Robust Design of Variation-Sensitive Digital Circuits

The nano-age has already begun, where typical feature dimensions are smaller than 100nm. The operating frequency is expected to increase up to 12 GHz, and a single chip will contain over 12 billion transistors in 2020, as given by the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) initiative. ITRS also predicts that the scaling of CMOS devices and process technology, as it is known today, will become much more difficult as the industry advances towards the 16nm technology node and further. This aggressive scaling of CMOS technology has pushed the devices to their physical limits. Design goals are governed by several factors other than power, performance and area such as process variations, radiation induced soft errors, and aging degradation mechanisms. These new design challenges have a strong impact on the parametric yield of nanometer digital circuits and also result in functional yield losses in variation-sensitive digital circuits such as Static Random Access Memory (SRAM) and flip-flops. Moreover, sub-threshold SRAM and flip-flops circuits, which are aggravated by the strong demand for lower power consumption, show larger sensitivity to these challenges which reduces their robustness and yield. Accordingly, it is not surprising that the ITRS considers variability and reliability as the most challenging obstacles for nanometer digital circuits robust design. Soft errors are considered one of the main reliability and robustness concerns in SRAM arrays in sub-100nm technologies due to low operating voltage, small node capacitance, and high packing density. The SRAM arrays soft errors immunity is also affected by process variations. We develop statistical design-oriented soft errors immunity variations models for super-threshold and sub-threshold SRAM cells accounting for die-to-die variations and within-die variations. This work provides new design insights and highlights the important design knobs that can be used to reduce the SRAM cells soft errors immunity variations. The developed models are scalable, bias dependent, and only require the knowledge of easily measurable parameters. This makes them useful in early design exploration, circuit optimization as well as technology prediction. The derived models are verified using Monte Carlo SPICE simulations, referring to an industrial hardware-calibrated 65nm CMOS technology. The demand for higher performance leads to very deep pipelining which means that hundreds of thousands of flip-flops are required to control the data flow under strict timing constraints. A violation of the timing constraints at a flip-flop can result in latching incorrect data causing the overall system to malfunction. In addition, the flip-flops power dissipation represents a considerable fraction of the total power dissipation. Sub-threshold flip-flops are considered the most energy efficient solution for low power applications in which, performance is of secondary importance. Accordingly, statistical gate sizing is conducted to different flip-flops topologies for timing yield improvement of super-threshold flip-flops and power yield improvement of sub-threshold flip-flops. Following that, a comparative analysis between these flip-flops topologies considering the required overhead for yield improvement is performed. This comparative analysis provides useful recommendations that help flip-flops designers on selecting the best flip-flops topology that satisfies their system specifications while taking the process variations impact and robustness requirements into account. Adaptive Body Bias (ABB) allows the tuning of the transistor threshold voltage, Vt, by controlling the transistor body voltage. A forward body bias reduces Vt, increasing the device speed at the expense of increased leakage power. Alternatively, a reverse body bias increases Vt, reducing the leakage power but slowing the device. Therefore, the impact of process variations is mitigated by speeding up slow and less leaky devices or slowing down devices that are fast and highly leaky. Practically, the implementation of the ABB is desirable to bias each device in a design independently, to mitigate within-die variations. However, supplying so many separate voltages inside a die results in a large area overhead. On the other hand, using the same body bias for all devices on the same die limits its capability to compensate for within-die variations. Thus, the granularity level of the ABB scheme is a trade-off between the within-die variations compensation capability and the associated area overhead. This work introduces new ABB circuits that exhibit lower area overhead by a factor of 143X than that of previous ABB circuits. In addition, these ABB circuits are resolution free since no digital-to-analog converters or analog-to-digital converters are required on their implementations. These ABB circuits are adopted to high performance critical paths, emulating a real microprocessor architecture, for process variations compensation and also adopted to SRAM arrays, for Negative Bias Temperature Instability (NBTI) aging and process variations compensation. The effectiveness of the new ABB circuits is verified by post layout simulation results and test chip measurements using triple-well 65nm CMOS technology. The highly capacitive nodes of wide fan-in dynamic circuits and SRAM bitlines limit the performance of these circuits. In addition, process variations mitigation by statistical gate sizing increases this capacitance further and fails in achieving the target yield improvement. We propose new negative capacitance circuits that reduce the overall parasitic capacitance of these highly capacitive nodes. These negative capacitance circuits are adopted to wide fan-in dynamic circuits for timing yield improvement up to 99.87% and to SRAM arrays for read access yield improvement up to 100%. The area and power overheads of these new negative capacitance circuits are amortized over the large die area of the microprocessor and the SRAM array. The effectiveness of the new negative capacitance circuits is verified by post layout simulation results and test chip measurements using 65nm CMOS technology

