Fast and accurate SER estimation for large combinational blocks in early stages of the design

Soft Error Rate (SER) estimation is an important challenge for integrated circuits because of the increased vulnerability brought by technology scaling. This paper presents a methodology to estimate in early stages of the design the susceptibility of combinational circuits to particle strikes. In the core of the framework lies MASkIt , a novel approach that combines signal probabilities with technology characterization to swiftly compute the logical, electrical, and timing masking effects of the circuit under study taking into account all input combinations and pulse widths at once. Signal probabilities are estimated applying a new hybrid approach that integrates heuristics along with selective simulation of reconvergent subnetworks. The experimental results validate our proposed technique, showing a speedup of two orders of magnitude in comparison with traditional fault injection estimation with an average estimation error of 5 percent. Finally, we analyze the vulnerability of the Decoder, Scheduler, ALU, and FPU of an out-of-order, superscalar processor design.This work has been partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and Feder Funds under grant TIN2013-44375-R, by the Generalitat de Catalunya under grant FI-DGR 2016, and by the FP7 program of the EU under contract FP7-611404 (CLERECO).Peer ReviewedPostprint (author's final draft

An advanced Framework for efficient IC optimization based on analytical models engine

En base als reptes sorgits a conseqüència de l'escalat de la tecnologia, la present tesis desenvolupa i analitza un conjunt d'eines orientades a avaluar la sensibilitat a la propagació d'esdeveniments SET en circuits microelectrònics. S'han proposant varies mètriques de propagació de SETs considerant l'impacto dels emmascaraments lògic, elèctric i combinat lògic-elèctric. Aquestes mètriques proporcionen una via d'anàlisi per quantificar tant les regions més susceptibles a propagar SETs com les sortides més susceptibles de rebre'ls. S'ha desenvolupat un conjunt d'algorismes de cerca de camins sensibilitzables altament adaptables a múltiples aplicacions, un sistema lògic especific i diverses tècniques de simplificació de circuits. S'ha demostrat que el retard d'un camí donat depèn dels vectors de sensibilització aplicats a les portes que formen part del mateix, essent aquesta variació de retard comparable a la atribuïble a les variacions paramètriques del proces.En base a los desafíos surgidos a consecuencia del escalado de la tecnología, la presente tesis desarrolla y analiza un conjunto de herramientas orientadas a evaluar la sensibilidad a la propagación de eventos SET en circuitos microelectrónicos. Se han propuesto varias métricas de propagación de SETs considerando el impacto de los enmascaramientos lógico, eléctrico y combinado lógico-eléctrico. Estas métricas proporcionan una vía de análisis para cuantificar tanto las regiones más susceptibles a propagar eventos SET como las salidas más susceptibles a recibirlos. Ha sido desarrollado un conjunto de algoritmos de búsqueda de caminos sensibilizables altamente adaptables a múltiples aplicaciones, un sistema lógico especifico y diversas técnicas de simplificación de circuitos. Se ha demostrado que el retardo de un camino dado depende de los vectores de sensibilización aplicados a las puertas que forman parte del mismo, siendo esta variación de retardo comparable a la atribuible a las variaciones paramétricas del proceso.Based on the challenges arising as a result of technology scaling, this thesis develops and evaluates a complete framework for SET propagation sensitivity. The framework comprises a number of processing tools capable of handling circuits with high complexity in an efficient way. Various SET propagation metrics have been proposed considering the impact of logic, electric and combined logic-electric masking. Such metrics provide a valuable vehicle to grade either in-circuit regions being more susceptible of propagating SETs toward the circuit outputs or circuit outputs more susceptible to produce SET. A quite efficient and customizable true path finding algorithm with a specific logic system has been constructed and its efficacy demonstrated on large benchmark circuits. It has been shown that the delay of a path depends on the sensitization vectors applied to the gates within the path. In some cases, this variation is comparable to the one caused by process parameters variation

Techniques d'abstraction pour l'analyse et la mitigation des effets dus à la radiation

