A review of advances in pixel detectors for experiments with high rate and radiation

The Large Hadron Collider (LHC) experiments ATLAS and CMS have established hybrid pixel detectors as the instrument of choice for particle tracking and vertexing in high rate and radiation environments, as they operate close to the LHC interaction points. With the High Luminosity-LHC upgrade now in sight, for which the tracking detectors will be completely replaced, new generations of pixel detectors are being devised. They have to address enormous challenges in terms of data throughput and radiation levels, ionizing and non-ionizing, that harm the sensing and readout parts of pixel detectors alike. Advances in microelectronics and microprocessing technologies now enable large scale detector designs with unprecedented performance in measurement precision (space and time), radiation hard sensors and readout chips, hybridization techniques, lightweight supports, and fully monolithic approaches to meet these challenges. This paper reviews the world-wide effort on these developments.Comment: 84 pages with 46 figures. Review article.For submission to Rep. Prog. Phy

Using Fine Grain Approaches for highly reliable Design of FPGA-based Systems in Space

Nowadays using SRAM based FPGAs in space missions is increasingly considered due to their flexibility and reprogrammability. A challenge is the devices sensitivity to radiation effects that increased with modern architectures due to smaller CMOS structures. This work proposes fault tolerance methodologies, that are based on a fine grain view to modern reconfigurable architectures. The focus is on SEU mitigation challenges in SRAM based FPGAs which can result in crucial situations

Radiation hard FPGA configuration techniques using silicon on sapphire

 Once entirely the domain of space-borne applications, the effects of high energy charged particles on electronics systems is now also a concern for terrestrial devices. Reconfigurable components such as FPGAs are particularly vulnerable to radiation single event effects (SEU) as they carry a large amount of memory within a relatively small amount of circuit area. This thesis presents a Silicon on Insulator (SOI) based configuration memory system in a radiation hard reconfiguration system. The SOI technology used in this particular work is Silicon on Sapphire, where Sapphire is used as the body insulator. A non-volatile storage cell, able to be manufactured in a standard single polysilicon SOI CMOS process with no special layers, is combined with a Schmitt amplifier which result a final structure that exhibits two unique characteristics enhancing its resistance to radiation. Firstly, it is impossible for a radiation induced event to permanently flip the configuration state. Secondly, a partial de-programming resulting in a reduction in the magnitude of the storage cell voltage causes a large change in static current that can be very easily detected using a conventional sense amplifier. A simple current detector of the type used in conventional RAM circuits allows the configuration memory to be set up to exhibit self-correcting, or “auto-scrubbing” behavior. While the combination of SOI EEPROM and Schmitt exhibits high intrinsic resistance to radiation induced errors, it is still possible for a sequence of two particle strikes to cause the configuration value to be lost. Estimates are made of the Soft error Rate (SER) performance of the overall configuration memory structure. A trial layout of a configurable Look Up Table (LUT) is presented as an example of how the SOS EEPROM configuration cell would be deployed in a real system

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

Design and Analysis of an Adjacent Multi-bit Error Correcting Code for Nanoscale SRAMs

