A Lightweight N-Cover Algorithm For Diagnostic Fail Data Minimization

The increasing design complexity of modern ICs has made it extremely difficult and expensive to test them comprehensively. As the transistor count and density of circuits increase, a large volume of fail data is collected by the tester for a single failing IC. The diagnosis procedure analyzes this fail data to give valuable information about the possible defects that may have caused the circuit to fail. However, without any feedback from the diagnosis procedure, the tester may often collect fail data which is potentially not useful for identifying the defects in the failing circuit. This not only consumes tester memory but also increases tester data logging time and diagnosis run time. In this work, we present an algorithm to minimize the amount of fail data used for high quality diagnosis of the failing ICs. The developed algorithm analyzes outputs at which the tests failed and determines which failing tests can be eliminated from the fail data without compromising diagnosis accuracy. The proposed algorithm is used as a preprocessing step between the tester data logs and the diagnosis procedure. The performance of the algorithm was evaluated using fail data from industry manufactured ICs. Experiments demonstrate that on average, 43% of fail data was eliminated by our algorithm while maintaining an average diagnosis accuracy of 93%. With this reduction in fail data, the diagnosis speed was also increased by 46%

Exploring the Mysteries of System-Level Test

System-level test, or SLT, is an increasingly important process step in today's integrated circuit testing flows. Broadly speaking, SLT aims at executing functional workloads in operational modes. In this paper, we consolidate available knowledge about what SLT is precisely and why it is used despite its considerable costs and complexities. We discuss the types or failures covered by SLT, and outline approaches to quality assessment, test generation and root-cause diagnosis in the context of SLT. Observing that the theoretical understanding for all these questions has not yet reached the level of maturity of the more conventional structural and functional test methods, we outline new and promising directions for methodical developments leveraging on recent findings from software engineering.Comment: 7 pages, 2 figure

Contributions to the detection and diagnosis of soft errors in radiation environments

