Testability and redundancy techniques for improved yield and reliability of CMOS VLSI circuits

The research presented in this thesis is concerned with the design of fault-tolerant integrated circuits as a contribution to the design of fault-tolerant systems. The economical manufacture of very large area ICs will necessitate the incorporation of fault-tolerance features which are routinely employed in current high density dynamic random access memories. Furthermore, the growing use of ICs in safety-critical applications and/or hostile environments in addition to the prospect of single-chip systems will mandate the use of fault-tolerance for improved reliability. A fault-tolerant IC must be able to detect and correct all possible faults that may affect its operation. The ability of a chip to detect its own faults is not only necessary for fault-tolerance, but it is also regarded as the ultimate solution to the problem of testing. Off-line periodic testing is selected for this research because it achieves better coverage of physical faults and it requires less extra hardware than on-line error detection techniques. Tests for CMOS stuck-open faults are shown to detect all other faults. Simple test sequence generation procedures for the detection of all faults are derived. The test sequences generated by these procedures produce a trivial output, thereby, greatly simplifying the task of test response analysis. A further advantage of the proposed test generation procedures is that they do not require the enumeration of faults. The implementation of built-in self-test is considered and it is shown that the hardware overhead is comparable to that associated with pseudo-random and pseudo-exhaustive techniques while achieving a much higher fault coverage through-the use of the proposed test generation procedures. The consideration of the problem of testing the test circuitry led to the conclusion that complete test coverage may be achieved if separate chips cooperate in testing each other's untested parts. An alternative approach towards complete test coverage would be to design the test circuitry so that it is as distributed as possible and so that it is tested as it performs its function. Fault correction relies on the provision of spare units and a means of reconfiguring the circuit so that the faulty units are discarded. This raises the question of what is the optimum size of a unit? A mathematical model, linking yield and reliability is therefore developed to answer such a question and also to study the effects of such parameters as the amount of redundancy, the size of the additional circuitry required for testing and reconfiguration, and the effect of periodic testing on reliability. The stringent requirement on the size of the reconfiguration logic is illustrated by the application of the model to a typical example. Another important result concerns the effect of periodic testing on reliability. It is shown that periodic off-line testing can achieve approximately the same level of reliability as on-line testing, even when the time between tests is many hundreds of hours

Design-for-delay-testability techniques for high-speed digital circuits

The importance of delay faults is enhanced by the ever increasing clock rates and decreasing geometry sizes of nowadays' circuits. This thesis focuses on the development of Design-for-Delay-Testability (DfDT) techniques for high-speed circuits and embedded cores. The rising costs of IC testing and in particular the costs of Automatic Test Equipment are major concerns for the semiconductor industry. To reverse the trend of rising testing costs, DfDT is\ud getting more and more important

An efficient logic fault diagnosis framework based on effect-cause approach

Fault diagnosis plays an important role in improving the circuit design process and the manufacturing yield. With the increasing number of gates in modern circuits, determining the source of failure in a defective circuit is becoming more and more challenging. In this research, we present an efficient effect-cause diagnosis framework for combinational VLSI circuits. The framework consists of three stages to obtain an accurate and reasonably precise diagnosis. First, an improved critical path tracing algorithm is proposed to identify an initial suspect list by backtracing from faulty primary outputs toward primary inputs. Compared to the traditional critical path tracing approach, our algorithm is faster and exact. Second, a novel probabilistic ranking model is applied to rank the suspects so that the most suspicious one will be ranked at or near the top. Several fast filtering methods are used to prune unrelated suspects. Finally, to refine the diagnosis, fault simulation is performed on the top suspect nets using several common fault models. The difference between the observed faulty behavior and the simulated behavior is used to rank each suspect. Experimental results on ISCAS85 benchmark circuits show that this diagnosis approach is efficient both in terms of memory space and CPU time and the diagnosis results are accurate and reasonably precise

Identifying worst case test vectors for FPGA exposed to total ionization dose using design for testability techniques

Electronic devices often operate in harsh environments which contain a variation of radiation sources. Radiation may cause different kinds of damage to proper operation of the devices. Their sources can be found in terrestrial environments, or in extra-terrestrial environments like in space, or in man-made radiation sources like nuclear reactors, biomedical devices and high energy particles physics experiments equipment. Depending on the operation environment of the device, the radiation resultant effect manifests in several forms like total ionizing dose effect (TID), or single event effects (SEEs) such as single event upset (SEU), single event gate rupture (SEGR), and single event latch up (SEL). TID effect causes an increase in the delay and the leakage current of CMOS circuits which may damage the proper operation of the integrated circuit. To ensure proper operation of these devices under radiation, thorough testing must be made especially in critical applications like space and military applications. Although the standard which describes the procedure for testing electronic devices under radiation emphasizes the use of worst case test vectors (WCTVs), they are never used in radiation testing due to the difficulty of generating these vectors for circuits under test. For decades, design for testability (DFT) has been the best choice for test engineers to test digital circuits in industry. It has become a very mature technology that can be relied on. DFT is usually used with automatic test patterns generation (ATPG) software to generate test vectors to test application specific integrated circuits (ASICs), especially with sequential circuits, against faults like stuck at faults and path delay faults. Surprisingly, however, radiation testing has not yet made use of this reliable technology. In this thesis, a novel methodology is proposed to extend the usage of DFT to generate WCTVs for delay failure in Flash based field programmable gate arrays (FPGAs) exposed to total ionizing dose (TID). The methodology is validated using MicroSemi ProASIC3 FPGA and cobalt 60 facility