Increasing static random access memory (SRAM) bitcell density is a major driving force for semiconductor technology scaling. The industry standard 2x reduction in SRAM bitcell area per technology node has lead to a proliferation in memory intensive applications as greater memory system capacity can be realized per unit area. Coupled with this increasing capacity is an increasing SRAM system-level soft error rate (SER). Soft errors, caused by galactic radiation and radioactive chip packaging material corrupt a bitcell’s data-state and are a potential cause of catastrophic system failures. Further, reductions in device geometries, design rules, and sensitive node capacitances increase the probability of multiple adjacent bitcells being upset per particle strike to over 30% of the total SER below the 45 nm process node. Traditionally, these upsets have been addressed using a simple error correction code (ECC) combined with word interleaving. With continued scaling however, errors beyond this setup begin to emerge. Although more powerful ECCs exist, they come at an increased overhead in terms of area and latency. Additionally, interleaving adds complexity to the system and may not always be feasible for the given architecture. In this thesis, a new class of ECC targeted toward adjacent multi-bit upsets (MBU) is proposed and analyzed. These codes present a tradeoff between the currently popular single error correcting-double error detecting (SEC-DED) ECCs used in SRAMs (that are unable to correct MBUs), and the more robust multi-bit ECC schemes used for MBU reliability. The proposed codes are evaluated and compared against other ECCs using a custom test suite and multi-bit error channel model developed in Matlab as well as Verilog hardware description language (HDL) implementations synthesized using Synopsys Design Compiler and a commercial 65 nm bulk CMOS standard cell library. Simulation results show that for the same check-bit overhead as a conventional 64 data-bit SEC-DED code, the proposed scheme provides a corrected-SER approximately equal to the Bose-Chaudhuri- Hocquenghem (BCH) double error correcting (DEC) code, and a 4.38x improvement over the SEC-DED code in the same error channel. While, for 3 additional check-bits (still 3 less than the BCH DEC code), a triple adjacent error correcting version of the proposed code provides a 2.35x improvement in corrected-SER over the BCH DEC code for 90.9% less ECC circuit area and 17.4% less error correction delay. For further verification, a 0.4-1.0 V 75 kb single-cycle SRAM macro protected with a programmable, up-to-3-adjacent-bit-correcting version of the proposed ECC has been fab- ricated in a commercial 28 nm bulk CMOS process. The SRAM macro has undergone neu- tron irradiation testing at the TRIUMF Neutron Irradiation Facility in Vancouver, Canada. Measurements results show a 189x improvement in SER over an unprotected memory with no ECC enabled and a 5x improvement over a traditional single-error-correction (SEC) code at 0.5 V using 1-way interleaving for the same number of check-bits. This is compa- rable with the 4.38x improvement observed in simulation. Measurement results confirm an average active energy of 0.015 fJ/bit at 0.4 V, and average 80 mV reduction in VDDMIN across eight packaged chips by enabling the ECC. Both the SRAM macro and ECC circuit were designed for dynamic voltage and frequency scaling for both nominal and low voltage applications using a full-custom circuit design flow

Fault-tolerant satellite computing with modern semiconductors

Miniaturized satellites enable a variety space missions which were in the past infeasible, impractical or uneconomical with traditionally-designed heavier spacecraft. Especially CubeSats can be launched and manufactured rapidly at low cost from commercial components, even in academic environments. However, due to their low reliability and brief lifetime, they are usually not considered suitable for life- and safety-critical services, complex multi-phased solar-system-exploration missions, and missions with a longer duration. Commercial electronics are key to satellite miniaturization, but also responsible for their low reliability: Until 2019, there existed no reliable or fault-tolerant computer architectures suitable for very small satellites. To overcome this deficit, a novel on-board-computer architecture is described in this thesis.Robustness is assured without resorting to radiation hardening, but through software measures implemented within a robust-by-design multiprocessor-system-on-chip. This fault-tolerant architecture is component-wise simple and can dynamically adapt to changing performance requirements throughout a mission. It can support graceful aging by exploiting FPGA-reconfiguration and mixed-criticality.  Experimentally, we achieve 1.94W power consumption at 300Mhz with a Xilinx Kintex Ultrascale+ proof-of-concept, which is well within the powerbudget range of current 2U CubeSats. To our knowledge, this is the first COTS-based, reproducible on-board-computer architecture that can offer strong fault coverage even for small CubeSats.European Space AgencyComputer Systems, Imagery and Medi

Contributions to the fault tolerance of soft-core processors implemented in SRAM-based FPGA Systems.

