451 research outputs found

    A Hardware Security Solution against Scan-Based Attacks

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    Scan based Design for Test (DfT) schemes have been widely used to achieve high fault coverage for integrated circuits. The scan technique provides full access to the internal nodes of the device-under-test to control them or observe their response to input test vectors. While such comprehensive access is highly desirable for testing, it is not acceptable for secure chips as it is subject to exploitation by various attacks. In this work, new methods are presented to protect the security of critical information against scan-based attacks. In the proposed methods, access to the circuit containing secret information via the scan chain has been severely limited in order to reduce the risk of a security breach. To ensure the testability of the circuit, a built-in self-test which utilizes an LFSR as the test pattern generator (TPG) is proposed. The proposed schemes can be used as a countermeasure against side channel attacks with a low area overhead as compared to the existing solutions in literature

    Metodologia de monitorização do envelhecimento para aplicações de auto-teste embutido

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    Dissertação de mestrado, Engenharia Eléctrica e Electrónica, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2013The high integration level achieved as well as complexity and performance enhancements in new nanometer technologies make IC (Integrated Circuits) products very difficult to test. Moreover, long term operation brings aging cumulative degradations, due to new processes and materials that lead to emerging defect phenomena and the consequence are products with increased variability in their behaviour, more susceptible to delay-faults and with a reduced expected lifecycle. The main objectives of this thesis are twofold, as explained in the following. First, a new software tool is presented to generate HDL (Hardware Description Language) for BIST (Built-In Self-Test) structures, aiming delay-faults, and inserted the new auto-test functionality in generic sequential CMOS circuits. The BIST methodology used implements a scan based BIST approach, using a new BIST controller to implement the Launch-On-Shift (LOS) and Launch-On-Capture (LOC) delay-fault techniques. Second, it will be shown that multi-VDD tests in circuits with BIST infra-structures can be used to detect gross delay-faults during on-field operations, and consequently can be used as an aging sensor methodology during circuits’ lifecycle. The discrete set of multi-VDD BIST sessions generates a Voltage Signature Collection (VSC) and the presence of a delay-fault (or a physical defect) modifies the VSC collection, allowing the aging sensor capability. The proposed Design for Testability (DFT) method and tool are demonstrated with extensive SPICE simulation using three ITC’99 benchmark circuits.O elevado nível de integração atingida, complexidade, assim como performances melhoradas em novas tecnologias nanométricas tornam os produtos em circuitos integrados tecnológicos muito difíceis de testar. Para além disso, a operação a longo prazo produz degradações cumulativas pelo envelhecimento dos circuitos, devido a novos processos e materiais que conduzem a novos defeitos e a consequência são produtos com maior variabilidade no seu funcionamento, mais susceptíveis às faltas de atraso e com um tempo de vida menor. Os principais objectivos desta tese são dois, como explicado em seguida. Primeiro, é apresentada uma nova ferramenta de software para gerar estruturas de auto-teste integrado (BIST, Built-In Self-Test) descritas em linguagens de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language), com o objectivo de detectar faltas de atraso, e inserir a nova funcionalidade de auto-teste em circuitos genéricos sequenciais CMOS. A metodologia de BIST utilizada implementa um procedimento baseado em caminhos de deslocamento, utilizando um novo controlador de BIST para implementar técnicas de faltas de atraso, como Launch-On-Shift (LOS) e Launch-On-Capture (LOC). Segundo, irá ser mostrado que testes multi-VDD em circuitos com infra-estruturas de BIST podem ser usados para detectar faltas de atraso grosseiras durante a operação no terreno e, consequentemente, pode ser usado como uma metodologia de sensor de envelhecimento durante o tempo de vida dos circuitos. Um número discreto de sessões BIST multi-VDD geram uma Colecção de Assinaturas de Tensão (Voltage Signature Collection, VSC) e a presença de uma falta de atraso (ou um defeito físico) faz modificar a colecção VSC, comportando-se como sensor de envelhecimento. O trabalho foi iniciado com o estudo do estado da arte nesta área. Assim, foram estudadas e apresentadas no capítulo 2 as principais técnicas de DfT (Design for Testability) disponíveis e utilizadas pela indústria, nomeadamente, as técnicas de SP (Scan Path), de BIST e as técnicas de scan para delay-faults, LOS e LOC. No capítulo 3, ainda referente ao estudo sobre o estado da arte, é apresentado o estudo sobre os fenómenos que provocam o envelhecimento dos circuitos digitais, nomeadamente o NBTI (Negative Bias Temperature Instability), que é considerado o factor mais relevante no envelhecimento de circuitos integrados (especialmente em nanotecnologias). Em seguida, iniciou-se o desenvolvimento do primeiro objectivo. Relativamente a este assunto, começou-se por definir qual o comportamento das estruturas de BIST e como se iriam interligar. O comportamento foi descrito, bloco a bloco, em VHDL comportamental, ao nível RTL (Register Transfer Level). Esta descrição foi então validada por simulação, utilizando a ferramenta ModelSim. Posteriormente, esta descrição comportamental foi sintetizada através da ferramenta Synopsys, com a colaboração do INESC-ID em Lisboa (instituição parceira nestes trabalhos de investigação), e foi obtida uma netlist ao nível de porta lógica, que foi guardada utilizando a linguagem de descrição de hardware Verilog. Assim, obtiveram-se dois tipos de descrição dos circuitos BIST: uma comportamental, em VHDL, e outra estrutural, em Verilog (esta descrição estrutural em Verilog irá permitir, posteriormente, fazer a simulação e análise de envelhecimento). A nova estrutura de BIST obtida é baseada no modelo clássico de BIST, mas apresenta algumas alterações, nomeadamente ao nível da geração de vectores de teste e no controlo e aplicação desses vectores ao circuito. Estas modificações têm como objectivo aumentar a detecção de faltas e permitir o teste de faltas de atraso. É composto por três blocos denominados LFSRs (Linear Feedback Shift Registers), um utilizado para gerar os vectores pseudo-aleatórios para as entradas primárias do circuito, outro para gerar os vectores para a entrada do scan path, e o último utilizado como contador para controlar o número de bits introduzidos no scan path. Relativamente ao controlador, este foi especificamente desenhado para controlar um teste com estratégia de test-per-scan (ou seja, um teste baseado no caminho de varrimento existente no circuito) e tem uma