Texto completo descargado desde Teseo1. Introducción Los efectos de la radiación ionizante sobre dispositivos semiconductores es objeto de estudio desde la invención del transistor bipolar en 1947. El espacio es un entorno de alta radiación, como pusieron de manifiesto los primeros satélites puestos en órbita, y fue durante la carrera espacial de los años 50 cuando se impulsó el estudio de errores generados en componentes electrónicos críticos a bordo de las primeras misiones espaciales. La necesidad de robustecer la electrónica frente a la radiación ha estado siempre presente en el sector aeroespacial, además, el progresivo escalado de las tecnologías microelectrónicas, hace que el problema sea cada vez más acuciante, afectando incluso a dispositivos que operan a nivel del mar. El advenimiento de tecnologías nanométricas augura que serán necesarias nuevas y más eficaces técnicas de robustecimiento que garanticen la fiabilidad de equipos electrónicos críticos en sectores tan importantes como la aviación, automoción o energía nuclear. Existen dos métodos de robustecimiento para los dispositivos electrónicos, por proceso y por diseño. En el primer caso, el circuito integrado es fabricado en una tecnología que presenta baja sensibilidad a los efectos de la radiación, como la ampliamente utilizada SOI (Silicon On Insulator). En el segundo caso, el circuito presenta topologías en su diseño que mitigan en mayor o menor grado el daño por radiación. La efectividad de cualquier medida de protección debe ser validada en el correspondiente ensayo de radiación de acuerdo a los estándares vigentes (ESA, NASA, JEDEC, AEC,...). Existen varios tipos de daño por radiación, asociados a dosis acumulada (TID) y a eventos únicos (SEE), fundamentalmente. Estos últimos están asociados al paso de una única partícula energética a través del dispositivo, que genera una estela de carga y puede dar lugar a respuestas eléctricas no deseadas, como conmutación 2 2 Antecedentes de biestables, enclavamiento de un bit o excursiones de voltaje transitorias. A su vez, dentro de los errores asociados a eventos únicos se puede distinguir entre daños físicos, que pueden destruir el dispositivo de manera irreversible, y errores lógicos o soft errors que conllevan la corrupción del estado de un circuito digital, por ejemplo por la conmutación del valor lógico de un biestable. Los tests en aceleradores de partículas o con fuentes radiactivas, se consideran los ensayos más representativos para conocer la inmunidad de un componente frente al daño de tipo SEE. Sin embargo, la complejidad de estos ensayos dificulta la observabilidad experimental y la interpretación de los resultados obtenidos. En particular los tests dinámicos, que implican que el chip esté operando durante la irradiacón, comportan una dificultad añadida a la hora de interpretar los errores observados en las salidas del circuito. El test dinámico de radiación es el más realista, ya que introduce la variable temporal en el experimento y da lugar a efectos reales que no son reproducibles en condiciones estáticas, como el evento único transitorio (SET). El trabajo a realizar durante esta tesis pretende aportar una metodología de test que mejore la observabilidad de errores lógicos en un test dinámico de radiación de circuitos digitales mediante detección y diagnóstico en tiempo real. 2. Antecedentes La experiencia investigadora del grupo al que pertenece el autor de esta tesis en el campo de los efectos de la radiación sobre dispositivos electrónicos, ha puesto de manifiesto la necesidad de establecer una metodología que permita el diagnóstico de los errores observados en un componente electrónico sometido a radiación ionizante. Generalmente, no es posible correlacionar con certeza el efecto (anomalía detectada en los puertos de salida) con la causa del mismo. La complejidad inherente a la instrumentación de un ensayo de radiación en un acelerador 3 3 Hipótesis y Objetivos de partículas, así como la propia comlejidad del circuito bajo estudio, requieren algún criterio de clasificación de los errores observados que pueden ser de muy diversa naturaleza. Algunos autores han aportado técnicas que combinan inyección de fallos dinámica con test en acelerador estáticos para estimar la probabilidad de fallo real del circuito, salvando la complejidad del test de radiación dinámico. La protección selectiva, consistente en adoptar topologías de diseño robustas en ¿puntos calientes¿ o críticos del circuito, requiere técnicas de ensayo que permita el diagnóstico y localización del daño por radiación. El uso de microsondas nucleares permite la focalización de un haz de iones en una región relativamente pequeña, facilitando el diagnóstico. La disponibilidad de uso de la microsonda nuclear en el Centro Nacional de Aceleradores puede contribuir al desarrollo de la técnica de detección y diagnóstico que es objeto de esta tesis. La curva de sección eficaz de fallo SEE es la forma más extendida de representación de resultados de experimentación. Estas curvas representan una colección de datos experimentales que deben ser minuciosamente clasificados. Lo mismo ocurre en los tests destinados a evaluar la tasa de errores lógicos en tiempo real (RTSER). En este sentido, la norma JEDEC JESD89-1A recomienda que se sigan ¿criterios de fallo¿ para la correcta identificación de los errores detectados a la salida de un circuito en tests de radiación. 