A Defect-tolerant Cluster in a Mesh SRAM-based FPGA

International audienceIn this paper, we propose the implementation of multiple defect-tolerant techniques on an SRAM-based FPGA. These techniques include redundancy at both the logic block and intra-cluster interconnect. In the logic block, redundancy is implemented at the multiplexer level. Its efficiency is analyzed by injecting a single defect at the output of a multiplexer, considering all possible locations and input combinations. While at the interconnect level, fine grain redundancy is introduced which not only bypasses defects but also increases routability. Taking advantage of the sparse intra-cluster interconnect structures, routability is further improved by efficient distribution of feedback paths allowing more flexibility in the connections among logic blocks. Emulation results show a significant improvement of about 15% and 34% in the robustness of logic block and intra-cluster interconnect respectively. Furthermore, the impact of these hardening schemes on the testability of the FPGA cluster for manufacturing defects is also investigated in terms of maximum achievable fault coverage and the respective cost

Durcissement de circuits logiques reconfigurables

As feature sizes scale down to nano-design level, electronic devices have become smaller, more performant, less power-onsuming, but also less reliable. Indeed, reliability has arisen as a serious challenge in nowadays’ microelectronics industry and as an important design criterion, along with area, performance and power consumption. For instance, physical defects due to imperfections in the manufacturing process have been observed more frequently, impacting the yield. Besides, nanometric circuits have become more vulnerable during their lifetime to ionizing radiation which causes transient faults. Both manufacturing defects and transient faults contribute to decreasing reliability of integrated circuits. When moving to a new technology node, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are the first coming into the market, thanks to their low development and Non-Recurring Engineering (NRE) costs and their flexibility to be used for any application. FPGAs have especially attractive characteristics for space and avionic applications, where reconfigurability, high performance and low-power consumption can be fruitfully used to develop innovative systems. However, missions take place in a harsh environment, rich in radiation, which can induce soft errors within electronic devices. This shows the importance of FPGA reliability as a design criterion in safety and critical applications. Most of commercial FPGAs have a mesh architecture and their logic blocks are gathered into clusters. Therefore, this thesis deals with the fault tolerance of basic blocks (clusters and switch boxes) in a mesh of clusters FPGA. These blocks are mainly made up of multiplexers. In order to improve their reliability, it is imperative to be able to assess it first, then select the proper hardening approach according to the available budget. So, this is the main outline in which this thesis is conceived. Its goals are twofold: (a) analyze the fault tolerance of the basic blocks in a mesh of clusters FPGA, and point out the most vulnerable components (b) propose hardening schemes at different granularity levels, depending on the hardening budget. As far as the first goal is concerned, a methodology to evaluate the reliability of the cluster is proposed. This methodology uses an existent analytical method for reliability computation of combinational circuits. The same method is employed to identify the worthiest components to be hardened. Regarding the second goal, hardening techniques are proposed at both multiplexer and transistor levels. At multiplexer level, two hardening solutions are presented. The first solution resorts to spacial redundancy and concerns the logic block structure. A novel Configurable Logic Block (CLB) architecture baptized Butterfly is introduced. It is compared with other hardened CLB architectures in terms of reliability and cost penalties. The second hardening solution is