Digital Design Techniques for Dependable High Performance Computing

As today’s process technologies continuously scale down, circuits become increasingly more vulnerable to radiation-induced soft errors in nanoscale VLSI technologies. The reduction of node capacitance and supply voltages coupled with increasingly denser chips are raising soft error rates and making them an important design issue. This research work is focused on the development of design techniques for high-reliability modern VLSI technologies, focusing mainly on Radiation-induced Single Event Transient. In this work, we evaluate the complete life-cycle of the SET pulse from the generation to the mitigation. A new simulation tool, Rad-Ray, has been developed to simulate and model the passage of heavy ion into the silicon matter of modern Integrated Circuit and predict the transient voltage pulse taking into account the physical description of the design. An analysis and mitigation tool has been developed to evaluate the propagation of the predicted SET pulses within the circuit and apply a selective mitigation technique to the sensitive nodes of the circuit. The analysis and mitigation tools have been applied to many industrial projects as well as the EUCLID space mission project, including more than ten modules. The obtained results demonstrated the effectiveness of the proposed tools

Fault Tolerant Electronic System Design

Due to technology scaling, which means reduced transistor size, higher density, lower voltage and more aggressive clock frequency, VLSI devices may become more sensitive against soft errors. Especially for those devices used in safety- and mission-critical applications, dependability and reliability are becoming increasingly important constraints during the development of system on/around them. Other phenomena (e.g., aging and wear-out effects) also have negative impacts on reliability of modern circuits. Recent researches show that even at sea level, radiation particles can still induce soft errors in electronic systems. On one hand, processor-based system are commonly used in a wide variety of applications, including safety-critical and high availability missions, e.g., in the automotive, biomedical and aerospace domains. In these fields, an error may produce catastrophic consequences. Thus, dependability is a primary target that must be achieved taking into account tight constraints in terms of cost, performance, power and time to market. With standards and regulations (e.g., ISO-26262, DO-254, IEC-61508) clearly specify the targets to be achieved and the methods to prove their achievement, techniques working at system level are particularly attracting. On the other hand, Field Programmable Gate Array (FPGA) devices are becoming more and more attractive, also in safety- and mission-critical applications due to the high performance, low power consumption and the flexibility for reconfiguration they provide. Two types of FPGAs are commonly used, based on their configuration memory cell technology, i.e., SRAM-based and Flash-based FPGA. For SRAM-based FPGAs, the SRAM cells of the configuration memory highly susceptible to radiation induced effects which can leads to system failure; and for Flash-based FPGAs, even though their non-volatile configuration memory cells are almost immune to Single Event Upsets induced by energetic particles, the floating gate switches and the logic cells in the configuration tiles can still suffer from Single Event Effects when hit by an highly charged particle. So analysis and mitigation techniques for Single Event Effects on FPGAs are becoming increasingly important in the design flow especially when reliability is one of the main requirements