Ultra Low Power Digital Circuit Design for Wireless Sensor Network Applications

Ny forskning innenfor feltet trådløse sensornettverk åpner for nye og innovative produkter og løsninger. Biomedisinske anvendelser er blant områdene med størst potensial og det investeres i dag betydelige beløp for å bruke denne teknologien for å gjøre medisinsk diagnostikk mer effektiv samtidig som man åpner for fjerndiagnostikk basert på trådløse sensornoder integrert i et ”helsenett”. Målet er å forbedre tjenestekvalitet og redusere kostnader samtidig som brukerne skal oppleve forbedret livskvalitet som følge av økt trygghet og mulighet for å tilbringe mest mulig tid i eget hjem og unngå unødvendige sykehusbesøk og innleggelser. For å gjøre dette til en realitet er man avhengige av sensorelektronikk som bruker minst mulig energi slik at man oppnår tilstrekkelig batterilevetid selv med veldig små batterier. I sin avhandling ” Ultra Low power Digital Circuit Design for Wireless Sensor Network Applications” har PhD-kandidat Farshad Moradi fokusert på nye løsninger innenfor konstruksjon av energigjerrig digital kretselektronikk. Avhandlingen presenterer nye løsninger både innenfor aritmetiske og kombinatoriske kretser, samtidig som den studerer nye statiske minneelementer (SRAM) og alternative minnearkitekturer. Den ser også på utfordringene som oppstår når silisiumteknologien nedskaleres i takt med mikroprosessorutviklingen og foreslår løsninger som bidrar til å gjøre kretsløsninger mer robuste og skalerbare i forhold til denne utviklingen. De viktigste konklusjonene av arbeidet er at man ved å introdusere nye konstruksjonsteknikker både er i stand til å redusere energiforbruket samtidig som robusthet og teknologiskalerbarhet øker. Forskningen har vært utført i samarbeid med Purdue University og vært finansiert av Norges Forskningsråd gjennom FRINATprosjektet ”Micropower Sensor Interface in Nanometer CMOS Technology”

Bascules à impulsion robustes en technologie 28nm FDSOI pour circuits numériques basse consommation à très large gamme de tension d'alimentation