Study of Single Event Transient Error Mitigation

Single Event Transient (SET) errors in ground-level electronic devices are a growing concern in the radiation hardening field. However, effective SET mitigation technologies which satisfy ground-level demands such as generic, flexible, efficient, and fast, are limited. The classic Triple Modular Redundancy (TMR) method is the most well-known and popular technique in space and nuclear environment. But it leads to more than 200% area and power overheads, which is too costly to implement in ground-level applications. Meanwhile, the coding technique is extensively utilized to inhibit upset errors in storage cells, but the irregularity of combinatorial logics limits its use in SET mitigation. Therefore, SET mitigation techniques suitable for ground-level applications need to be addressed. Aware of the demands for SET mitigation techniques in ground-level applications, this thesis proposes two novel approaches based on the redundant wire and approximate logic techniques. The Redundant Wire is a SET mitigation technique. By selectively adding redundant wire connections, the technique can prohibit targeted transient faults from propagating on the fly. This thesis proposes a set of signature-based evaluation equations to efficiently estimate the protecting effect provided by each redundant wire candidates. Based on the estimated results, a greedy algorithm is used to insert the best candidate repeatedly. Simulation results substantiate that the evaluation equations can achieve up to 98% accuracy on average. Regarding protecting effects, the technique can mask 18.4% of the faults with a 4.3% area, 4.4% power, and 5.4% delay overhead on average. Overall, the quality of protecting results obtained are 2.8 times better than the previous work. Additionally, the impact of synthesis constraints and signature length are discussed. Approximate Logic is a partial TMR technique offering a trade-off between fault coverage and area overheads. The approximate logic consists of an under-approximate logic and an over-approximate logic. The under-approximate logic is a subset of the original min-terms and the over-approximate logic is a subset of the original max-terms. This thesis proposes a new algorithm for generating the two approximate logics. Through the generating process, the algorithm considers the intrinsic failure probabilities of each gate and utilizes a confidence interval estimate equation to minimize required computations. The technique is applied to two fault models, Stuck-at and SET, and the separate results are compared and discussed. The results show that the technique can reduce the error 75% with an area penalty of 46% on some circuits. The delay overheads of this technique are always two additional layers of logic. The two proposed SET mitigation techniques are both applicable to generic combinatorial logics and with high flexibility. The simulation shows promising SET mitigation ability. The proposed mitigation techniques provide designers more choices in developing reliable combinatorial logic in ground-level applications

HARDWARE ATTACK DETECTION AND PREVENTION FOR CHIP SECURITY

Hardware security is a serious emerging concern in chip designs and applications. Due to the globalization of the semiconductor design and fabrication process, integrated circuits (ICs, a.k.a. chips) are becoming increasingly vulnerable to passive and active hardware attacks. Passive attacks on chips result in secret information leaking while active attacks cause IC malfunction and catastrophic system failures. This thesis focuses on detection and prevention methods against active attacks, in particular, hardware Trojan (HT). Existing HT detection methods have limited capability to detect small-scale HTs and are further challenged by the increased process variation. We propose to use differential Cascade Voltage Switch Logic (DCVSL) method to detect small HTs and achieve a success rate of 66% to 98%. This work also presents different fault tolerant methods to handle the active attacks on symmetric-key cipher SIMON, which is a recent lightweight cipher. Simulation results show that our Even Parity Code SIMON consumes less area and power than double modular redundancy SIMON and Reversed-SIMON, but yields a higher fault -detection-failure rate as the number of concurrent faults increases. In addition, the emerging technology, memristor, is explored to protect SIMON from passive attacks. Simulation results indicate that the memristor-based SIMON has a unique power characteristic that adds new challenges on secrete key extraction

Supply Current Diagnosis in VLSI

This paper presents a technique based upon the power supply current signature (cd) which allows for the testing of mixed-signal systems, in situ. Through experiments with a microprocessor, the cd is shown to contain important information concerning the operational status of the system which may be easily extracted using approaches based on statistical signal detection theory. The fault-detection performance of these techniques is compared to that achieved through auto-regressive modeling of the cd

NASA Space Engineering Research Center Symposium on VLSI Design

The NASA Space Engineering Research Center (SERC) is proud to offer, at its second symposium on VLSI design, presentations by an outstanding set of individuals from national laboratories and the electronics industry. These featured speakers share insights into next generation advances that will serve as a basis for future VLSI design. Questions of reliability in the space environment along with new directions in CAD and design are addressed by the featured speakers

An Integrated Test Plan for an Advanced Very Large Scale Integrated Circuit Design Group

VLSI testing poses a number of problems which includes the selection of test techniques, the determination of acceptable fault coverage levels, and test vector generation. Available device test techniques are examined and compared. Design rules should be employed to assure the design is testable. Logic simulation systems and available test utilities are compared. The various methods of test vector generation are also examined. The selection criteria for test techniques are identified. A table of proposed design rules is included. Testability measurement utilities can be used to statistically predict the test generation effort. Field reject rates and fault coverage are statistically related. Acceptable field reject rates can be achieved with less than full test vector fault coverage. The methods and techniques which are examined form the basis of the recommended integrated test plan. The methods of automatic test vector generation are relatively primitive but are improving

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.