STAHL: A Novel Scan-Test-Aware Hardened Latch Design

As modern technology nodes become more susceptible to soft errors, many radiation hardened latch designs have been proposed. However, redundant circuitry used to tolerate soft errors in such hardened latches also reduces the test coverage of cell-internal manufacturing defects. To avoid potential test escapes that lead to soft error vulnerability and reliability issues, this paper proposes a novel Scan-Test-Aware Hardened Latch (STAHL). Simulation results show that STAHL has superior defect coverage compared to previous hardened latches while maintaining full radiation hardening in function mode.24th IEEE European Test Symposium (ETS\u2719), May 27-31, 2019, Baden-Baden, German

STUDY OF SINGLE-EVENT EFFECTS ON DIGITAL SYSTEMS

Microelectronic devices and systems have been extensively utilized in a variety of radiation environments, ranging from the low-earth orbit to the ground level. A high-energy particle from such an environment may cause voltage/current transients, thereby inducing Single Event Effect (SEE) errors in an Integrated Circuit (IC). Ever since the first SEE error was reported in 1975, this community has made tremendous progress in investigating the mechanisms of SEE and exploring radiation tolerant techniques. However, as the IC technology advances, the existing hardening techniques have been rendered less effective because of the reduced spacing and charge sharing between devices. The Semiconductor Industry Association (SIA) roadmap has identified radiation-induced soft errors as the major threat to the reliable operation of electronic systems in the future. In digital systems, hardening techniques of their core components, such as latches, logic, and clock network, need to be addressed. Two single event tolerant latch designs taking advantage of feedback transistors are presented and evaluated in both single event resilience and overhead. These feedback transistors are turned OFF in the hold mode, thereby yielding a very large resistance. This, in turn, results in a larger feedback delay and higher single event tolerance. On the other hand, these extra transistors are turned ON when the cell is in the write mode. As a result, no significant write delay is introduced. Both designs demonstrate higher upset threshold and lower cross-section when compared to the reference cells. Dynamic logic circuits have intrinsic single event issues in each stage of the operations. The worst case occurs when the output is evaluated logic high, where the pull-up networks are turned OFF. In this case, the circuit fails to recover the output by pulling the output up to the supply rail. A capacitor added to the feedback path increases the node capacitance of the output and the feedback delay, thereby increasing the single event critical charge. Another differential structure that has two differential inputs and outputs eliminates single event upset issues at the expense of an increased number of transistors. Clock networks in advanced technology nodes may cause significant errors in an IC as the devices are more sensitive to single event strikes. Clock mesh is a widely used clocking scheme in a digital system. It was fabricated in a 28nm technology and evaluated through the use of heavy ions and laser irradiation experiments. Superior resistance to radiation strikes was demonstrated during these tests. In addition to mitigating single event issues by using hardened designs, built-in current sensors can be used to detect single event induced currents in the n-well and, if implemented, subsequently execute fault correction actions. These sensors were simulated and fabricated in a 28nm CMOS process. Simulation, as well as, experimental results, substantiates the validity of this sensor design. This manifests itself as an alternative to existing hardening techniques. In conclusion, this work investigates single event effects in digital systems, especially those in deep-submicron or advanced technology nodes. New hardened latch, dynamic logic, clock, and current sensor designs have been presented and evaluated. Through the use of these designs, the single event tolerance of a digital system can be achieved at the expense of varying overhead in terms of area, power, and delay

High-Performance Robust Latches

First, a new high-performance robust latch (referred to as HiPeR latch) is presented that is insensitive to transient faults affecting its internal and output nodes by design, independently of the size of its transistors. Then, a modified version of the HiPeR latch (referred as HiPeR-CG) is proposed that is suitable to be used together with clock gating. Both proposed latches are faster than the latches most recently presented in the literature, while providing better or comparable robustness to transient faults, at comparable or lower costs in terms of area and power, respectively. Therefore, thanks to the good trade-offs in terms of performance, robustness, and cost, our proposed latches are particularly suitable to be adopted on critical paths

