Evaluation of advanced techniques for structural FPGA self-test

This thesis presents a comprehensive test generation framework for FPGA logic elements and interconnects. It is based on and extends the current state-of-the-art. The purpose of FPGA testing in this work is to achieve reliable reconfiguration for a FPGA-based runtime reconfigurable system. A pre-configuration test is performed on a portion of the FPGA before it is reconfigured as part of the system to ensure that the FPGA fabric is fault-free. The implementation platform is the Xilinx Virtex-5 FPGA family. Existing literature in FPGA testing is evaluated and reviewed thoroughly. The various approaches are compared against one another qualitatively and the approach most suitable to the target platform is chosen. The array testing method is employed in testing the FPGA logic for its low hardware overhead and optimal test time. All tests are additionally pipelined to reduce test application time and use a high test clock frequency. A hybrid fault model including both structural and functional faults is assumed. An algorithm for the optimization of the number of required FPGA test configurations is developed and implemented in Java using a pseudo-random set-covering heuristic. Optimal solutions are obtained for Virtex-5 logic slices. The algorithm effort is parameterizable with the number of loop iterations each of which take approximately one second for a Virtex-5 sliceL circuit. A flexible test architecture for interconnects is developed. Arbitrary wire types can be tested in the same test configuration with no hardware overhead. Furthermore, a routing algorithm is integrated with the test template generation to select the wires under test and route them appropriately. Nine test configurations are required to achieve full test coverage for the FPGA logic. For interconnect testing, a local router-based on depth-first graph traversal is implemented in Java as the basis for creating systematic interconnect test templates. Pent wire testing is additionally implemented as a proof of concept. The test clock frequency for all tests exceeds 170 MHz and the hardware overhead is always lower than seven CLBs. All implemented tests are parameterizable such that they can be applied to any portion of the FPGA regardless of size or position

Développement des techniques de test et de diagnostic pour les FPGA hiérarchique de type mesh

The evolution trend of shrinking feature size and increasing complexity in modern electronics is being slowed down due to physical limits that generate numerous imperfections and defects during fabrication steps or projected life time of the chip. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are used in complex digital systems mainly due to their reconfigurability and shorter time-to-market. To maintain a high reliability of such systems, FPGAs should be tested thoroughly for defects. FPGA architecture optimization for area saving and better signal routability is an ongoing process which directly impacts the overall FPGA testability, hence the reliability. This thesis presents a complete strategy for test and diagnosis of manufacturing defects in mesh-based FPGAs containing a novel multilevel interconnects topology which promises to provide better area and routability. Efficiency of the proposed test schemes is analyzed in terms of test cost, respective fault coverage and diagnostic resolution.L’évolution tendant à réduire la taille et augmenter la complexité des circuits électroniques modernes, est en train de ralentir du fait des limitations technologiques, qui génèrent beaucoup de d’imperfections et de defaults durant la fabrication ou la durée de vie de la puce. Les FPGAs sont utilisés dans les systèmes numériques complexes, essentiellement parce qu’ils sont reconfigurables et rapide à commercialiser. Pour garder une grande fiabilité de tels systèmes, les FPGAs doivent être testés minutieusement pour les defaults. L’optimisation de l’architecture des FPGAs pour l’économie de surface et une meilleure routabilité est un processus continue qui impacte directement la testabilité globale et de ce fait, la fiabilité. Cette thèse présente une stratégie complète pour le test et le diagnostique des defaults de fabrication des “mesh-based FPGA” contenant une nouvelle topologie d’interconnections à plusieurs niveaux, ce qui promet d’apporter une meilleure routabilité. Efficacité des schémas proposes est analysée en termes de temps de test, couverture de faute et résolution de diagnostique

Characterization of Interconnection Delays in FPGAS Due to Single Event Upsets and Mitigation

