Fuzzy approach to multimedia faulty module replacement

For non-real time multimedia systems, we present a fuzzy approach to replacing the faulty module. After analyzing the nature of the random and pseudo-random test sequences applied to a module under test, we obtain the aliasing fault coverage between the random and pseudo-random sequences. The activity probability features of intermittent faults in the module under test are discussed based on the Markov chain model. Results on real examples are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed fuzzy replacement approac

E-QED: Electrical Bug Localization During Post-Silicon Validation Enabled by Quick Error Detection and Formal Methods

During post-silicon validation, manufactured integrated circuits are extensively tested in actual system environments to detect design bugs. Bug localization involves identification of a bug trace (a sequence of inputs that activates and detects the bug) and a hardware design block where the bug is located. Existing bug localization practices during post-silicon validation are mostly manual and ad hoc, and, hence, extremely expensive and time consuming. This is particularly true for subtle electrical bugs caused by unexpected interactions between a design and its electrical state. We present E-QED, a new approach that automatically localizes electrical bugs during post-silicon validation. Our results on the OpenSPARC T2, an open-source 500-million-transistor multicore chip design, demonstrate the effectiveness and practicality of E-QED: starting with a failed post-silicon test, in a few hours (9 hours on average) we can automatically narrow the location of the bug to (the fan-in logic cone of) a handful of candidate flip-flops (18 flip-flops on average for a design with ~ 1 Million flip-flops) and also obtain the corresponding bug trace. The area impact of E-QED is ~2.5%. In contrast, deter-mining this same information might take weeks (or even months) of mostly manual work using traditional approaches

Automated Synthesis of SEU Tolerant Architectures from OO Descriptions

SEU faults are a well-known problem in aerospace environment but recently their relevance grew up also at ground level in commodity applications coupled, in this frame, with strong economic constraints in terms of costs reduction. On the other hand, latest hardware description languages and synthesis tools allow reducing the boundary between software and hardware domains making the high-level descriptions of hardware components very similar to software programs. Moving from these considerations, the present paper analyses the possibility of reusing Software Implemented Hardware Fault Tolerance (SIHFT) techniques, typically exploited in micro-processor based systems, to design SEU tolerant architectures. The main characteristics of SIHFT techniques have been examined as well as how they have to be modified to be compatible with the synthesis flow. A complete environment is provided to automate the design instrumentation using the proposed techniques, and to perform fault injection experiments both at behavioural and gate level. Preliminary results presented in this paper show the effectiveness of the approach in terms of reliability improvement and reduced design effort

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

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.

Signature analysis and test scheduling for self-testable circuits

In complex circuits the test execution is usually divided into a number of subtasks, each producing a signature in a self-test register. These signatures influence one another. A model that can be used as a basis for test scheduling procedures is presented, and it is shown how test schedules can be constructed, in order to minimize the number of signatures to be evaluated. The error masking probabilities decrease when the subtasks of the test execution are repeated in an appropriate order, and an equilibrium situation is reached where the error masking probabilities are minimal. A method is presented for constructing test schedules so that only the signatures at the primary outputs must be evaluated to get a sufficient fault coverage. Then no internal scan path is required, only a few signatures have to be evaluated at the end of the test execution, and the test control at chip and board level is simplified. The amount of hardware to implement a built-in self-test is reduced significantly

A Method to Support Diagnostics of Dynamic Faults in Networks of Interconnections

The article is devoted to the method facilitating the diagnostics of dynamic faults in networks of interconnection in systems-on-chips. It shows how to reconstruct the erroneous test response sequence coming from the faulty connection based on the set of signatures obtained as a result of multiple compaction of this sequence in the MISR register with programmable feedback. The Chinese reminder theorem is used for this purpose. The article analyzes in detail the various hardware realizations of the discussed method. The testing time associated with each proposed solution was also estimated. Presented method can be used with any type of test sequence and test pattern generator. It is also easily scalable to any number of nets in the network of interconnections. Moreover, it supports finding a trade-off between area overhead and testing time

Design of On-Chip Self-Testing Signature Register

Over the last few years, scan test has turn out to be too expensive to implement for industry standard designs due to increasing test data volume and test time. The test cost of a chip is mainly governed by the resource utilization of Automatic Test Equipment (ATE). Also, it directly depends upon test time that includes time required to load test program, to apply test vectors and to analyze generated test response of the chip. An issue of test time and data volume is increasingly appealing designers to use on-chip test data compactors, either on input side or output side or both. Such techniques significantly address the former issues but have little hold over increasing number of input-outputs under test mode. Further, test pins on DUT are increasing over the generations. Thus, scan channels on test floor are falling short in number for placement of such ICs. To address issues discussed above, we introduce an on-chip self-testing signature register. It comprises a response compactor and a comparator. The compactor compacts large chunk of response data to a small test signature whereas the comparator compares this test signature with desired one. The overall test result for the design is generated on single output pin. Being no storage of test response is demanded, the considerable reduction in ATE memory can be observed. Also, with only single pin to be monitored for test result, the number of tester channels and compare edges on ATE side significantly reduce at the end of the test. This cuts down maintenance and usage cost of test floor and increases its life time. Furthermore reduction in test pins gives scope for DFT engineers to increase number of scan chains so as to further reduce test time