A low power and soft error resilience guard-gated Quartro-based flip-flop in 45 nm CMOS technology

Abstract Conventional flip‐flops are more vulnerable to particle strikes in a radiation environment. To overcome this disadvantage, in the literature, many radiation‐hardened flip‐flops (FFs) based on techniques like triple modular redundancy, dual interlocked cell, Quatro and guard‐gated Quatro cell, and so on, are discussed. The flip‐flop realized using radiation hardened by design Quatro cell is named as the improved version of Quatro flip‐flop (IVQFF). Single event upset (SEU) at inverter stages of master/slave and at output are the two drawbacks of IVQFF. This study proposes a guard‐gated Quatro FF (GQFF) using guard‐gated Quatro cell and Muller C‐element. To overcome the SEU at inverter stages of IVQFF, in GQFF, the inverter stages are realized in a parallel fashion. A dual‐input Muller C‐element is connected to the GQFF output stage to mask the SEU and thus maintain the correct output. The proposed GQFF tolerates both single node upset (SNU) and double node upset (DNU). It also achieves low power. To prove the efficacy, GQFF and the existing FFs are implemented in 45 nm Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology. From the simulation results, it may be noted that the GQFF is 100% immune to SNUs and 50% immune to DNUs

Radiation Tolerant Electronics, Volume II

Research on radiation tolerant electronics has increased rapidly over the last few years, resulting in many interesting approaches to model radiation effects and design radiation hardened integrated circuits and embedded systems. This research is strongly driven by the growing need for radiation hardened electronics for space applications, high-energy physics experiments such as those on the large hadron collider at CERN, and many terrestrial nuclear applications, including nuclear energy and safety management. With the progressive scaling of integrated circuit technologies and the growing complexity of electronic systems, their ionizing radiation susceptibility has raised many exciting challenges, which are expected to drive research in the coming decade.After the success of the first Special Issue on Radiation Tolerant Electronics, the current Special Issue features thirteen articles highlighting recent breakthroughs in radiation tolerant integrated circuit design, fault tolerance in FPGAs, radiation effects in semiconductor materials and advanced IC technologies and modelling of radiation effects

Small Form Factor Hybrid CMOS/GaN Buck Converters for 10W Point of Load Applications

abstract: Point of Load (PoL) converters are important components to the power distribution system in computer power supplies as well as automotive, space, nuclear, and medical electronics. These converters often require high output current capability, low form factor, and high conversion ratios (step-down) without sacrificing converter efficiency. This work presents hybrid silicon/gallium nitride (CMOS/GaN) power converter architectures as a solution for high-current, small form-factor PoL converters. The presented topologies use discrete GaN power devices and CMOS integrated drivers and controller loop. The presented power converters operate in the tens of MHz range to reduce the form factor by reducing the size of the off-chip passive inductor and capacitor. Higher conversion ratio is achieved through a fast control loop and the use of GaN power devices that exhibit low parasitic gate capacitance and minimize pulse swallowing. This work compares three discrete buck power converter architectures: single-stage, multi-phase with 2 phases, and stacked-interleaved, using components-off-the-shelf (COTS). Each of the implemented power converters achieves over 80% peak efficiency with switching speeds up-to 10MHz for high conversion ratio from 24V input to 5V output and maximum load current of 10A. The performance of the three architectures is compared in open loop and closed loop configurations with respect to efficiency, output voltage ripple, and power stage form factor. Additionally, this work presents an integrated CMOS gate driver solution in CMOS 0.35um technology. The CMOS integrated circuit (IC) includes the gate driver and the closed loop controller for directly driving a single-stage GaN architecture. The designed IC efficiently drives the GaN devices up to 20MHz switching speeds. The presented controller technique uses voltage mode control with an innovative cascode driver architecture to allow a 3.3V CMOS devices to effectively drive GaN devices that require 5V gate signal swing. Furthermore, the designed power converter is expected to operate under 400MRad of total dose, thus enabling its use in high-radiation environments for the large hadron collider at CERN and nuclear facilities.Dissertation/ThesisMasters Thesis Electrical Engineering 201