239 p.Gracias al desarrollo de las tecnologías de diseño y fabricación, los circuitos electrónicos han llegado a grandes niveles de integración. De esta forma, hoy en día es posible implementar completos y complejos sistemas dentro de un único dispositivo incorporando gran variedad de elementos como: procesadores, osciladores, lazos de seguimiento de fase (PLLs), interfaces, conversores ADC y DAC, módulos de memoria, etc. A este concepto de diseño se le denomina comúnmente SoC (System-on-Chip). Una de las plataformas para implementar estos sistemas que más importancia está cobrando son las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Históricamente la plataforma más utilizada para albergar los SoCs han sido las ASICs (Application- Specific Integrated Circuits), debido a su bajo consumo energético y su gran rendimiento. No obstante, su costoso proceso de desarrollo y fabricación hace que solo sean rentables en el caso de producciones masivas. Las FPGAs, por el contrario, al ser dispositivos configurables ofrecen, la posibilidad de implementar diseños personalizados a un coste mucho más reducido. Por otro lado, los continuos avances en la tecnología de las FPGAs están haciendo que éstas compitan con las ASICs a nivel de prestaciones (consumo, nivel de integración y eficiencia). Ciertas tecnologías de FPGA, como las SRAM y Flash, poseen una característica que las hace especialmente interesantes en multitud de diseños: la capacidad de reconfiguración. Dicha característica, que incluso puede ser realizada de forma autónoma, permite cambiar completamente el diseño hardware implementado con solo cargar en la FPGA un archivo de configuración denominado bitstream. La reconfiguración puede incluso permitir modificar una parte del circuito configurado en la matriz de la FPGA, mientras el resto del circuito implementado continua inalterado. Esto que se conoce como reconfiguración parcial dinámica, posibilita que un mismo chip albergue en su interior numerosos diseños hardware que pueden ser cargados a demanda. Gracias a la capacidad de reconfiguración, las FPGAs ofrecen numerosas ventajas como: posibilidad de personalización de diseños, capacidad de readaptación durante el funcionamiento para responder a cambios o corregir errores, mitigación de obsolescencia, diferenciación, menores costes de diseño o reducido tiempo para el lanzamiento de productos al mercado. Los SoC basados en FPGAs allanan el camino hacia un nuevo concepto de integración de hardware y software, permitiendo que los diseñadores de sistemas electrónicos sean capaces de integrar procesadores embebidos en los diseños para beneficiarse de su gran capacidad de computación. Gracias a esto, una parte importante de la electrónica hace uso de la tecnología FPGA abarcando un gran abanico de campos, como por ejemplo: la electrónica de consumo y el entretenimiento, la medicina o industrias como la espacial, la aviónica, la automovilística o la militar. Las tecnologías de FPGA existentes ofrecen dos vías de utilización de procesado- res embebidos: procesadores hardcore y procesadores softcore. Los hardcore son procesadores discretos integrados en el mismo chip de la FPGA. Generalmente ofrecen altas frecuencias de trabajo y una mayor previsibilidad en términos de rendimiento y uso del área, pero su diseño hardware no puede alterarse para ser personalizado. Por otro lado, un procesador soft-core, es la descripción hardware en lenguaje HDL (normalmente VDHL o Verilog) de un procesador, sintetizable e implementable en una FPGA. Habitualmente, los procesadores softcore suelen basarse en diseños hardware ya existentes, siendo compatibles con sus juegos de instrucciones, muchos de ellos en forma de IP cores (Intellectual Property co- res). Los IP cores ofrecen procesadores softcore prediseñados y testeados, que dependiendo del caso pueden ser de pago, gratuitos u otro tipo de licencias. Debido a su naturaleza, los procesadores softcore, pueden ser personalizados para una adaptación óptima a diseños específicos. Así mismo, ofrecen la posibilidad de integrar en el diseño tantos procesadores como se desee (siempre que haya disponibles recursos lógicos suficientes). Otra ventaja importante es que, gracias a la reconfiguración parcial dinámica, es posible añadir el procesador al diseño únicamente en los casos necesarios, ahorrando de esta forma, recursos lógicos y consumo energético. Uno de los mayores problemas que surgen al usar dispositivos basados en las tecnologías SRAM o la flash, como es el caso de las FPGAs, es que son especialmente sensibles a los efectos producidos por partículas energéticas provenientes de la radiación cósmica (como protones, neutrones, partículas alfa u otros iones pesados) denominados efectos de eventos simples o SEEs (Single Event Effects). Estos efectos pueden ocasionar diferentes tipos de fallos en los sistemas: desde fallos despreciables hasta fallos realmente graves que comprometan la funcionalidad del sistema. El correcto funcionamiento de los sistemas cobra especial relevancia cuando se trata de tecnologías de elevado costo o aquellas en las que peligran vidas humanas, como, por ejemplo, en campos tales como el transporte ferroviario, la automoción, la aviónica o la industria aeroespacial. Dependiendo de distintos factores, los SEEs pueden causar fallos de operación transitorios, cambios de estados lógicos o daños permanentes en el dispositivo. Cuando se trata de un fallo físico permanente se denomina hard-error, mientras que cuando el fallo afecta el circuito momentáneamente se denomina soft-error. Los SEEs más frecuentes son los soft-errors y afectan tanto a aplicaciones comerciales a nivel terrestre, como a aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales (con mayor incidencia en estas últimas). La contribución exacta de este tipo de fallos a la tasa de errores depende del diseño específico de cada circuito, pero en general se asume que entorno al 90 % de la tasa de error se debe a fallos en elementos de memoria (latches, biestables o celdas de memoria). Los soft-errors pueden afectar tanto al circuito lógico como al bitstream cargado en la memoria de configuración de la FPGA. Debido a su gran tamaño, la memoria de configuración tiene más probabilidades de ser afectada por un SEE. La existencia de problemas generados por estos efectos reafirma la importancia del concepto de tolerancia a fallos. La tolerancia a