Dynamic Partial Reconfiguration for Dependable Systems

Moore’s law has served as goal and motivation for consumer electronics manufacturers in the last decades. The results in terms of processing power increase in the consumer electronics devices have been mainly achieved due to cost reduction and technology shrinking. However, reducing physical geometries mainly affects the electronic devices’ dependability, making them more sensitive to soft-errors like Single Event Transient (SET) of Single Event Upset (SEU) and hard (permanent) faults, e.g. due to aging effects. Accordingly, safety critical systems often rely on the adoption of old technology nodes, even if they introduce longer design time w.r.t. consumer electronics. In fact, functional safety requirements are increasingly pushing industry in developing innovative methodologies to design high-dependable systems with the required diagnostic coverage. On the other hand commercial off-the-shelf (COTS) devices adoption began to be considered for safety-related systems due to real-time requirements, the need for the implementation of computationally hungry algorithms and lower design costs. In this field FPGA market share is constantly increased, thanks to their flexibility and low non-recurrent engineering costs, making them suitable for a set of safety critical applications with low production volumes. The works presented in this thesis tries to face new dependability issues in modern reconfigurable systems, exploiting their special features to take proper counteractions with low impacton performances, namely Dynamic Partial Reconfiguration

Solid State Circuits Technologies

The evolution of solid-state circuit technology has a long history within a relatively short period of time. This technology has lead to the modern information society that connects us and tools, a large market, and many types of products and applications. The solid-state circuit technology continuously evolves via breakthroughs and improvements every year. This book is devoted to review and present novel approaches for some of the main issues involved in this exciting and vigorous technology. The book is composed of 22 chapters, written by authors coming from 30 different institutions located in 12 different countries throughout the Americas, Asia and Europe. Thus, reflecting the wide international contribution to the book. The broad range of subjects presented in the book offers a general overview of the main issues in modern solid-state circuit technology. Furthermore, the book offers an in depth analysis on specific subjects for specialists. We believe the book is of great scientific and educational value for many readers. I am profoundly indebted to the support provided by all of those involved in the work. First and foremost I would like to acknowledge and thank the authors who worked hard and generously agreed to share their results and knowledge. Second I would like to express my gratitude to the Intech team that invited me to edit the book and give me their full support and a fruitful experience while working together to combine this book

Study of Layout Techniques in Dynamic Logic Circuitry for Single Event Effect Mitigation

Dynamic logic circuits are highly suitable for high-speed applications, considering the fact that they have a smaller area and faster transition. However, their application in space or other radiation-rich environments has been significantly inhibited by their susceptibility to radiation effects. This work begins with the basic operations of dynamic logic circuits, elaborates upon the physics underlying their radiation vulnerability, and evaluates three techniques that harden dynamic logic from the layout: drain extension, pulse quenching, and a proposed method. The drain extension method adds an extra drain to the sensitive node in order to improve charge sharing, the pulse quenching scheme utilizes charge sharing by duplicating a component that offsets the transient pulse, and the proposed technique takes advantage of both. Domino buffers designed using these three techniques, along with a conventional design as reference, were modeled and simulated using a 3D TCAD tool. Simulation results confirm a significant reduction of soft error rate in the proposed technique and suggest a greater reduction with angled incidence. A 130 nm chip containing designed buffer and register chains was fabricated and tested with heavy ion irradiation. According to the experiment results, the proposed design achieved 30% soft error rate reduction, with 19%, 20%, and 10% overhead in speed, power, and area, respectively

