa de un error (comportamiento anómalo) observado durante un test de radiación, donde generalmente sólo están accesibles las salidas del dispositivo. Los resultados de una campaña de inyección dependen, además del diseño bajo test, del conjunto de estímulos aplicado (workload). A partir de los resultados de la campaña de inyección masiva, se puede realizar un estudio estadístico que determine la calidad de los vectores de test desde el punto de vista del diagnóstico. Es de esperar que diferentes fallos inyectados compartan la misma firma, de manera que en caso de obtener dicha firma en un test de radiación, sea imposible determinar exactamente el punto de inyección del fallo. A la hora de preparar un test de radiación, es recomendable emplear vectores de test que garanticen que la certidumbre del diagnóstico sea máxima, lo cual es un aporte adicional de la tesis. Esta tesis pretende establecer un procedimiento que permita obtener ¿diccionarios de fallos¿ en los que se establece una correlación entre el punto de inyección y la respuesta del circuito codificada en una firma de pocos bytes. Durante un test de radiación se pueden obtener en tiempo real las firmas generadas por el circuito, que servirán para diagnosticar en cada caso el origen del daño empleando los diccionarios de fallos previamente generados en un emulador hardware. En el supuesto de que la firma generada durante la irradiación no estuviera contenida en un diccionario exhaustivo, se puede decir que el error no ha sido originado por el 5 4 Metodología y Trabajo Realizado modelo de fallo empleado en la generación del diccionario, debiéndose por tanto a un tipo de daño no contemplado (por ejemplo daño físico). La culminación de la tesis es el test de radiación en un acelerador de partículas. La Universidad de Sevilla cuenta con las instalaciones del Centro Nacional de Aceleradores, que puede ser un banco de pruebas idóneo para comprobar la validez de la metodología y comprobar las ventajas e inconvenientes de la misma. 4. Metodología y Trabajo Realizado El plan de trabajo incluyó los siguientes hitos en el orden expuesto: Estudio de la base de conocimiento genérica relacionada con los efectos de la radiación en circuitos electrónicos Análisis del Estado del Arte en técnicas de inyección de fallos en circuitos digitales. Recopilación de normas y estándares relacionados con los test radiación de componentes electrónicos. Estudio simulado de bajo nivel de los efectos de la radiación en tecnologías submicrométricas. Selección de un módulo adecuado para creación de firmas a partir de las salidas de un circuito digital. Adecuación del emulador hardware FT-UNSHADES para la generación de firmas durante las campañas de inyección. Selección de un vehículo de test para el experimento en la microsonda nuclear del CNA. 6 4 Metodología y Trabajo Realizado Realización de campañas de inyección masivas para la generación de diccionarios de fallos sobre diseños digitales y análisis de resultados. Preparación del setup experimental para el acelerador de partículas. Experimento en la microsonda nuclear del CNA y análisis de resultados. El estudio bibliográfico de la base de conocimiento en el campo de los efectos de la radiación sobre circuitos electrónicos ha sido fundamental para poder establecer el ámbito de aplicación de la tesis. El papel de la emulación hardware para inyección de fallos en esta investigación fue crítica y ha sido necesario un estudio de las plataformas existentes para entender qué puede aportar cada herramienta. Para acabar con la documentación, es necesario además recopilar las normas y estándares relacionados con test de radiación de circuitos electrónicos. La simulación de bajo nivel de los efectos de la radiación sobre una determinada tecnología engloba herramientas como SPICE, SRIM y TCAD. Estas simulaciones permiten estimar cuales deben ser las características del haz de iones empleado en un futuro ensayo en el acelerador de partículas. Los resultados de estas simulaciones fueron discutidos con los técnicos del acelerador para estudiar la viabilidad de los parámetros deseados. Un elemento clave en la metodología fue el bloque que debe generar las firmas a partir de las salidas del circuito digital. Es deseable que se trate de un módulo sencillo y que pueda ser implementado en un dispositivo programable sin suponer un consumo excesivo de recursos. El emulador FT-UNSHADES fue adaptado par incorporar el módulo de firmas. Se dispuso de un circuito integrado que servió vehículo de test para un experimento en el CNA. Es necesaria además la descripción VHDL del mismo para su emulación en FT-UNSHADES. No es objeto de esta tesis el desarrollo de este componente, su diseño y fabricación está fuera del alcance de esta tesis. Se gener- 7 4 Metodología y Trabajo Realizado aron diccionarios de fallos del vehículo de tests y de otros diseños digitales y, a partir de estos diccionarios, se han confeccionado estudios estadísticos de diagnóstico. En una fase ulterior, se desarrolló el hardware necesario para el setup experimental. Todo el hardware se probó en el laboratorio, antes de acudir al CNA. El resultado de esta etapa es la configuración del equipamiento de test automático (ATE) que se encargó de introducir estímulos en el chip y monitorizarlo durante el experimento en el acelerador de partículas. Finalmente, se llevó a cabo un experimento en el Centro Nacional de Aceleradores sobre el vehículo de test elegido para completar una prueba de concepto de la metodología propuesta.
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