RÉSUMÉ L’utilisation incessante de composants électroniques à géométrie toujours plus faible a engendré de nouveaux défis au fil des ans. Par exemple, des semi-conducteurs à mémoire et à microprocesseur plus avancés sont utilisés dans les systèmes avioniques qui présentent une susceptibilité importante aux phénomènes de rayonnement cosmique. L'une des principales implications des rayons cosmiques, observée principalement dans les satellites en orbite, est l'effet d'événements singuliers (SEE). Le rayonnement atmosphérique suscite plusieurs préoccupations concernant la sécurité et la fiabilité de l'équipement avionique, en particulier pour les systèmes qui impliquent des réseaux de portes programmables (FPGA). Les FPGA à base de cellules de mémoire statique (SRAM) présentent une solution attrayante pour mettre en oeuvre des systèmes complexes dans le domaine de l’avionique. Les expériences de rayonnement réalisées sur les FPGA ont dévoilé la vulnérabilité de ces dispositifs contre un type particulier de SEE, à savoir, les événements singuliers de changement d’état (SEU). Un SEU est considérée comme le changement de l'état d'un élément bistable (c'est-à-dire, un bit-flip) dû à l'effet d'un ion, d'un proton ou d’un neutron énergétique. Cet effet est non destructif et peut être corrigé en réécrivant la partie de la SRAM affectée. Les changements de délai (DC) potentiels dus aux SEU affectant la mémoire de configuration de routage ont été récemment confirmés. Un des objectifs de cette thèse consiste à caractériser plus précisément les DC dans les FPGA causés par les SEU. Les DC observés expérimentalement sont présentés et la modélisation au niveau circuit de ces DC est proposée. Les circuits impliqués dans la propagation du délai sont validés en effectuant une modélisation précise des blocs internes à l'intérieur du FPGA et en exécutant des simulations. Les résultats montrent l’origine des DC qui sont en accord avec les mesures expérimentales de délais. Les modèles proposés au niveau circuit sont, aux meilleures de notre connaissance, le premier travail qui confirme et explique les délais combinatoires dans les FPGA. La conception d'un circuit moniteur de délai pour la détection des DC a été faite dans la deuxième partie de cette thèse. Ce moniteur permet de détecter un changement de délai sur les sections critiques du circuit et de prévenir les pannes de synchronisation engendrées par les SEU sans utiliser la redondance modulaire triple (TMR).----------ABSTRACT The unrelenting demand for electronic components with ever diminishing feature size have emerged new challenges over the years. Among them, more advanced memory and microprocessor semiconductors are being used in avionic systems that exhibit a substantial susceptibility to cosmic radiation phenomena. One of the main implications of cosmic rays, which was primarily observed in orbiting satellites, is single-event effect (SEE). Atmospheric radiation causes several concerns regarding the safety and reliability of avionics equipment, particularly for systems that involve field programmable gate arrays (FPGA). SRAM-based FPGAs, as an attractive solution to implement systems in aeronautic sector, are very susceptible to SEEs in particular Single Event Upset (SEU). An SEU is considered as the change of the state of a bistable element (i.e., bit-flip) due to the effect of an energetic ion or proton. This effect is non-destructive and may be fixed by rewriting the affected part. Sensitivity evaluation of SRAM-based FPGAs to a physical impact such as potential delay changes (DC) has not been addressed thus far in the literature. DCs induced by SEU can affect the functionality of the logic circuits by disturbing the race condition on critical paths. The objective of this thesis is toward the characterization of DCs in SRAM-based FPGAs due to transient ionizing radiation. The DCs observed experimentally are presented and the circuit-level modeling of those DCs is proposed. Circuits involved in delay propagation are reverse-engineered by performing precise modeling of internal blocks inside the FPGA and executing simulations. The results show the root cause of DCs that are in good agreement with experimental delay measurements. The proposed circuit level models are, to the best of our knowledge, the first work on modeling of combinational delays in FPGAs.In addition, the design of a delay monitor circuit for DC detection is investigated in the second part of this thesis. This monitor allowed to show experimentally cumulative DCs on interconnects in FPGA. To this end, by avoiding the use of triple modular redundancy (TMR), a mitigation technique for DCs is proposed and the system downtime is minimized. A method is also proposed to decrease the clock frequency after DC detection without interrupting the process