codificação de estados que permite implementar as estratégias de teste de faltas de atraso, Launch-On-Shift (LOS) e Launch-On-Capture (LOC). Na secção de saída do novo modelo de BIST, o processo de compactação usa o mesmo princípio do modelo tradicional, utilizando neste caso um MISR (Multiple Input Signature Register). Ainda relativamente ao primeiro objectivo, seguiu-se o desenvolvimento da ferramenta BISTGen, para automatizar a geração das estruturas de BIST atrás mencionadas, nos dois tipos de descrição, e automaticamente inserir estas estruturas num circuito de teste (CUT, Circuit Under Test). A aplicação de software deve permitir o manuseamento de dois tipos de informação relativa ao circuito: descrição do circuito pelo seu comportamento, em VHDL, e descrição do circuito pela sua estrutura, em Verilog. Deve ter como saída a descrição de hardware supra citada, inserindo todos os blocos integrantes da estrutura num só ficheiro, contendo apenas um dos tipos de linguagem (Verilog ou VHDL), escolhida previamente pelo utilizador. No caso dos LFSRs e do MISR, o programa deve permitir ao utilizador a escolha de LFSRs do tipo linear ou do tipo modular (também conhecidos por fibonacci ou galois), e deve também possuir suporte para automaticamente seleccionar de uma base de dados quais as realimentações necessárias que conduzem à definição do polinómio primitivo para o LFSR. Será necessário ainda criar uma estrutura em base de dados para gerir os nomes e o número de entradas e saídas do circuito submetido a teste, a que chamamos CUT, de forma a simplificar o processo de renomeação que o utilizador poderá ter de efectuar. Dar a conhecer ao programa os nomes das entradas e saídas do CUT é de relevante importância, uma vez que a atribuição de nomes para as entradas e saídas pode vir em qualquer língua ou dialecto, não coincidindo com os nomes padrão normalmente atribuídos. Relativamente às duas linguagens que o programa recebe através do CUT na sua entrada, no caso VHDL após inserir BIST o ficheiro final terá sempre uma estrutura semelhante, qualquer que seja o ficheiro a ser tratado, variando apenas com o hardware apresentado pelo CUT. No entanto, para o caso Verilog a situação será diferente, uma vez que o programa tem de permitir que o ficheiro final gerado possa surgir de duas formas dependendo da escolha desejada. A primeira forma que o software deve permitir para o caso Verilog é gerar um ficheiro contendo módulos, de uma forma semelhante ao que acontece no caso VHDL. No entanto, deve permitir também a obtenção, caso o utilizador solicite, de um ficheiro unificado, sem sub-módulos nos blocos, para que o ficheiro final contenha apenas uma única estrutura, facilitando a sua simulação e análise de envelhecimento nas etapas seguintes. Relativamente ao segundo objectivo, com base no trabalho anterior já efectuado em metodologias para detectar faltas de delay em circuitos com BIST, foi definida uma metodologia de teste para, durante a vida útil dos circuitos, permitir avaliar como vão envelhecendo, tratando-se assim de uma metodologia de monitorização de envelhecimento para circuitos com BIST. Um aspecto fundamental para a realização deste segundo objectivo é podermos prever como o circuito vai envelhecer. Para realizar esta tarefa, sempre subjectiva, utilizou-se uma ferramenta desenvolvida no ISE-UAlg em outra tese de mestrado anterior a esta, a ferramenta AgingCalc. Esta ferramenta inicia-se com a definição, por parte do utilizador, das probabilidades de operação das entradas primárias do circuito (probabilidades de cada entrada estar a ‘0’ ou a ‘1’). De notar que este é o processo subjectivo existente na análise de envelhecimento, já que é impossível prever como um circuito irá ser utilizado. Com base nestas probabilidades de operação, o programa utiliza a estrutura do circuito para calcular, numa primeira instância, as probabilidades dos nós do circuito estarem a ‘0’ ou a ‘1’, e numa segunda instância as probabilidades de cada transístor PMOS estar ligado e com o seu canal em stress (com uma tensão negativa aplicada à tensão VGS e um campo eléctrico aplicado ao dieléctrico da porta). Utilizando fórmulas definidas na literatura para modelação do parâmetro Vth (tensão limiar de condução) do transístor de acordo com um envelhecimento produzido pelo efeito NBTI (Negative Bias Temperature Instability), o programa calcula, para cada ano ou tempo de envelhecimento a considerar, as variações ocorridas no Vth de cada transístor PMOS, com base nas probabilidades e condições de operação previamente definidas, obtendo um novo Vth para cada transístor (os valores prováveis para os transístores envelhecidos). Em seguida, o programa instancia o simulador HSPICE para simular as portas lógicas do circuito, utilizando uma descrição que contém os Vth calculados. Esta simulação permite calcular os atrasos em cada porta para cada ano de envelhecimento considerado, podendo em seguida calcular e obter a previsão para o envelhecimento de cada caminho combinatório do circuito. É de notar que, embora a previsão de envelhecimento seja subjectiva, pois depende de uma previsão de operação, é possível definir diferentes probabilidades de operação de forma a estabelecer limites prováveis para o envelhecimento de cada caminho. Tendo uma ferramenta que permite prever como o circuito irá envelhecer, é possível utilizá-la para modificar a estrutura do circuito e introduzir faltas de delay produzidas pelo envelhecimento por NBTI ao longo dos anos de operação (modelados pelo Vth dos transístores PMOS). Assim, no capítulo 5 irá ser mostrado que testes multi-VDD em circuitos com infra-estruturas de BIST podem ser usados para detectar faltas de atraso grosseiras durante a operação no terreno, podendo em alguns casos identificar variações provocadas pelo envelhecimento em caminhos curtos, e consequentemente, estes testes podem ser usados como uma metodologia de sensor de envelhecimento durante o tempo de vida dos circuitos. Um número discreto de sessões BIST multi-VDD geram uma Colecção de Assinaturas de Tensão (Voltage Signature Collection, VSC) e a presença de uma falta de atraso (ou um defeito físico) faz modificar a colecção VSC, comportando-se como sensor de envelhecimento. O objectivo será, especificando, fazer variar a tensão de alimentação, baixando o seu valor dentro de um determinado intervalo e submetendo o circuito a sucessivas sessões de BIST para cada valor de tensão, até que o circuito retorne uma assinatura diferente da esperada. Este procedimento de simulação será feito para uma maturidade de até 20 anos, podendo o incremento não ser unitário. Na realidade os circuitos nos primeiros anos de vida em termos estatísticos não sofrem envelhecimento a ponto de causar falhas por esse efeito. As falhas que podem acelerar o processo de envelhecimento estão relacionadas com defeitos significativos no processo de fabrico mas que ainda assim não são suficientes para no início do seu ciclo de vida fazer o circuito falhar, tornando-se efectivas após algum tempo de utilização. Os métodos e ferramentas propostos de DfT são demonstrados com extensas simulações VHDL e SPICE, utilizando circuitos de referência