a redundanceless scheme. It is based on a “smart” synthesis that consists in seeking the most reliable design in a given founder library, instead of directly using a redundant solution. Then, at transistor level, new single-ended and dual-rail multiplexer architectures are proposed. They are compared to different other transistor structures, according to suitable design metrics.Avec les réductions d'échelle, les circuits électroniques deviennent de plus en plus petits, plus performants, consommant moins de puissance, mais aussi moins fiables. En effet, la fiabilité s'est récemment érigée en défi majeur dans l'industrie micro-électronique, devenant un critère de conception important, au même titre que la surface, la consommation de puissance et la vitesse. Par exemple, les défauts physiques dus aux imperfections dans le procédé de fabrication ont été observés plus fréquemment, affectant ainsi le rendement des circuits. Par ailleurs, les circuits nano-métriques deviennent pendant leur durée de vie plus vulnérables aux rayonnements ionisants, ce qui cause des fautes transitoires. Les défauts de fabrication, aussi bien que les fautes transitoires, diminuent la fiabilité des circuits intégrés. En avançant dans les nœuds technologiques, les circuits logiques programmables de type FPGA sont les premiers à entrer sur le marché, grâce à leur faible coût de développement et leur flexibilité qui leur permet d'être utilisés pour n'importe quelle application. Les FPGA possèdent des caractéristiques attrayantes, notamment pour les applications spatiales et aéronautiques, où la reconfigurabilité, les hautes performances et la faible consommation de puissance peuvent être exploitées pour développer des systèmes innovants. Néanmoins, les missions ont lieu dans un environnement rude, riche en radiations pouvant produire des erreurs soft dans les circuits électroniques. Ceci montre l'importance de la fiabilité des FPGA en tant que critère de conception dans les applications critiques. La plupart des FPGA commerciaux ont une architecture matricielle et leurs blocs logiques sont regroupés en clusters. Ainsi, cette thèse s'intéresse à la tolérance aux fautes des blocs de base ( blocs logiques élémentaires (BLE) et boîtes d'interconnexion ) dans un FPGA de type « matrice de clusters ». Dans le but d'améliorer la fiabilité de ces blocs, il est impératif de pouvoir d'abord l'évaluer, pour ensuite sélectionner la bonne technique de durcissement selon le budget mis à disposition. C'est bien le plan principal de cette thèse. Elle a essentiellement deux objectifs : (a) analyser la tolérance aux fautes des blocs de base dans un FPGA de type « matrice de clusters », et identifier les composants les plus vulnérables. (b) proposer des méthodes de durcissement à différents niveaux de granularité, en fonction du budget de durcissement. En ce qui concerne le premier objectif, une méthodologie pour évaluer la fiabilité du cluster a été proposée. Cette méthodologie emploie une méthode analytique déjà existante pour évaluer la fiabilité des circuits logiques combinatoires. La même méthode est utilisée pour identifier les blocs les plus éligibles au durcissement. Quant au deuxième objectif, des techniques de durcissement ont été proposées aux niveaux multiplexeur et transistor. Au niveau multiplexeur, deux solutions de durcissement ont été présentées. La première solution a recours à la redondance spatiale et concerne la structure du bloc logique. Une nouvelle architecture de BLE baptisée « Butterfly » est introduite. Elle a été comparée avec d'autres architectures de BLE en termes de fiabilité et de surcoût. La deuxième solution de durcissement est une technique dite « sans redondance ». Elle est basée sur une synthèse intelligente qui consiste à chercher la structure la plus fiable parmi toutes celles proposées dans la librairie du fondeur, avant d'utiliser directement de la redondance. Ensuite, au niveau transistor, de nouvelles architectures de multiplexeur, à sortie unique ou différentielles, ont été proposées. Elles ont été comparées à d'autres assemblages différents de transistors, selon des métriques de conception appropriées