The effects of ionising radiation on implantable MOS electronic devices

Space exploration and the rapid growth of the satellite communications industry has promoted substantial research into the effects of ionising radiation on modem electronic technology. The enabling electronics and computer processing has seen a commensurate growth in the use of radiation for diagnostic and therapeutic purposes in medicine. Numerous studies exist in both these fields but an analysis combining the fields of study to ascertain the effects of radiation on medically implantable electronics is lacking. A review of significant ground level radiation sources is presented with particular emphasis on the medical environment. Mechanisms of permanent and transient ionising radiation damage to Metal Oxide Semiconductors are summarised. Three significant sources of radiation are classified as having the ability to damage or alter the behavior of implantable electronics; Secondary neutron cosmic radiation, alpha particle radiation from the device packaging and therapeutic doses of high energy radiation. With respect to cosmic radiation, the most sensitive circuit structure within a typical microcomputer architecture is the Random Access Memory(RAM). A theoretical model which predicts the susceptibility of a RAM cell to single event upsets from secondary cosmic ray neutrons is presented. A previously unreported method for calculating the collection efficiency term in the upset model has been derived along with an extension of the model to enable estimation of multiple bit upset rates. An Implantable Cardioverter Defibrillator is used as a case example to demonstrate model applicability and test against clinical experience. The model correlates well with clinical experience and is consistent with the expected geographical variations of the secondary cosmic ray neutron flux. This is the first clinical data set obtained indicating the effects of cosmic radiation on implantable devices. Importantly, it may be used to predict the susceptibility of future implantable device designs to cosmic radiation. The model is also used as a basis for developing radiation hardened circuit techniques and system design. A review of methods to radiation harden electronics to single event upsets is used to recommend methods applicable to the low power/small area constraints of implantable systems

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

On Improving Robustness of Hardware Security Primitives and Resistance to Reverse Engineering Attacks

The continued growth of information technology (IT) industry and proliferation of interconnected devices has aggravated the problem of ensuring security and necessitated the need for novel, robust solutions. Physically unclonable functions (PUFs) have emerged as promising secure hardware primitives that can utilize the disorder introduced during manufacturing process to generate unique keys. They can be utilized as \textit{lightweight} roots-of-trust for use in authentication and key generation systems. Unlike insecure non-volatile memory (NVM) based key storage systems, PUFs provide an advantage -- no party, including the manufacturer, should be able to replicate the physical disorder and thus, effectively clone the PUF. However, certain practical problems impeded the widespread deployment of PUFs. This dissertation addresses such problems of (i) reliability and (ii) unclonability. Also, obfuscation techniques have proven necessary to protect intellectual property in the presence of an untrusted supply chain and are needed to aid against counterfeiting. This dissertation explores techniques utilizing layout and logic-aware obfuscation. Collectively, we present secure and cost-effective solutions to address crucial hardware security problems

PADRE pixel read-out architecture for Monolithic Active Pixel Sensor for the new ALICE Inner Tracking System in TowerJazz 180 nm technolog

