VeriSFQ - A Semi-formal Verification Framework and Benchmark for Single Flux Quantum Technology

In this paper, we propose a semi-formal verification framework for single-flux quantum (SFQ) circuits called VeriSFQ, using the Universal Verification Methodology (UVM) standard. The considered SFQ technology is superconducting digital electronic devices that operate at cryogenic temperatures with active circuit elements called the Josephson junction, which operate at high switching speeds and low switching energy - allowing SFQ circuits to operate at frequencies over 300 gigahertz. Due to key differences between SFQ and CMOS logic, verification techniques for the former are not as advanced as the latter. Thus, it is crucial to develop efficient verification techniques as the complexity of SFQ circuits scales. The VeriSFQ framework focuses on verifying the key circuit and gate-level properties of SFQ logic: fanout, gate-level pipeline, path balancing, and input-to-output latency. The combinational circuits considered in analyzing the performance of VeriSFQ are: Kogge-Stone adders (KSA), array multipliers, integer dividers, and select ISCAS'85 combinational benchmark circuits. Methods of introducing bugs into SFQ circuit designs for verification detection were experimented with - including stuck-at faults, fanout errors, unbalanced paths, and functional bugs like incorrect logic gates. In addition, we propose an SFQ verification benchmark consisting of combinational SFQ circuits that exemplify SFQ logic properties and present the performance of the VeriSFQ framework on these benchmark circuits. The portability and reusability of the UVM standard allows the VeriSFQ framework to serve as a foundation for future SFQ semi-formal verification techniques.Comment: 7 pages, 6 figures, 4 tables; submitted, accepted, and presented at ISQED 2019 (20th International Symposium on Quality Electronic Design) on March 7th, 2019 in Santa Clara, CA, US

Minimal test set for stuck-at faults in VLSI

Minimal test sets have the property that each input vector simultaneously tests several faults in a network. Existing techniques to determine a minimal set of detection tests rely heavily on complicated algebraic techniques. In this paper, two new methods are presented which do not require Boolean algebra or Karnaugh maps. The first is a graphical approach using fault folding graphs. The second is a design by inspection technique. This work follows the unique approach of first finding all the faults that can be detected by a single test. This tremendously reduces the work required to determine a minimal test set. The design by inspection method could be automated for programmatic generation of minimal stuck-at fault tests

On Combinational Networks with Restricted Fan-Out

Fan-out-free networks of AND, OR, NOT, EXOR, and MAJORITY gates are considered. Boolean functions for which such networks exist are defined to be fan-out free. The paper solves the following problems regarding the fan-out-free networks and functions. 1) Characterization of the class of fan-out-free functions: The characterization given is constructive in the sense that if a given function is fan-out free one obtains a fan-out-free network to realize it. 2) Counting the class of fan-out-free functions: After establishing a correspondence between a fan-out-free function and a normalized network realizing it, a series of formulas are developed to count distinct normal networks for any subset of the five gates mentioned above. 3) Fault Diagnosis: Methods are developed to detect multiple faults and to locate single faults in arbitrary fan-out-free networks

What is the Path to Fast Fault Simulation?

Motivated by the recent advances in fast fault simulation techniques for large combinational circuits, a panel discussion has been organized for the 1988 International Test Conference. This paper is a collective account of the position statements offered by the panelists

Processing and Transmission of Information

Contains reports on three research projects.National Aeronautics and Space Administration (Grant NGL-22-009-013)Joint Services Electronics Programs (U.S. Army, U.S. Navy, and U.S. Air Force) under Contract DA 28-043-AMC-02536(E

Synthesis for circuit reliability

textElectrical and Computer Engineerin

Analysis and Mitigation of Remote Side-Channel and Fault Attacks on the Electrical Level

In der fortlaufenden Miniaturisierung von integrierten Schaltungen werden physikalische Grenzen erreicht, wobei beispielsweise Einzelatomtransistoren eine mögliche untere Grenze für Strukturgrößen darstellen. Zudem ist die Herstellung der neuesten Generationen von Mikrochips heutzutage finanziell nur noch von großen, multinationalen Unternehmen zu stemmen. Aufgrund dieser Entwicklung ist Miniaturisierung nicht länger die treibende Kraft um die Leistung von elektronischen Komponenten weiter zu erhöhen. Stattdessen werden klassische Computerarchitekturen mit generischen Prozessoren weiterentwickelt zu heterogenen Systemen mit hoher Parallelität und speziellen Beschleunigern. Allerdings wird in diesen heterogenen Systemen auch der Schutz von privaten Daten gegen Angreifer zunehmend schwieriger. Neue Arten von Hardware-Komponenten, neue Arten von Anwendungen und eine allgemein erhöhte Komplexität sind einige der Faktoren, die die Sicherheit in solchen Systemen zur Herausforderung machen. Kryptografische Algorithmen sind oftmals nur unter bestimmten Annahmen über den Angreifer wirklich sicher. Es wird zum Beispiel oft angenommen, dass der Angreifer nur auf Eingaben und Ausgaben eines Moduls zugreifen kann, während interne Signale und Zwischenwerte verborgen sind. In echten Implementierungen zeigen jedoch Angriffe über Seitenkanäle und Faults die Grenzen dieses sogenannten Black-Box-Modells auf. Während bei Seitenkanalangriffen der Angreifer datenabhängige Messgrößen wie Stromverbrauch oder elektromagnetische Strahlung ausnutzt, wird bei Fault Angriffen aktiv in die Berechnungen eingegriffen, und die falschen Ausgabewerte zum Finden der geheimen Daten verwendet. Diese Art von Angriffen auf Implementierungen wurde ursprünglich nur im Kontext eines lokalen Angreifers mit Zugriff auf das Zielgerät behandelt. Jedoch haben bereits Angriffe, die auf der Messung der Zeit für bestimmte Speicherzugriffe basieren, gezeigt, dass die Bedrohung auch durch Angreifer mit Fernzugriff besteht. In dieser Arbeit wird die Bedrohung durch Seitenkanal- und Fault-Angriffe über Fernzugriff behandelt, welche eng mit der Entwicklung zu mehr heterogenen Systemen verknüpft sind. Ein Beispiel für neuartige Hardware im heterogenen Rechnen sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), mit welchen sich fast beliebige Schaltungen in programmierbarer Logik realisieren lassen. Diese Logik-Chips werden bereits jetzt als Beschleuniger sowohl in der Cloud als auch in Endgeräten eingesetzt. Allerdings wurde gezeigt, wie die Flexibilität dieser Beschleuniger zur Implementierung von Sensoren zur Abschätzung der Versorgungsspannung ausgenutzt werden kann. Zudem können durch eine spezielle Art der Aktivierung von großen Mengen an Logik Berechnungen in anderen Schaltungen für Fault Angriffe gestört werden. Diese Bedrohung wird hier beispielsweise durch die Erweiterung bestehender Angriffe weiter analysiert und es werden Strategien zur Absicherung dagegen entwickelt

Matrix Model of Digital Systems and Its Application to Automatic Test Generation

Electrical Engineerin

Fast Post-placement Rewiring Using Easily Detectable Functional Symmetries

Timing convergence problem arises when the estimations made during logic synthesis can not be met during physical design. In this paper, an efficient rewiring engine is proposed to explore maximal freedom after placement. The most important feature of this approach is that the existing placement solution is left intact throughout the optimization. A linear time algorithm is proposed to detect functional symmetries in the Boolean network and is used as the basis for rewiring. Integration with an existing gate sizing algorithm further proves the effectiveness of our technique. Experimental results are very promising