The explosion market of the mobile application and the paradigm of the Internet of Things lead to a huge demand for energy-efficient systems. To overcome the limit of Moore's law due to bulk technology, a new transistor technology has appeared recently in industrial process: the fully-depleted silicon on insulator, or FDSOI.In modern ASIC designs, a large portion of the total power consumption is due to the leaves of the clock tree: the flip-flops. Therefore, the appropriate flip-flop architecture is a major choice to reach the speed and energy constraints of mobile and ultra-low power applications. After a thorough overview of the literature, the explicit pulse-triggered flip-flop topology is pointed out as a very interesting flip-flop architecture for high-speed and low-power systems. However, it is today only used in high-performances circuits mainly because of its poor robustness at ultra-low voltage.In this work, explicit pulse-triggered flip-flops architecture design is developed and studied in order to improve their robustness and their energy-efficiency. A large comparison of resettable and scannable latch architecture is performed in the energy-delay domain by modifying the sizing of the transistors, both at nominal and ultra-low voltage. Then, it is shown that the back biasing technique allowed by the FDSOI technology provides better energy and delay performances than the sizing methodology. As the pulse generator is the main cause of functional failure, we proposed a new architecture which provides both a good robustness at ultra-low voltage and an energy efficiency. A selected topology of explicit pulse-triggered flip-flop was implemented in a 16x32b register file which exhibits better speed, energy consumption and area performances than a version with master-slave flip-flops, mainly thanks to the sharing of the pulse generator over several latches.Avec l'explosion du marché des applications portables et le paradigme de l'Internet des objets, la demande pour les circuits à très haute efficacité énergétique ne cesse de croître. Afin de repousser les limites de la loi de Moore, une nouvelle technologie est apparue très récemment dans les procédés industriels afin de remplacer la technologie en substrat massif ; elle est nommée fully-depleted silicon on insulator ou FDSOI. Dans les circuits numériques synchrones modernes, une grande portion de la consommation totale du circuit provient de l'arbre d'horloge, et en particulier son extrémité : les bascules. Dès lors, l'architecture adéquate de bascules est un choix crucial pour atteindre les contraintes de vitesse et d'énergie des applications basse-consommation. Après un large aperçu de l'état de l'art, les bascules à impulsion explicite sont reconnues les plus prometteuses pour les systèmes demandant une haute performance et une basse consommation. Cependant, cette architecture est pour l'instant fortement utilisée dans les circuits à haute performance et pratiquement absente des circuits à basse tension d'alimentation, principalement à cause de sa faible robustesse face aux variations.Dans ce travail, la conception d'architecture de bascule à impulsion explicite est étudiée dans le but d'améliorer la robustesse et l'efficacité énergétique. Un large panel d'architectures de bascule, avec les fonctions reset et scan, a été comparé dans le domaine énergie-délais, à haute et basse tension d'alimentation, grâce à une méthodologie de dimensionnement des transistors. Il a été montré que la technique dite de « back bias », l'un des principaux avantages de la technologie FDSOI, permettait des meilleures performances en énergie et délais que la méthodologie de dimensionnement. Ensuite, comme le générateur d'impulsion est la principale raison de dysfonctionnement, nous avons proposé une nouvelle architecture qui permet un très bon compromis entre robustesse à faible tension et consommation énergétique. Une topologie de bascule à impulsion explicite a été choisie pour être implémentée dans un banc de registres et, comparé aux bascules maître-esclave, elle présente une plus grande vitesse, une plus faible consommation énergétique et une plus petite surface

Development of an image converter of radical design

A long term investigation of thin film sensors, monolithic photo-field effect transistors, and epitaxially diffused phototransistors and photodiodes to meet requirements to produce acceptable all solid state, electronically scanned imaging system, led to the production of an advanced engineering model camera which employs a 200,000 element phototransistor array (organized in a matrix of 400 rows by 500 columns) to secure resolution comparable to commercial television. The full investigation is described for the period July 1962 through July 1972, and covers the following broad topics in detail: (1) sensor monoliths; (2) fabrication technology; (3) functional theory; (4) system methodology; and (5) deployment profile. A summary of the work and conclusions are given, along with extensive schematic diagrams of the final solid state imaging system product

Chapter Efficient and Validated Time Domain Numerical Modeling of Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs) and SOA-based Circuits

Artificial intelligenc

Efficient and Validated Time Domain Numerical Modeling of Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs) and SOA-based Circuits

Semiconductor optical amplifiers (SOAs) have been extensively used in a wealth of telecom and datacom applications as a powerful building block that features large optical gain, all-optical gating function, fast response, and ease of integration with other functional semiconductor devices. As fabrication technologies are steadily maturing toward enhanced yield, SOAs are foreseen to play a pivotal role in complex photonics integrated circuits (PICs) of the near future. From a design standpoint, accurate numerical modeling of SOA devices is required toward optimizing PICs response from a system perspective, while enhanced circuit complexity calls for efficient solvers. In this book chapter, we present established experimentally validated SOA numerical modeling techniques and a gain parameterization procedure applicable to a wide range of SOA devices. Moreover, we describe multigrid concepts and implicit schemes that have been only recently presented to SOA modeling, enabling adaptive time stepping at the SOA output, with dense sampling at transient phenomena during the gain recovery and scarce sampling during the steady-state response. Overall, a holistic simulation methodology approach along with recent research trends are described, aiming to form the basis of further developments in SOA modeling

Low power VLSI design of a fir filter using dual edge triggered clocking strategy