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is the heavy-ion experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. As an important part of its upgrade plans, the ALICE experiment will schedule the installation of a new Inner Tracking System (ITS) during the Long Shutdown 2 (LS2) of the LHC. The new ITS layout will consist of seven concentric layers, ¿ 12.5 Gigapixel camera covering about 10m2 with Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS). This choice of technology has been guided by the tight requirements on the material budget of 0.3% X/X0 per layer for the three innermost layers and backed by the significant progress in the field of MAPS in recent years. The technology initially chosen for the ITS upgrade is the TowerJazz 180 nm CMOS Technology. It offers a standard epitaxial layer of 15 - 18 µm with a resistivity between 1 and 5 k¿ cm¿1 and a gate oxide thickness below 4 nm, thus being more robust to Total Ionizing Dose (TID). The main subject of this thesis is to implement a novel digital pixel readout architecture for MAPS. This thesis aims to study this novel readout architecture as an alternative to the rolling-shutter readout. However, this must be investigated through the study of several chip readout architectures during the R&D phase. Another objective of this thesis is the study and characterization of TowerJazz, if it meets the Non-Ionizing Energy Loss (NIEL) and Single Event Effects (SEE) of the ALICE ITS upgrade program. Other goals of this thesis are: ¿ Implementation of the top-down flow for this CMOS process and the design of multiple readouts for different prototypes up to the assembly of a full-scale prototype. xvii Abstract ¿ Characterization of the radiation hardness and SEE of the chips submitted to fabrication. ¿ Characterization of full custom designs using analog simulations and the generation of digital models for the simulation chain needed for the verification process. ¿ Implementation and study of different digital readouts to meet the ITS upgrade program in integration time, pixel size and power consumption, from the conceptual idea, production and fabrication phase. Chapter 1 is a brief overview of CERN, the LHC and the detectors complex. The ALICE ITS will be explained, focusing on the ITS upgrade in terms of detector needs and design constraints. Chapter 2 explains the properties of silicon detectors and the detector material and the principles of operation for MAPS. Chapters 3 and 4 describe the ALPIDE prototypes and their readout based on MAPS; this forms the central part of this work, including the multiple families of pixel detectors fabricated in order to reach the final design for the ITS. The ALPIDE3/pALPIDE3B chip, the latest MAPS chip designed, will be explained in detail, as well focusing in the matrix digital readout. In chapter 5 the noise measurements and its characterization are presented including a brief summary of detector response to irradiation with soft X-rays, sources and particle beams.El sub detector ITS (Inner Tracking System) del detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment) es un detector de vértice y es el detector mas cercano al punto de interacción. Se encuentra conformado por 3 tipos de subdetectores, dos capas de pixel de silicio (Silicon Pixel Detectors), 2 capas de acumulación de silicio (Silicon Drift Detectors) y 2 capas de banda de Silicio (Silicon Strip Detectors). La función primaria del ITS es identificar y rastrear las partículas de bajo momentum transversal. El detector ITS en sus dos capas más internas están equipadas con sensores de silicio basados en píxeles híbridos. Para reemplazar esta tecnología de Píxeles, el detector ITS actual será reemplazado por un nuevo detector de una sola tecnología, ampliando su resolución espacial y mejorando el rastreo de trazas. Este nuevo detector constará de siete capas de sensores de píxeles activos monolíticos (MAPS), las cuales deberán satisfacer los requerimientos de presupuesto de materiales y ser tolerantes a mayores niveles de radiación para los nuevos escenarios de incrementos de luminosidad y mayores tasas de colisiones. Los sensores MAPS que integran el sensor de imagen y los circuitos de lectura se encuentran en la misma oblea de silicio, tienen grandes ventajas en una buena resolución de posición y un bajo presupuesto material en términos de bajo coste de producción. TowerJazz ofrece la posibilidad de una cuádruple-WELL aislando los transistores pMOS que se encuentran en la misma nWELL evitando la competencia con el electrodo de recolección, permitiendo circuitos mas complejos y compactos para ser implementados dentro de la zona activa y además posee una capa epitaxial de alta resistividad. Esta tecnología proporciona una puerta de óxido muy delgado limitando el daño superficial por la radiación haciéndolo adecuado para su uso denxiii Resúmen tro del experimento ALICE. En los últimos cuatro años se ha llevado a cabo una intensiva I+D en MAPS en el marco de la actualización del ITS de ALICE. Varios prototipos a pequeña escala se han desarrollado y probado exitosamente con rayos X, fuentes radioactivas y haces de partículas. La tolerancia a la radiación de ALICE ITS es moderada con una tolerancia de irradiación TID de 700 krad y NIEL de 1 × 1013 1 MeV neqcm¿2 , MAPS es una opción viable para la actualización del ITS. La contribución original de esta tesis es la implementación de una nueva arquitectura digital de lectura de píxeles para MAPS. Esta tesis presenta un codificador asíncrono