    Smart cmos image sensor for 3d measurement

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    3D measurements are concerned with extracting visual information from the geometry of visible surfaces and interpreting the 3D coordinate data thus obtained, to detect or track the position or reconstruct the profile of an object, often in real time. These systems necessitate image sensors with high accuracy of position estimation and high frame rate of data processing for handling large volumes of data. A standard imager cannot address the requirements of fast image acquisition and processing, which are the two figures of merit for 3D measurements. Hence, dedicated VLSI imager architectures are indispensable for designing these high performance sensors. CMOS imaging technology provides potential to integrate image processing algorithms on the focal plane of the device, resulting in smart image sensors, capable of achieving better processing features in handling massive image data. The objective of this thesis is to present a new architecture of smart CMOS image sensor for real time 3D measurement using the sheet-beam projection methods based on active triangulation. Proposing the vision sensor as an ensemble of linear sensor arrays, all working in parallel and processing the entire image in slices, the complexity of the image-processing task shifts from O (N 2 ) to O (N). Inherent also in the design is the high level of parallelism to achieve massive parallel processing at high frame rate, required in 3D computation problems. This work demonstrates a prototype of the smart linear sensor incorporating full testability features to test and debug both at device and system levels. The salient features of this work are the asynchronous position to pulse stream conversion, multiple images binarization, high parallelism and modular architecture resulting in frame rate and sub-pixel resolution suitable for real time 3D measurements