fallos es una propiedad relativa a los sistemas digitales, por la cual se asegura cierta calidad en el funcionamiento ante la presencia de fallos, debiendo los sistemas poder soportar los efectos de dichos fallos y funcionar correctamente en todo momento. Por tanto, para lograr un diseño robusto, es necesario garantizar la funcionalidad de los circuitos y asegurar la seguridad y confiabilidad en las aplicaciones críticas que puedan verse comprometidos por los SEE. A la hora de hacer frente a los SEE existe la posibilidad de explotar tecnologías específicas centradas en la tolerancia a fallos, como por ejemplo las FPGAs de tipo fusible, o, por otro lado, utilizar la tecnología comercial combinada con técnicas de tolerancia a fallos. Esta última opción va cobrando importancia debido al menor precio y mayores prestaciones de las FPGAs comerciales. Generalmente las técnicas de endurecimiento se aplican durante la fase de diseño. Existe un gran número de técnicas y se pueden llegar a combinar entre sí. Las técnicas prevalentes se basan en emplear algún tipo de redundancia, ya sea hardware, software, temporal o de información. Cada tipo de técnica presenta diferentes ventajas e inconvenientes y se centra en atacar distintos tipos de SEE y sus efectos. Dentro de las técnicas de tipo redundancia, la más utilizada es la hardware, que se basa en replicar el modulo a endurecer. De esta forma, cada una de las réplicas es alimentada con la misma entrada y sus salidas son comparadas para detectar discrepancias. Esta redundancia puede implementarse a diferentes niveles. En términos generales, un mayor nivel de redundancia hardware implica una mayor robustez, pero también incrementa el uso de recursos. Este incremento en el uso de recursos de una FPGA supone tener menos recursos disponibles para el diseño, mayor consumo energético, el tener más elementos susceptibles de ser afectados por un SEE y generalmente, una reducción de la máxima frecuencia alcanzable por el diseño. Por ello, los niveles de redundancia hardware más utilizados son la doble, conocida como DMR (Dual Modular Redundancy) y la triple o TMR (Triple Modular Redundancy). La DMR minimiza el número de recursos redundantes, pero presenta el problema de no poder identificar el módulo fallido ya que solo es capaz de detectar que se ha producido un error. Ello hace necesario combinarlo con técnicas adicionales. Al caso de DMR aplicado a procesadores se le denomina lockstep y se suele combinar con las técnicas checkpoint y rollback recovery. El checkpoint consiste en guardar periódicamente el contexto (contenido de registros y memorias) de instantes identificados como correctos. Gracias a esto, una vez detectado y reparado un fallo es posible emplear el rollback recovery para cargar el último contexto correcto guardado. Las desventajas de estas estrategias son el tiempo requerido por ambas técnicas (checkpoint y rollback recovery) y la necesidad de elementos adicionales (como memorias auxiliares para guardar el contexto). Por otro lado, el TMR ofrece la posibilidad de detectar el módulo fallido mediante la votación por mayoría. Es decir, si tras comparar las tres salidas una de ellas presenta un estado distinto, se asume que las otras dos son correctas. Esto permite que el sistema continúe funcionando correctamente (como sistema DMR) aun cuando uno de los módulos quede inutilizado. En todo caso, el TMR solo enmascara los errores, es decir, no los corrige. Una de las desventajas más destacables de esta técnica es que incrementa el uso de recursos en más de un 300 %. También cabe la posibilidad de que la salida discrepante sea la realmente correcta (y que, por tanto, las otras dos sean incorrectas), aunque este caso es bastante improbable. Uno de los problemas que no se ha analizado con profundidad en la bibliografía es el problema de la sincronización de procesadores soft-core en sistemas TMR (o de mayor nivel de redundancia). Dicho problema reside en que, si tras un fallo se inutiliza uno de los procesadores y el sistema continúa funcionando con el resto de procesadores, una vez reparado el procesador fallido éste necesita sincronizar su contexto al nuevo estado del sistema. Una práctica bastante común en la implementación de sistemas redundantes es combinarlos con la técnica conocida como scrubbing. Esta técnica basada en la reconfiguración parcial dinámica, consiste en sobrescribir periódicamente el bitstream con una copia libre de errores apropiadamente guardada. Gracias a ella, es posible corregir los errores enmascarados por el uso de algunas técnicas de endurecimiento como la redundancia hardware. Esta copia libre de errores suele omitir los bits del bitstream correspondientes a la memoria de usuario, por lo que solo actualiza los bits relacionados con la configuración de la FPGA. Por ello, a esta técnica también se la conoce como configuration scrubbing. En toda la literatura consultada se ha detectado un vacío en cuanto a técnicas que propongan estrategias de scrubbing para la memoria de usuario. Con el objetivo de proponer alternativas innovadoras en el terreno de la tolerancia a fallos para procesadores softcore, en este trabajo de investigación se han desarrollado varias técnicas y flujos de diseño para manejar los datos de usuario a través del bitstream, pudiendo leer, escribir o copiar la información de registros o de memorias implementadas en bloques RAMs de forma autónoma. Así mismo se ha desarrollado un abanico de propuestas tanto como para estrategias lockstep como para la sincronización de sistemas TMR, de las cuales varias hacen uso de las técnicas desarrolladas para manejar las memorias de usuario a través del bitstream. Estas últimas técnicas tienen en común la minimización de utilización de recursos respecto a las estrategias tradicionales. De forma similar, se proponen dos alternativas adicionales basadas en dichas técnicas: una propuesta de scrubbing para las memorias de usuario y una para la recuperación de información en memorias implementadas en bloques RAM cuyas interfaces hayan sido inutilizadas por SEEs.Todas las propuestas han sido validadas en hardware utilizando una FPGA de Xilinx, la empresa líder en fabricación de dispositivos reconfigurables. De esta forma se proporcionan resultados sobre los impactos de las técnicas propuestas en términos de utilización de recursos, consumos energéticos y máximas frecuencias alcanzables