3. Hipótesis y Objetivos El grupo de investigación al que pertenece el doctorando, posee una contrastada experiencia en el uso de emuladores hardware para la evaluación temprana de la robustez de diseños digitales ante errores lógicos. Estos emuladores inyectan fallos en la netlist de un diseño digital y estudian la evolución del estado del circuito durante la ejecución de un conjunto de estímulos. La principal ventaja de estas herramientas frente a la simulación, radica en la aceleración hardware de los 4 3 Hipótesis y Objetivos tests que permite la finalización de campañas de inyección masivas en un tiempo relativamente corto. Las campañas masivas o sistemáticas de inyección de fallos permiten comprobar de forma exhaustiva la respuesta de un diseño digital a un entorno de alta radiación. Estas campañas arrojan una ingente cantidad de información acerca de las vulnerabilidades del diseño que debe ser procesada generalmente de forma estadística. La correlación entre el instante y lugar de inyección del fallo emulado y la respuesta del mismo, sería una información que permitiría establecer la causa de un error (comportamiento anómalo) observado durante un test de radiación, donde generalmente sólo están accesibles las salidas del dispositivo. Los resultados de una campaña de inyección dependen, además del diseño bajo test, del conjunto de estímulos aplicado (workload). A partir de los resultados de la campaña de inyección masiva, se puede realizar un estudio estadístico que determine la calidad de los vectores de test desde el punto de vista del diagnóstico. Es de esperar que diferentes fallos inyectados compartan la misma firma, de manera que en caso de obtener dicha firma en un test de radiación, sea imposible determinar exactamente el punto de inyección del fallo. A la hora de preparar un test de radiación, es recomendable emplear vectores de test que garanticen que la certidumbre del diagnóstico sea máxima, lo cual es un aporte adicional de la tesis. Esta tesis pretende establecer un procedimiento que permita obtener ¿diccionarios de fallos¿ en los que se establece una correlación entre el punto de inyección y la respuesta del circuito codificada en una firma de pocos bytes. Durante un test de radiación se pueden obtener en tiempo real las firmas generadas por el circuito, que servirán para diagnosticar en cada caso el origen del daño empleando los diccionarios de fallos previamente generados en un emulador hardware. En el supuesto de que la firma generada durante la irradiación no estuviera contenida en un diccionario exhaustivo, se puede decir que el error no ha sido originado por el 5 4 Metodología y Trabajo Realizado modelo de fallo empleado en la generación del diccionario, debiéndose por tanto a un tipo de daño no contemplado (por ejemplo daño físico). La culminación de la tesis es el test de radiación en un acelerador de partículas. La Universidad de Sevilla cuenta con las instalaciones del Centro Nacional de Aceleradores, que puede ser un banco de pruebas idóneo para comprobar la validez de la metodología y comprobar las ventajas e inconvenientes de la misma. 4. Metodología y Trabajo Realizado El plan de trabajo incluyó los siguientes hitos en el orden expuesto: Estudio de la base de conocimiento genérica relacionada con los efectos de la radiación en circuitos electrónicos Análisis del Estado del Arte en técnicas de inyección de fallos en circuitos digitales. Recopilación de normas y estándares relacionados con los test radiación de componentes electrónicos. Estudio simulado de bajo nivel de los efectos de la radiación en tecnologías submicrométricas. Selección de un módulo adecuado para creación de firmas a partir de las salidas de un circuito digital. Adecuación del emulador hardware FT-UNSHADES para la generación de firmas durante las campañas de inyección. Selección de un vehículo de test para el experimento en la microsonda nuclear del CNA. 6 4 Metodología y Trabajo Realizado Realización de campañas de inyección masivas para la generación de diccionarios de fallos sobre diseños digitales y análisis de resultados. Preparación del setup experimental para el acelerador de partículas. Experimento en la microsonda nuclear del CNA y análisis de resultados. El estudio bibliográfico de la base de conocimiento en el campo de los efectos de la radiación sobre circuitos electrónicos ha sido fundamental para poder establecer el ámbito de aplicación de la tesis. El papel de la emulación hardware para inyección de fallos en esta investigación fue crítica y ha sido necesario un estudio de las plataformas existentes para entender qué puede aportar cada herramienta. Para acabar con la documentación, es necesario además recopilar las normas y estándares relacionados con test de radiación de circuitos electrónicos. La simulación de bajo nivel de los efectos de la radiación sobre una determinada tecnología engloba herramientas como SPICE, SRIM y TCAD. Estas simulaciones permiten estimar cuales deben ser las características del haz de iones empleado en un futuro ensayo en el acelerador de partículas. Los resultados de estas simulaciones fueron discutidos con los técnicos del acelerador para estudiar la viabilidad de los parámetros deseados. Un elemento clave en la metodología fue el bloque que debe generar las firmas a partir de las salidas del circuito digital. Es deseable que se trate de un módulo sencillo y que pueda ser implementado en un dispositivo programable sin suponer un consumo excesivo de recursos. El emulador FT-UNSHADES fue adaptado par incorporar el módulo de firmas. Se dispuso de un circuito integrado que servió vehículo de test para un experimento en el CNA. Es necesaria además la descripción VHDL del mismo para su emulación en FT-UNSHADES. No es objeto de esta tesis el desarrollo de este componente, su diseño y fabricación está fuera del alcance de esta tesis. Se gener- 7 4 Metodología y Trabajo Realizado aron diccionarios de fallos del vehículo de tests y de otros diseños digitales y, a partir de estos diccionarios, se han confeccionado estudios estadísticos de diagnóstico. En una fase ulterior, se desarrolló el hardware necesario para el setup experimental. Todo el hardware se probó en el laboratorio, antes de acudir al CNA. El resultado de esta etapa es la configuración del equipamiento de test automático (ATE) que se encargó de introducir estímulos en el chip y monitorizarlo durante el experimento en el acelerador de partículas. Finalmente, se llevó a cabo un experimento en el Centro Nacional de Aceleradores sobre el vehículo de test elegido para completar una prueba de concepto de la metodología propuesta.