de direcciones (arquitectura basada en la supresión de ceros transmitiendo la dirección de los píxeles excitados denominada PADRE) para la arquitectura ALPIDE, el autor también hizo una contribución significativa en el ensamblaje y veri- ficación de circuitos. PADRE es la principal investigación del autor, basada en un codificador de prioridad jerárquica de cuatro entradas y es una alternativa a la arquitectura de lectura rolling-shutter. Además de los prototipos a pequeña escala, también se han desarrollado prototipos a escala completa a las necesidades del detector ITS (15 mm y 30 mm) empleando un nuevo circuito de lectura basado en la versión personalizada del circuito PADRE. El pALPIDEfs fue el primer prototipo a escala completa y se caracterizó obteniendo un tiempo de lectura de la matriz por debajo de 4 µs y un consumo de energía en el orden de 80 mWcm¿2 . En general, los resultados obtenidos representan un avance significativo de la tecnología MAPS en cuanto al consumo de energía, velocidad de lectura, tiempo de recolección de carga y tolerancia a la radiación. El sensor pALPIDE2 ha demostrado ser una opción muy atractiva para el nuevo detector ITS, satisfaciendo los requerimientos en términos de eficiencia de detección, fake-hit rate y resolución de posición, ya que su rendimiento no puede alcanzarse mediante prototipos basados en la arquitectura de lectura tradicionales como esEl subdetector ITS (Inner Tracking System) del detector ALICE (A Large Ion Collider Experiment) és un detector de vèrtex i és el detector mes proper al punt d'interacció. Es troba conformat per 3 tipus de subdetectors, dues capes de píxel de silici (Silicon Pixel Detectors), 2 capes d'acumulació de silici (Silicon Drift Detectors) i 2 capes de banda de Silici (Silicon Strip Detectors). La funció primària del ITS és identificar i rastrejar les partícules de baix moment transversal. El detector ITS en les seues dues capes més internes estan equipades amb sensors de silici basats en píxels híbrids. Per a reemplaçar aquesta tecnologia de Píxels, el detector ITS actual serà reemplaçat per un nou detector d'una sola tecnologia, ampliant la seua resolució espacial i millorant el rastreig de traces. Aquest nou detector constarà de set capes de sensors de píxels actius monolítics (MAPS), les quals hauran de satisfer els requeriments de pressupost de materials i ser tolerants a majors nivells de radiació per als nous escenaris d'increments de lluminositat i majors taxes de col·lisions. Els sensors MAPS que integren el sensor d'imatge i els circuits de lectura es troben en la mateixa hòstia de silici, tenen grans avantatges en una bona resolució de posició i un baix pressupost material en termes de baix cost de producció. TowerJazz ofereix la possibilitat d'una quàdruple-WELL aïllant els transistors pMOS que es troben en la mateixa nWELL evitant la competència amb l'elèctrode de recol·lecció, permetent circuits mes complexos i compactes per a ser implementats dins de la zona activa i a més posseeix una capa epitaxial d'alta resistivitat. Aquesta tecnologia proporciona una porta d'òxid molt prim limitant el dany superficial per la radiació fent-ho adequat per al seu ús dins de l'- experiment ALICE. En els últims quatre anys s'ha dut a terme una intensiva R+D en MAPS en el marc de l'actualització del ITS d'ALICE. Diversos prototips a petita escala s'han desenvolupat i provat ix Resum reeixidament amb rajos X, fonts radioactives i feixos de partícules. La tolerància a la radiació d'ALICE ITS és moderada amb una tolerància d'irradiació TID de 700 krad i NIEL d'1× 1013 1MeV neqcm¿2 , MAPS és una opció viable per a l'actualització del ITS. La contribució original d'aquesta tesi és la implementació d'una nova arquitectura digital de lectura de píxels per a MAPS. Aquesta tesi presenta un codificador asíncron d'adreces (arquitectura basada en la supressió de zeros transmetent l'adreça dels píxels excitats denominada PADRE) per a l'arquitectura ALPIDE, l'autor també va fer una contribució significativa en l'assemblatge i verificació de circuits. PADRE és la principal recerca de l'autor, basada en un codificador de prioritat jeràrquica de quatre entrades i és una alternativa a l'arquitectura de lectura rolling-shutter. A més dels prototips a petita escala, també s'han desenvolupat prototips a escala completa a les necessitats del detector ITS (15 mm i 30 mm) emprant un nou circuit de lectura basat en la versió personalitzada del circuit PADRE. El pALPIDEfs va ser el primer prototip a escala completa i es va caracteritzar obtenint un temps de lectura de la matriu per sota de 4 µs i un consum d'energia en l'ordre de 80 mWcm¿2 . En general, els resultats obtinguts representen un avanç significatiu de la tecnologia MAPS quant al consum d'energia, velocitat de lectura, temps de recol·lecció de càrrega i tolerància a la radiació. El sensor pALPIDE2 ha demostrat ser una opció molt atractiva per al nou detector ITS, satisfent els requeriments en termes d'eficiència de detecció, fake-hit rate i resolució de posició, ja que el seu rendiment no pot aconseguir-se mitjançant prototips basats en l'arquitectura de lectura tradicionals com és el rolling-shutter dissenyat en la mateixa tecnologia. Per aquesta raó, la R+D en els prototips ALPIDE ha continuat amb l'objectiu d'optimitzaMarín Tobón, CA. (2017). PADRE pixel read-out architecture for Monolithic Active Pixel Sensor for the new ALICE Inner Tracking System in TowerJazz 180 nm technolog [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86154TESI