耐ソフトエラーラッチにおける欠陥の分析、検出及び評価に関する研究

The development of modern integrated circuits (ICs) has greatly changed the life of humankind. Nowadays, IC s are also indispensable to mission-critical applications, such as medical devices, autonomous cars, aircraft navigating systems, and satellites. The reliability of these mission-critical applications is a major concern. A soft-error occurring in an IC is a severe threat to its reliability, especially for mission-critical applications. The continuous trend of shrinking technology feature sizes makes modern ICs more and more vulnerable to soft errors. Soft-errors are caused by radiation particles striking an IC and generating current pulses to disturb its functionality. A soft-error can cause data corruption and may eventually lead to system failure s If a soft-error occurs in an operational medical device during surgery, it may cause a malfunction of this device and interrupt the surgery process. A soft-error may change the control data of an autonomous car which may lead to an accident. A soft-error may corrupt the aircraft navigating systems. No one would take the chance to let it happen even though malfunction s caused by soft errors can be solved by resetting these devices. Because reset takes time and severe results may happen during the resetting. If a soft-error causes a malfunction in the control system of a satellite, it may not be able to maintain its height and eventually burn up as it falls into the Earth’s atmosphere. Hence, it is important to protect ICs from soft errors. Many soft-error tolerance methods have been proposed to protect ICs against soft-errors. In an IC, memory elements and storage elements (e.g., latches and flip flops) are the most vulnerable to soft-errors, and data stored in them are crucial to the operation of a circuit. Error correction codes (ECCs) can be u sed to protect memories. Register-level soft-error tolerance methods can be used to detect soft-errors in latches by using parity checking and correct them by resetting. Hardened designs protect latches against soft-errors by using redundant feedback loops to store the same input data and using a voter to select the correct output. The advantage of using hardened designs is that they can prevent soft-errors from reaching outputs while ECCs and register-level soft-error tolerance methods must detect soft-errors and then correct them by restoring the data. For protecting storage elements in mission-critical applications, hardened latch design is the best option because it has high reliability and can save the resetting time. Many state-of-the-art hardened latch designs have been proposed to tolerate soft errors and they are believed to have good soft-error tolerability. Defects (physical flaws due to imperfect production (production defects) and physical changes caused by aging effects after a long operation time (aging-related defects) can also cause a malfunction of a circuit and cause a system failure eventually. Different from the temporal state change of a circuit caused by soft errors, defects are permanent damages to a circuit and can disturb the behavior of a circuit from its desired manner. Defects in storage elements should be detected to make sure a system/device operating correctly and stably. Scan test is a commonly used defect detection method, which connects reconfigured storage elements to form a shift register with external access and the internal states of these storage elements can be easily controlled and checked. However, the impact of defects on existing state of the art hardened latch design has not been considered. This impact requires consideration because added redundancy in hardened latch designs can not only mask soft-errors but also mask the effects of defects and it can lead to two serious problems: Problem-1 (Low Testability): Production defects in hardened latch designs are difficult to detect with conventional scan tests, in which the observability (an important metric to evaluate a circuit’s testability) of defects in hardened latch designs can be greatly reduced. Therefore, existing state-of-the-art hardened latches have low observability and thus low testability. Furthermore, defects that escaped the production test (undetected defects) may become more and more serious and cause a system failure eventually. Problem-2 (Low Soft-Error Tolerability): Undetected defects and aging-related defects can make hardened latch designs vulnerable to soft-errors while defect-free ones do not. The soft-error tolerability of hardened latch designs may be compromise d by undetected defects or aging related defects. This research is the first to consider Problem-1 of low testability of hardened latches and Problem-2 of defects reducing the reliability of hardened latches. Furthermore, this research is the first to pro pose a comprehensive solution to solve these two problems with the following five major contributions: Contribution-1: A first of its kind metric for quantifying the impact of defects on hardened latches, called Post-Test Vulnerability Factor (PTVF). It is used to analyze the residual soft-error tolerability of hardened latches after testing. Problem-2 is solved by this first major contribution. Contribution-2: A novel design called Scan-Test-Aware Hardened Latch (STAHL) that provides the highest defect coverage in comparison with all existing hardened latches. Problem-1 is solved by using STAHL to build a scan c ell to perform a scan test. Contribution-3: A novel scan test procedure is proposed to solve Problem-1 by fully testing the STAHL based scan cell. Contribution-4: A novel High-Performance Scan-Test-Aware Hardened Latch (HP-STAHL) design can also solve Problem-1 and has similar defect coverage as STAHL but has lower power consumption and higher propagation speed. Contribution-5: A novel scan test procedure is proposed to fully test the HP STAHL-based scan cell to solve Problem-1. Comprehensive simulation results demonstrate the accuracy of the PTVF metric and the effectiveness of the STAHL-based scan test and HP-STAHL-based scan test. As the first comprehensive study bridging the gap between hardened latch design s and IC testing, the findings of this research are expected to significantly improve the soft-error-related reliability of IC designs for mission-critical applications. Furthermore, the two proposed hardened latches and the scan test procedures can not only be use d to detect defects after production but also can be applied to detect aging related defects in the field through performing built-in self-test (BIST). In Chapter 1, an example is introduced to indicate Problem-1 and Problem-2. Chapter 2 shows the background information of soft-errors and defects. Chapter 3 shows some typical soft-error mitigation methods and details of a scan test. Chapter 4 describes the detailed information of PTVF Contribution-1). Chapter 5 shows the structure of STAHL (Contribution-2) and Chapter 6 shows the scan test procedure of testing the STAHL-based scan cell (Contribution-3). Chapter 7 shows the structure of HP-STAHL (Contribution-4) and Chapter 8 shows the scan test procedure of testing the HP-STAHL based scan cell (Contribution-5). Chapter 9 shows the experimental results of comparing STAHL and HP-STAHL with state-of-the-art hardened latch designs. Chapter 10 concludes this thesis.九州工業大学博士学位論文 学位記番号：情工博甲第371号 学位授与年月日：令和4年9月26日1. Introduction|2. Background|3. Related Works|4. Post-Test Vulnerability Factor (PTVF)|5. Scan-Test Aware Hardened Latch (STAHL)|6. Scan Test Based on STAHL|7. High Performance Scan-Test-Aware Hardened Latch (HP STAHL)|8. Scan Test Based on HP STAHL|9. Experimental Evaluation|10. Conclusions and Future Works九州工業大学令和4年