Functional Verification of Power Electronic Systems

This project is the final work of the degree in Industrial Electronics and Automatic Engineering. It has global concepts of electronics but it focuses in power electronic systems. There is a need for reliable testing systems to ensure the good functionality of power electronic systems. The constant evolution of this products requires the development of new testing techniques. This project aims to develop a new testing system to accomplish the functional verification of a new power electronic system manufactured on a company that is in the power electronic sector . This test system consists on two test bed platforms, one to test the control part of the systems and the other one to test their functionality. A software to perform the test is also designed. Finally, the testing protocol is presented. This design is validated and then implemented on a buck converter and an inverter that are manufactured at the company. The results show that the test system is reliable and is capable of testing the functional verification of the two power electronic system successfully. In summary, this design can be introduced in the power electronic production process to test the two products ensuring their reliability in the market

An efficient logic fault diagnosis framework based on effect-cause approach

Fault diagnosis plays an important role in improving the circuit design process and the manufacturing yield. With the increasing number of gates in modern circuits, determining the source of failure in a defective circuit is becoming more and more challenging. In this research, we present an efficient effect-cause diagnosis framework for combinational VLSI circuits. The framework consists of three stages to obtain an accurate and reasonably precise diagnosis. First, an improved critical path tracing algorithm is proposed to identify an initial suspect list by backtracing from faulty primary outputs toward primary inputs. Compared to the traditional critical path tracing approach, our algorithm is faster and exact. Second, a novel probabilistic ranking model is applied to rank the suspects so that the most suspicious one will be ranked at or near the top. Several fast filtering methods are used to prune unrelated suspects. Finally, to refine the diagnosis, fault simulation is performed on the top suspect nets using several common fault models. The difference between the observed faulty behavior and the simulated behavior is used to rank each suspect. Experimental results on ISCAS85 benchmark circuits show that this diagnosis approach is efficient both in terms of memory space and CPU time and the diagnosis results are accurate and reasonably precise

Delay Measurements and Self Characterisation on FPGAs

This thesis examines new timing measurement methods for self delay characterisation of Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) components and delay measurement of complex circuits on FPGAs. Two novel measurement techniques based on analysis of a circuit's output failure rate and transition probability is proposed for accurate, precise and efficient measurement of propagation delays. The transition probability based method is especially attractive, since it requires no modifications in the circuit-under-test and requires little hardware resources, making it an ideal method for physical delay analysis of FPGA circuits. The relentless advancements in process technology has led to smaller and denser transistors in integrated circuits. While FPGA users benefit from this in terms of increased hardware resources for more complex designs, the actual productivity with FPGA in terms of timing performance (operating frequency, latency and throughput) has lagged behind the potential improvements from the improved technology due to delay variability in FPGA components and the inaccuracy of timing models used in FPGA timing analysis. The ability to measure delay of any arbitrary circuit on FPGA offers many opportunities for on-chip characterisation and physical timing analysis, allowing delay variability to be accurately tracked and variation-aware optimisations to be developed, reducing the productivity gap observed in today's FPGA designs. The measurement techniques are developed into complete self measurement and characterisation platforms in this thesis, demonstrating their practical uses in actual FPGA hardware for cross-chip delay characterisation and accurate delay measurement of both complex combinatorial and sequential circuits, further reinforcing their positions in solving the delay variability problem in FPGAs

Transition Faults and Transition Path Delay Faults: Test Generation, Path Selection, and Built-In Generation of Functional Broadside Tests