The main objective of this thesis is to develop techniques that can beused to analyze and mitigate the effects of radiation-induced soft errors in industrialscale integrated circuits. To achieve this goal, several methods have been developedbased on analyzing the design at higher levels of abstraction. These techniquesaddress both sequential and combinatorial SER.Fault-injection simulations remain the primary method for analyzing the effectsof soft errors. In this thesis, techniques which significantly speed-up fault-injectionsimulations are presented. Soft errors in flip-flops are typically mitigated by selectivelyreplacing the most critical flip-flops with hardened implementations. Selectingan optimal set to harden is a compute intensive problem and the second contributionconsists of a clustering technique which significantly reduces the number offault-injections required to perform selective mitigation.In terrestrial applications, the effect of soft errors in combinatorial logic hasbeen fairly small. It is known that this effect is growing, yet there exist few techniqueswhich can quickly estimate the extent of combinatorial SER for an entireintegrated circuit. The third contribution of this thesis is a hierarchical approachto combinatorial soft error analysis.Systems-on-chip are often developed by re-using design-blocks that come frommultiple sources. In this context, there is a need to develop and exchange reliabilitymodels. The final contribution of this thesis consists of an application specificmodeling language called RIIF (Reliability Information Interchange Format). Thislanguage is able to model how faults at the gate-level propagate up to the block andchip-level. Work is underway to standardize the RIIF modeling language as well asto extend it beyond modeling of radiation-induced failures.In addition to the main axis of research, some tangential topics were studied incollaboration with other teams. One of these consisted in the development of a novelapproach for protecting ternary content addressable memories (TCAMs), a specialtype of memory important in networking applications. The second supplementalproject resulted in an algorithm for quickly generating approximate redundant logicwhich can protect combinatorial networks against permanent faults. Finally anapproach for reducing the detection time for errors in the configuration RAM forField-Programmable Gate-Arrays (FPGAs) was outlined.Les effets dus à la radiation peuvent provoquer des pannes dans des circuits intégrés. Lorsqu'une particule subatomique, fait se déposer une charge dans les régions sensibles d'un transistor cela provoque une impulsion de courant. Cette impulsion peut alors engendrer l'inversion d'un bit ou se propager dans un réseau de logique combinatoire avant d'être échantillonnée par une bascule en aval.Selon l'état du circuit au moment de la frappe de la particule et selon l'application, cela provoquera une panne observable ou non. Parmi les événements induits par la radiation, seule une petite portion génère des pannes. Il est donc essentiel de déterminer cette fraction afin de prédire la fiabilité du système. En effet, les raisons pour lesquelles une perturbation pourrait être masquée sont multiples, et il est de plus parfois difficile de préciser ce qui constitue une erreur. A cela s'ajoute le fait que les circuits intégrés comportent des milliards de transistors. Comme souvent dans le contexte de la conception assisté par ordinateur, les approches hiérarchiques et les techniques d'abstraction permettent de trouver des solutions.Cette thèse propose donc plusieurs nouvelles techniques pour analyser les effets dus à la radiation. La première technique permet d'accélérer des simulations d'injections de fautes en détectant lorsqu'une faute a été supprimée du système, permettant ainsi d'arrêter la simulation. La deuxième technique permet de regrouper en ensembles les éléments d'un circuit ayant une fonction similaire. Ensuite, une analyse au niveau des ensemble peut être faite, identifiant ainsi ceux qui sont les plus critiques et qui nécessitent donc d'être durcis. Le temps de calcul est ainsi grandement réduit.La troisième technique permet d'analyser les effets des fautes transitoires dans les circuits combinatoires. Il est en effet possible de calculer à l'avance la sensibilité à des fautes transitoires de cellules ainsi que les effets de masquage dans des blocs fréquemment utilisés. Ces modèles peuvent alors être combinés afin d'analyser la sensibilité de grands circuits. La contribution finale de cette thèse consiste en la définition d'un nouveau langage de modélisation appelé RIIF (Reliability Information Ineterchange Format). Ce langage permet de décrire le taux des fautes dans des composants simples en fonction de leur environnement de fonctionnement. Ces composants simples peuvent ensuite être combinés permettant ainsi de modéliser la propagation de leur fautes vers des pannes au niveau système. En outre, l'utilisation d'un langage standard facilite l'échange de données de fiabilité entre les partenaires industriels.Au-delà des contributions principales, cette thèse aborde aussi des techniques permettant de protéger des mémoires associatives ternaires (TCAMs). Les approches classiques de protection (codes correcteurs) ne s'appliquent pas directement. Une des nouvelles techniques proposées consiste à utiliser une structure de données qui peut détecter, d'une manière statistique, quand le résultat n'est pas correct. La probabilité de détection peut être contrôlée par le nombre de bits alloués à cette structure. Une autre technique consiste à utiliser un détecteur de courant embarqué (BICS) afin de diriger un processus de fond directement vers le région touchée par une erreur. La contribution finale consiste en un algorithme qui permet de synthétiser de la logique combinatoire afin de protéger des circuits combinatoires contre les fautes transitoires.Dans leur ensemble, ces techniques facilitent l'analyse des erreurs provoquées par les effets dus à la radiation dans les circuits intégrés, en particulier pour les très grands circuits composés de blocs provenant de divers fournisseurs. Des techniques pour mieux sélectionner les bascules/flip-flops à durcir et des approches pour protéger des TCAMs ont étés étudiées