Novel Quadruple Cross-Coupled Memory Cell Designs Protected against Single Event Upsets and Double-Node Upsets

International audienceThis paper presents two novel quadruple cross-coupled memory cell designs, namely QCCM10T and QCCM12T, with protection against single event upsets (SEUs) and double-node upsets (DNUs). First, the QCCM10T cell consisting of four cross-coupled input-split inverters is proposed. The cell achieves full SEU tolerance and partial DNU tolerance through a novel feedback mechanism among its internal nodes. It also has a low cost in terms of area and power dissipation mainly due to the use of only a few transistors. Next, based on the QCCM10T cell, the QCCM12T cell is proposed that uses two extra access transistors. The QCCM12T cell has a reduced read-and-write access time with the same soft error tolerance when compared to the QCCM10T cell. Simulation results demonstrate the robustness of the proposed memory cells. Moreover, compared with the state-of-the-art hardened memory cells, the proposed QCCM12T cell saves 28.59% write access time, 55.83% read access time, and 4.46% power dissipation at the cost of 4.04% silicon area on average. INDEX TERMS Double-node upset, memory cell, radiation hardening, single event upset, soft error

Virtual Runtime Application Partitions for Resource Management in Massively Parallel Architectures

This thesis presents a novel design paradigm, called Virtual Runtime Application Partitions (VRAP), to judiciously utilize the on-chip resources. As the dark silicon era approaches, where the power considerations will allow only a fraction chip to be powered on, judicious resource management will become a key consideration in future designs. Most of the works on resource management treat only the physical components (i.e. computation, communication, and memory blocks) as resources and manipulate the component to application mapping to optimize various parameters (e.g. energy efficiency). To further enhance the optimization potential, in addition to the physical resources we propose to manipulate abstract resources (i.e. voltage/frequency operating point, the fault-tolerance strength, the degree of parallelism, and the configuration architecture). The proposed framework (i.e. VRAP) encapsulates methods, algorithms, and hardware blocks to provide each application with the abstract resources tailored to its needs. To test the efficacy of this concept, we have developed three distinct self adaptive environments: (i) Private Operating Environment (POE), (ii) Private Reliability Environment (PRE), and (iii) Private Configuration Environment (PCE) that collectively ensure that each application meets its deadlines using minimal platform resources. In this work several novel architectural enhancements, algorithms and policies are presented to realize the virtual runtime application partitions efficiently. Considering the future design trends, we have chosen Coarse Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs) and Network on Chips (NoCs) to test the feasibility of our approach. Specifically, we have chosen Dynamically Reconfigurable Resource Array (DRRA) and McNoC as the representative CGRA and NoC platforms. The proposed techniques are compared and evaluated using a variety of quantitative experiments. Synthesis and simulation results demonstrate VRAP significantly enhances the energy and power efficiency compared to state of the art.Siirretty Doriast