As the clock frequency and complexity of digital integrated circuits increase rapidly, delay testing is indispensable to guarantee the correct timing behavior of the circuits. In this dissertation, we describe methods developed for three aspects of delay testing in scan-based circuits: test generation, path selection and built-in test generation. We first describe a deterministic broadside test generation procedure for a path delay fault model named the transition path delay fault model, which captures both large and small delay defects. Under this fault model, a path delay fault is detected only if all the individual transition faults along the path are detected by the same test. To reduce the complexity of test generation, sub-procedures with low complexity are applied before a complete branch-and-bound procedure. Next, we describe a method based on static timing analysis to select critical paths for test generation. Logic conditions that are necessary for detecting a path delay fault are considered to refine the accuracy of static timing analysis, using input necessary assignments. Input necessary assignments are input values that must be assigned to detect a fault. The method calculates more accurate path delays, selects paths that are critical during test application, and identifies undetectable path delay faults. These two methods are applicable to off-line test generation. For large circuits with high complexity and frequency, built-in test generation is a cost-effective method for delay testing. For a circuit that is embedded in a larger design, we developed a method for built-in generation of functional broadside tests to avoid excessive power dissipation during test application and the overtesting of delay faults, taking the functional constraints on the primary input sequences of the circuit into consideration. Functional broadside tests are scan-based two-pattern tests for delay faults that create functional operation conditions during test application. To avoid the potential fault coverage loss due to the exclusive use of functional broadside tests, we also developed an optional DFT method based on state holding to improve fault coverage. High delay fault coverage can be achieved by the developed method for benchmark circuits using simple hardware

Quantifying Shannon's Work Function for Cryptanalytic Attacks

Attacks on cryptographic systems are limited by the available computational resources. A theoretical understanding of these resource limitations is needed to evaluate the security of cryptographic primitives and procedures. This study uses an Attacker versus Environment game formalism based on computability logic to quantify Shannon's work function and evaluate resource use in cryptanalysis. A simple cost function is defined which allows to quantify a wide range of theoretical and real computational resources. With this approach the use of custom hardware, e.g., FPGA boards, in cryptanalysis can be analyzed. Applied to real cryptanalytic problems, it raises, for instance, the expectation that the computer time needed to break some simple 90 bit strong cryptographic primitives might theoretically be less than two years.Comment: 19 page

Exclusive-or preprocessing and dictionary coding of continuous-tone images.

The field of lossless image compression studies the various ways to represent image data in the most compact and efficient manner possible that also allows the image to be reproduced without any loss. One of the most efficient strategies used in lossless compression is to introduce entropy reduction through decorrelation. This study focuses on using the exclusive-or logic operator in a decorrelation filter as the preprocessing phase of lossless image compression of continuous-tone images. The exclusive-or logic operator is simply and reversibly applied to continuous-tone images for the purpose of extracting differences between neighboring pixels. Implementation of the exclusive-or operator also does not introduce data expansion. Traditional as well as innovative prediction methods are included for the creation of inputs for the exclusive-or logic based decorrelation filter. The results of the filter are then encoded by a variation of the Lempel-Ziv-Welch dictionary coder. Dictionary coding is selected for the coding phase of the algorithm because it does not require the storage of code tables or probabilities and because it is lower in complexity than other popular options such as Huffman or Arithmetic coding. The first modification of the Lempel-Ziv-Welch dictionary coder is that image data can be read in a sequence that is linear, 2-dimensional, or an adaptive combination of both. The second modification of the dictionary coder is that the coder can instead include multiple, dynamically chosen dictionaries. Experiments indicate that the exclusive-or operator based decorrelation filter when combined with a modified Lempel-Ziv-Welch dictionary coder provides compression comparable to algorithms that represent the current standard in lossless compression. The proposed algorithm provides compression performance that is below the Context-Based, Adaptive, Lossless Image Compression (CALIC) algorithm by 23%, below the Low Complexity Lossless Compression for Images (LOCO-I) algorithm by 19%, and below the Portable Network Graphics implementation of the Deflate algorithm by 7%, but above the Zip implementation of the Deflate algorithm by 24%. The proposed algorithm uses the exclusive-or operator in the modeling phase and uses modified Lempel-Ziv-Welch dictionary coding in the coding phase to form a low complexity, reversible, and dynamic method of lossless image compression