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

Reliability in the face of variability in nanometer embedded memories

In this thesis, we have investigated the impact of parametric variations on the behaviour of one performance-critical processor structure - embedded memories. As variations manifest as a spread in power and performance, as a first step, we propose a novel modeling methodology that helps evaluate the impact of circuit-level optimizations on architecture-level design choices. Choices made at the design-stage ensure conflicting requirements from higher-levels are decoupled. We then complement such design-time optimizations with a runtime mechanism that takes advantage of adaptive body-biasing to lower power whilst improving performance in the presence of variability. Our proposal uses a novel fully-digital variation tracking hardware using embedded DRAM (eDRAM) cells to monitor run-time changes in cache latency and leakage. A special fine-grain body-bias generator uses the measurements to generate an optimal body-bias that is needed to meet the required yield targets. A novel variation-tolerant and soft-error hardened eDRAM cell is also proposed as an alternate candidate for replacing existing SRAM-based designs in latency critical memory structures. In the ultra low-power domain where reliable operation is limited by the minimum voltage of operation (Vddmin), we analyse the impact of failures on cache functional margin and functional yield. Towards this end, we have developed a fully automated tool (INFORMER) capable of estimating memory-wide metrics such as power, performance and yield accurately and rapidly. Using the developed tool, we then evaluate the #effectiveness of a new class of hybrid techniques in improving cache yield through failure prevention and correction. Having a holistic perspective of memory-wide metrics helps us arrive at design-choices optimized simultaneously for multiple metrics needed for maintaining lifetime requirements