Study of Radiation Effects on 28nm UTBB FDSOI Technology

With the evolution of modern Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology, transistor feature size has been scaled down to nanometers. The scaling has resulted in tremendous advantages to the integrated circuits (ICs), such as higher speed, smaller circuit size, and lower operating voltage. However, it also creates some reliability concerns. In particular, small device dimensions and low operating voltages have caused nanoscale ICs to become highly sensitive to operational disturbances, such as signal coupling, supply and substrate noise, and single event effects (SEEs) caused by ionizing particles, like cosmic neutrons and alpha particles. SEEs found in ICs can introduce transient pulses in circuit nodes or data upsets in storage cells. In well-designed ICs, SEEs appear to be the most troublesome in a space environment or at high altitudes in terrestrial environment. Techniques from the manufacturing process level up to the system design level have been developed to mitigate radiation effects. Among them, silicon-on-insulator (SOI) technologies have proven to be an effective approach to reduce single-event effects in ICs. So far, 28nm ultra-thin body and buried oxide (UTBB) Fully Depleted SOI (FDSOI) by STMicroelectronics is one of the most advanced SOI technologies in commercial applications. Its resilience to radiation effects has not been fully explored and it is of prevalent interest in the radiation effects community. Therefore, two test chips, namely ST1 and AR0, were designed and tested to study SEEs in logic circuits fabricated with this technology. The ST1 test chip was designed to evaluate SET pulse widths in logic gates. Three kinds of the on-chip pulse-width measurement detectors, namely the Vernier detector, the Pulse Capture detector and the Pulse Filter detector, were implemented in the ST1 chip. Moreover, a Circuit for Radiation Effects Self-Test (CREST) chain with combinational logic was designed to study both SET and SEU effects. The ST1 chip was tested using a heavy ion irradiation beam source in Radiation Effects Facility (RADEF), Finland. The experiment results showed that the cross-section of the 28nm UTBB-FDSOI technology is two orders lower than its bulk competitors. Laser tests were also applied to this chip to research the pulse distortion effects and the relationship between SET, SEU and the clock frequency. Total Ionizing Dose experiments were carried out at the University of Saskatchewan and European Space Agency with Co-60 gammacell radiation sources. The test results showed the devices implemented in the 28nm UTBB-FDSOI technology can maintain its functionality up to 1 Mrad(Si). In the AR0 chip, we designed five ARM Cortex-M0 cores with different logic protection levels to investigate the performance of approximate logic protecting methods. There are three custom-designed SRAM blocks in the test chip, which can also be used to measure the SEU rate. From the simulation result, we concluded that the approximate logic methodology can protect the digital logic efficiently. This research comprehensively evaluates the radiation effects in the 28nm UTBB-FDSOI technology, which provides the baseline for later radiation-hardened system designs in this technology

Digital design techniques for dependable High-Performance Computing

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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.

Controlling phonons and photons at the wavelength-scale: silicon photonics meets silicon phononics

Radio-frequency communication systems have long used bulk- and surface-acoustic-wave devices supporting ultrasonic mechanical waves to manipulate and sense signals. These devices have greatly improved our ability to process microwaves by interfacing them to orders-of-magnitude slower and lower loss mechanical fields. In parallel, long-distance communications have been dominated by low-loss infrared optical photons. As electrical signal processing and transmission approaches physical limits imposed by energy dissipation, optical links are now being actively considered for mobile and cloud technologies. Thus there is a strong driver for wavelength-scale mechanical wave or "phononic" circuitry fabricated by scalable semiconductor processes. With the advent of these circuits, new micro- and nanostructures that combine electrical, optical and mechanical elements have emerged. In these devices, such as optomechanical waveguides and resonators, optical photons and gigahertz phonons are ideally matched to one another as both have wavelengths on the order of micrometers. The development of phononic circuits has thus emerged as a vibrant field of research pursued for optical signal processing and sensing applications as well as emerging quantum technologies. In this review, we discuss the key physics and figures of merit underpinning this field. We also summarize the state of the art in nanoscale electro- and optomechanical systems with a focus on scalable platforms such as silicon. Finally, we give perspectives on what these new systems may bring and what challenges they face in the coming years. In particular, we believe hybrid electro- and optomechanical devices incorporating highly coherent and compact mechanical elements on a chip have significant untapped potential for electro-optic modulation, quantum microwave-to-optical photon conversion, sensing and microwave signal processing.Comment: 26 pages, 5 figure

On the Evaluation of the PIPB Effect within SRAM-based FPGAs

SRAM-based FPGAs are widely used in mission critical applications. Due to the increasing working frequency and technology scaling of ultra-nanometer technology, Single Event Transients (SETs) are becoming a major source of errors for these devices. In this paper, we propose an approach for evaluating the Propagation-induced Pulse Broadening (PIPB) effect introduced by the logic resources traversed by transient pulses. The proposed methodology is applicable to any recent technology to provide SET analysis, necessary for an efficient mitigation technology. Experimental results achieved from a set of benchmarks are compared with fault injection experiments executed on a 28 nm SRAM-based FPGA to demonstrate the effectiveness of our technique

Effective Characterization of Radiation-induced SET on Flash-based FPGAs

Single Event Transients (SETs) are one of the major concern for Flash-based Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). In this paper, we propose a new analysis to characterize the SET phenomena within Flash-based FPGAs