Hardening basic blocks in a mesh of clusters FPGA

Avec les réductions d'échelle, les circuits électroniques deviennent de plus en plus petits, plus performants, consommant moins de puissance, mais aussi moins fiables. En effet, la fiabilité s'est récemment érigée en défi majeur dans l'industrie micro-électronique, devenant un critère de conception important, au même titre que la surface, la consommation de puissance et la vitesse. Par exemple, les défauts physiques dus aux imperfections dans le procédé de fabrication ont été observés plus fréquemment, affectant ainsi le rendement des circuits. Par ailleurs, les circuits nano-métriques deviennent pendant leur durée de vie plus vulnérables aux rayonnements ionisants, ce qui cause des fautes transitoires. Les défauts de fabrication, aussi bien que les fautes transitoires, diminuent la fiabilité des circuits intégrés. En avançant dans les nœuds technologiques, les circuits logiques programmables de type FPGA sont les premiers à entrer sur le marché, grâce à leur faible coût de développement et leur flexibilité qui leur permet d'être utilisés pour n'importe quelle application. Les FPGA possèdent des caractéristiques attrayantes, notamment pour les applications spatiales et aéronautiques, où la reconfigurabilité, les hautes performances et la faible consommation de puissance peuvent être exploitées pour développer des systèmes innovants. Néanmoins, les missions ont lieu dans un environnement rude, riche en radiations pouvant produire des erreurs soft dans les circuits électroniques. Ceci montre l'importance de la fiabilité des FPGA en tant que critère de conception dans les applications critiques. La plupart des FPGA commerciaux ont une architecture matricielle et leurs blocs logiques sont regroupés en clusters. Ainsi, cette thèse s'intéresse à la tolérance aux fautes des blocs de base ( blocs logiques élémentaires (BLE) et boîtes d'interconnexion ) dans un FPGA de type « matrice de clusters ». Dans le but d'améliorer la fiabilité de ces blocs, il est impératif de pouvoir d'abord l'évaluer, pour ensuite sélectionner la bonne technique de durcissement selon le budget mis à disposition. C'est bien le plan principal de cette thèse. Elle a essentiellement deux objectifs : (a) analyser la tolérance aux fautes des blocs de base dans un FPGA de type « matrice de clusters », et identifier les composants les plus vulnérables. (b) proposer des méthodes de durcissement à différents niveaux de granularité, en fonction du budget de durcissement. En ce qui concerne le premier objectif, une méthodologie pour évaluer la fiabilité du cluster a été proposée. Cette méthodologie emploie une méthode analytique déjà existante pour évaluer la fiabilité des circuits logiques combinatoires. La même méthode est utilisée pour identifier les blocs les plus éligibles au durcissement. Quant au deuxième objectif, des techniques de durcissement ont été proposées aux niveaux multiplexeur et transistor. Au niveau multiplexeur, deux solutions de durcissement ont été présentées. La première solution a recours à la redondance spatiale et concerne la structure du bloc logique. Une nouvelle architecture de BLE baptisée « Butterfly » est introduite. Elle a été comparée avec d'autres architectures de BLE en termes de fiabilité et de surcoût. La deuxième solution de durcissement est une technique dite « sans redondance ». Elle est basée sur une synthèse intelligente qui consiste à chercher la structure la plus fiable parmi toutes celles proposées dans la librairie du fondeur, avant d'utiliser directement de la redondance. Ensuite, au niveau transistor, de nouvelles architectures de multiplexeur, à sortie unique ou différentielles, ont été proposées. Elles ont été comparées à d'autres assemblages différents de transistors, selon des métriques de conception appropriées.As feature sizes scale down to nano-design level, electronic devices have become smaller, more performant, less power-onsuming, but also less reliable. Indeed, reliability has arisen as a serious challenge in nowadays’ microelectronics industry and as an important design criterion, along with area, performance and power consumption. For instance, physical defects due to imperfections in the manufacturing process have been observed more frequently, impacting the yield. Besides, nanometric circuits have become more vulnerable during their lifetime to ionizing radiation which causes transient faults. Both manufacturing defects and transient faults contribute to decreasing reliability of integrated circuits. When moving to a new technology node, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are the first coming into the market, thanks to their low development and Non-Recurring Engineering (NRE) costs and their flexibility to be used for any application. FPGAs have especially attractive characteristics for space and avionic applications, where reconfigurability, high performance and low-power consumption can be fruitfully used to develop innovative systems. However, missions take place in a harsh environment, rich in radiation, which can induce soft errors within electronic devices. This shows the importance of FPGA reliability as a design criterion in safety and critical applications. Most of commercial FPGAs have a mesh architecture and their logic blocks are gathered into clusters. Therefore, this thesis deals with the fault tolerance of basic blocks (clusters and switch boxes) in a mesh of clusters FPGA. These blocks are mainly made up of multiplexers. In order to improve their reliability, it is imperative to be able to assess it first, then select the proper hardening approach according to the available budget. So, this is the main outline in which this thesis is conceived. Its goals are twofold: (a) analyze the fault tolerance of the basic blocks in a mesh of clusters FPGA, and point out the most vulnerable components (b) propose hardening schemes at different granularity levels, depending on the hardening budget. As far as the first goal is concerned, a methodology to evaluate the reliability of the cluster is proposed. This methodology uses an existent analytical method for reliability computation of combinational circuits. The same method is employed to identify the worthiest components to be hardened. Regarding the second goal, hardening techniques are proposed at both multiplexer and transistor levels. At multiplexer level, two hardening solutions are presented. The first solution resorts to spacial redundancy and concerns the logic block structure. A novel Configurable Logic Block (CLB) architecture baptized Butterfly is introduced. It is compared with other hardened CLB architectures in terms of reliability and cost penalties. The second hardening solution is a redundanceless scheme. It is based on a “smart” synthesis that consists in seeking the most reliable design in a given founder library, instead of directly using a redundant solution. Then, at transistor level, new single-ended and dual-rail multiplexer architectures are proposed. They are compared to different other transistor structures, according to suitable design metrics