The Belle II DEPFET Pixel Vertex Detector : Development of a Full-Scale Module Prototype

The Belle II experiment, which will start after 2015 at the SuperKEKB accelerator in Japan, will focus on the precision measurement of the CP-violation mechanism and on the search for physics beyond the Standard Model. A new detection system with an excellent spatial resolution and capable of coping with considerably increased background is required. To address this challenge, a pixel detector based on DEPFET technology has been proposed. A new all silicon integrated circuit, called Data Handling Processor (DHP), is implemented in 65 nm CMOS technology. It is designed to steer the detector and preprocess the generated data. The scope of this thesis covers DHP tests and optimization as well the development of its test environment, which is the first Full-Scale Module Prototype of the DEPFET Pixel Vertex detector

Power Management Circuits for Front-End ASICs Employed in High Energy Physics Applications

The instrumentation of radiation detectors for high energy physics calls for the development of very low-noise application-specific integrated-circuits and demanding system-level design strategies, with a particular focus on the minimisation of inter-ference noise from power anagement circuitry. On the other hand, the aggressive pixelisation of sensors and associated front-end electronics, and the high radiation exposure at the innermost tracking and vertex detectors, requires radiation-aware design and radiation-tolerant deep sub-micron CMOS technologies. This thesis explores circuit design techniques towards radiation tolerant power management integrated circuits, targeting applications on particle detectors and monitoring of accelerator-based experiments, aerospace and nuclear applications. It addresses advantages and caveats of commonly used radiation-hard layout techniques, which often employ Enclosed Layout or H-shaped transistors, in respect to the use of linear transistors. Radiation tolerant designs for bandgap circuits are discussed, and two different topologies were explored. A low quiescent current bandgap for sub-1 V CMOS circuits is proposed, where the use of diode-connected MOSFETs in weak-inversion is explored in order to increase its radiation tolerance. An any-load stable LDO architecture is proposed, and three versions of the design using different layout techniques were implemented and characterised. In addition, a switched DC-DC Buck converter is also studied. For reasons concerning testability and silicon area, the controller of the Buck converter is on-chip, while the inductance and the power transistors are left on-board. A prototype test chip with power management IP blocks was fabricated, using a TSMC 65 nm CMOS technology. The chip features Linear, ELT and H-shape LDO designs, bandgap circuits and a Buck DC-DC converter. We discuss the design, layout and test results of the prototype. The specifications in terms of voltage range and output current capability are based on the requirements set for the integrated on-detector electronics of the new CGEM-IT tracker for the BESIII detector. The thesis discusses the fundamental aspects of the proposed on-detector electronics and provides an in-depth depiction of the front-end design for the readout ASIC