Digital signal processing is an area of science and engineering that has developed rapidly over the past 30 years. This rapid development is a result of the significant advances in digital computer technology and integrated–circuit fabrication. DSP processors are a diverse group, most share some common features designed to support fast execution of the repetitive, numerically intensive computations characteristic of digital signal processing algorithms. The most often cited of these features is the ability to perform a multiply-accumulate operation (often called a "MAC") in a single instruction cycle. Hence in this project a DSP Processor is designed which can perform the basic DSP Operations like convolution, fourier transform and filtering. The processor designed is a simple 4-bit processor which has single data line of 8-bits and a single address bus of 16-bits. With a set of branch instructions the project DSP will operate as a CISC processor with strong math capabilities and can perform the above mentioned DSP operations. The application I have taken is the low power FIR filter using dual edge clocking strategy. It combines two novel techniques for the power reduction which is : multi stage clock gating and a symmetric two-phase level-sensitive clocking with glitch aware re-distribution of data-path registers. Simulation results confirm a 42% reduction in power over single edge triggered clocking with clock gating.Also to further reduce the power consumption the a low power latch circuit is used. Thanks to a partial pass-transistor logic, it trades time for energy, being particularly suitable for low power low-frequency applications. Simulation results confirm the power reduction. This technique discussed can be implemented to portable devices which needs longer battery life and to ASIC’

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

55th Annual Rocky Mountain Conference on Magnetic Resonance

Final program, abstracts, and information about the 55th annual meeting of the Rocky Mountain Conference on Magnetic Resonance, co-endorsed by the Colorado Section of the American Chemical Society and the Society for Applied Spectroscopy. Held in Denver, Colorado, July 28 - August 1, 2013

Design of variation-tolerant synchronizers for multiple clock and voltage domains

PhD ThesisParametric variability increasingly affects the performance of electronic circuits as the fabrication technology has reached the level of 32nm and beyond. These parameters may include transistor Process parameters (such as threshold voltage), supply Voltage and Temperature (PVT), all of which could have a significant impact on the speed and power consumption of the circuit, particularly if the variations exceed the design margins. As systems are designed with more asynchronous protocols, there is a need for highly robust synchronizers and arbiters. These components are often used as interfaces between communication links of different timing domains as well as sampling devices for asynchronous inputs coming from external components. These applications have created a need for new robust designs of synchronizers and arbiters that can tolerate process, voltage and temperature variations. The aim of this study was to investigate how synchronizers and arbiters should be designed to tolerate parametric variations. All investigations focused mainly on circuit-level and transistor level designs and were modeled and simulated in the UMC90nm CMOS technology process. Analog simulations were used to measure timing parameters and power consumption along with a “Monte Carlo” statistical analysis to account for process variations. Two main components of synchronizers and arbiters were primarily investigated: flip-flop and mutual-exclusion element (MUTEX). Both components can violate the input timing conditions, setup and hold window times, which could cause metastability inside their bistable elements and possibly end in failures. The mean-time between failures is an important reliability feature of any synchronizer delay through the synchronizer. The MUTEX study focused on the classical circuit, in addition to a number of tolerance, based on increasing internal gain by adding current sources, reducing the capacitive loading, boosting the transconductance of the latch, compensating the existing Miller capacitance, and adding asymmetry to maneuver the metastable point. The results showed that some circuits had little or almost no improvements, while five techniques showed significant improvements by reducing τ and maintaining high tolerance. Three design approaches are proposed to provide variation-tolerant synchronizers. wagging synchronizer proposed to First, the is significantly increase reliability over that of the conventional two flip-flop synchronizer. The robustness of the wagging technique can be enhanced by using robust τ latches or adding one more cycle of synchronization. The second approach is the Metastability Auto-Detection and Correction (MADAC) latch which relies on swiftly detecting a metastable event and correcting it by enforcing the previously stored logic value. This technique significantly reduces the resolution time down from uncertain synchronization technique is proposed to transfer signals between Multiple- Voltage Multiple-Clock Domains (MVD/MCD) that do not require conventional level-shifters between the domains or multiple power supplies within each domain. This interface circuit uses a synchronous set and feedback reset protocol which provides level-shifting and synchronization of all signals between the domains, from a wide range of voltage-supplies and clock frequencies. Overall, synchronizer circuits can tolerate variations to a greater extent by employing the wagging technique or using a MADAC latch, while MUTEX tolerance can suffice with small circuit modifications. Communication between MVD/MCD can be achieved by an asynchronous handshake without a need for adding level-shifters.The Saudi Arabian Embassy in London, Umm Al-Qura University, Saudi Arabi