    Programmable CMOS Analog-to-Digital Converter Design and Testability

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    In this work, a programmable second order oversampling CMOS delta-sigma analog-to-digital converter (ADC) design in 0.5µm n-well CMOS processes is presented for integration in sensor nodes for wireless sensor networks. The digital cascaded integrator comb (CIC) decimation filter is designed to operate at three different oversampling ratios of 16, 32 and 64 to give three different resolutions of 9, 12 and 14 bits, respectively which impact the power consumption of the sensor nodes. Since the major part of power consumed in the CIC decimator is by the integrators, an alternate design is introduced by inserting coder circuits and reusing the same integrators for different resolutions and oversampling ratios to reduce power consumption. The measured peak signal-to-noise ratio (SNR) for the designed second order delta-sigma modulator is 75.6dB at an oversampling ratio of 64, 62.3dB at an oversampling ratio of 32 and 45.3dB at an oversampling ratio of 16. The implementation of a built-in current sensor (BICS) which takes into account the increased background current of defect-free circuits and the effects of process variation on ΔIDDQ testing of CMOS data converters is also presented. The BICS uses frequency as the output for fault detection in CUT. A fault is detected when the output frequency deviates more than ±10% from the reference frequency. The output frequencies of the BICS for various model parameters are simulated to check for the effect of process variation on the frequency deviation. A design for on-chip testability of CMOS ADC by linear ramp histogram technique using synchronous counter as register in code detection unit (CDU) is also presented. A brief overview of the histogram technique, the formulae used to calculate the ADC parameters, the design implemented in 0.5µm n-well CMOS process, the results and effectiveness of the design are described. Registers in this design are replaced by 6T-SRAM cells and a hardware optimized on-chip testability of CMOS ADC by linear ramp histogram technique using 6T-SRAM as register in CDU is presented. The on-chip linear ramp histogram technique can be seamlessly combined with ΔIDDQ technique for improved testability, increased fault coverage and reliable operation

    High level behavioural modelling of boundary scan architecture.

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    This project involves the development of a software tool which enables the integration of the IEEE 1149.1/JTAG Boundary Scan Test Architecture automatically into an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) design. The tool requires the original design (the ASIC) to be described in VHDL-IEEE 1076 Hardware Description Language. The tool consists of the two major elements: i) A parsing and insertion algorithm developed and implemented in 'C'; ii) A high level model of the Boundary Scan Test Architecture implemented in 'VHDL'. The parsing and insertion algorithm is developed to deal with identifying the design Input/Output (I/O) terminals, their types and the order they appear in the ASIC design. It then attaches suitable Boundary Scan Cells to each I/O, except power and ground and inserts the high level models of the full Boundary Scan Architecture into the ASIC without altering the design core structure

    Built-in self test of high speed analog-to-digital converters

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    Signals found in nature need to be converted to the digital domain through analog-to-digital converters (ADCs) to be processed by digital means [1]. For applications in communication and measurement [2], [3], high conversion rates are required. With advances of the complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology, the conversion rates of CMOS ADCs are now well beyond the gigasamples per second (GS/s) range, but only moderate resolutions are required [4]. These ADCs need to be tested after fabrication and, if possible, during field operation. The test costs are a very significant fraction of their production cost [5]. This is mainly due to lengthy use of very expensive automated test equipment (ATE) to apply specific test stimuli to the devices under test (DUT) and to collect and analyze their responses.publishe

    VLSI signal processing through bit-serial architectures and silicon compilation

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    A Survey of Recent Developments in Testability, Safety and Security of RISC-V Processors

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    With the continued success of the open RISC-V architecture, practical deployment of RISC-V processors necessitates an in-depth consideration of their testability, safety and security aspects. This survey provides an overview of recent developments in this quickly-evolving field. We start with discussing the application of state-of-the-art functional and system-level test solutions to RISC-V processors. Then, we discuss the use of RISC-V processors for safety-related applications; to this end, we outline the essential techniques necessary to obtain safety both in the functional and in the timing domain and review recent processor designs with safety features. Finally, we survey the different aspects of security with respect to RISC-V implementations and discuss the relationship between cryptographic protocols and primitives on the one hand and the RISC-V processor architecture and hardware implementation on the other. We also comment on the role of a RISC-V processor for system security and its resilience against side-channel attacks

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

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    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
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