Fault injection on a mixed-signal programmable SoC with design diversity mitigation

This paper presents an approach for runtime software-based fault injection, applied to a commercial mixed-signal programmable system-on-chip (PSoC). The fault-injection scheme is based on a pseudo-random sequence gen erator and software interruption. A fault tolerant data acquisition system, based on a design diversity redundant scheme, is considered as case study. The fault injection is performed by intensively inserting bit flips in the peripherals control registers of the mixed-signal PSoC blocks, as well as in the SRAM memory of the device. Results allow to evaluate the applied fault tolerance technique, indicating that the system is able to tolerate most of the generated errors. Additionally, a high fault masking effect is observed, and different criticality levels are observed for faults injected into the SRAM memory and in the peripherals control registers

Design of an integrated system for on-line test and diagnosis of rotary actuators

In this paper, the design of an on-chip Fault Detection and Diagnosis System for Condition Based Maintenance of electromechanical actuators is presented. The proposed system is based on signal processing algorithms integrated in a customized Application Specific Integrated Circuit (ASIC). The design was synthesized using a 90nm CMOS standard cell library. As a case study, post-synthesis simulations were performed using signals acquired from a real electromechanical valve, using torque and vibration sensors considering both fault-free and defective situations for the actuator. Results show the effectiveness of the system in performing real-time fault detection and identification, with low power consumption and low silicon area utilization

Comparing the impact of power supply voltage on CMOS-and FinFET-based SRAMs in the presence of resistive defects

CMOS technology scaling has reached its limit at the 22 nm technology node due to several factors including Process Variations (PV), increased leakage current, Random Dopant Fluctuation (RDF), and mainly the Short-Channel Effect (SCE). In order to continue the miniaturization process via technology down-scaling while preserving system reliability and performance, Fin Field-Effect Transistors (FinFETs) arise as an alternative to CMOS transistors. In parallel, Static Random-Access Memories (SRAMs) increasingly occupy great part of Systems-on-Chips’ (SoCs) silicon area, making their reliability an important issue. SRAMs are designed to reach densities at the limit of the manufacturing process, making this component susceptible to manufacturing defects, including the resistive ones. Such defects may cause dynamic faults during the circuits’ lifetime, an important cause of test escape. Thus, the identification of the proper faulty behavior taking different operating conditions into account is considered crucial to guarantee the development of more suitable test methodologies. In this context, a comparison between the behavior of a 22 nm CMOS-based and a 20 nm FinFET-based SRAM in the presence of resistive defects is carried out considering different power supply voltages. In more detail, the behavior of defective cells operating under different power supply voltages has been investigated performing SPICE simulations. Results show that the power supply voltage plays an important role in the faulty behavior of both CMOS- and FinFET-based SRAM cells in the presence of resistive defects but demonstrate to be more expressive when considering the FinFET-based memories. Studying different operating temperatures, the results show an expressively higher occurrence of dynamic faults in FinFET-based SRAMs when compared to CMOS technology

Testing a fault tolerant mixed-signal design under TID and heavy ions

This work presents results of three distinctradiation tests performed upon a fault tolerant data acqui-sition system comprising a design diversity redundancytechnique. The first and second experiments are Total Ion-izing Dose (TID) essays, comprising gamma and X-rayirradiations. The last experiment considers single eventeffects, in which two heavy ion irradiation campaignsare carried out. The case study system comprises threeanalog-to-digital converters and two software-based vot-ers, besides additional software and hardware resourcesused for controlling, monitoring and memory manage-ment. The applied Diversity Triple Modular Redundancy(DTMR) technique, comprises different levels of diversity(temporal and architectural). The circuit was designed ina programmable System-on-Chip (PSoC), fabricated in a130nm CMOS technology process. Results show that thetechnique may increase the lifetime of the system underTID if comparing with a non-redundant implementation.Considering the heavy ions experiments the system wasproved effective to tolerate 100% of the observed errorsoriginated in the converters, while errors in the process-ing unit present a higher criticality. Critical errors occur-ring in one of the voters were also observed. A secondheavy ion campaign was then carried out to investigatethe voters reliability, comparing the the dynamic cross sec-tion of three different software-based voter schemes im-plemented in the considered PSoC

Teste de dispositivos analógicos programáveis (FPAAS)

Neste trabalho o teste de dispositivos analógicos programáveis é abordado. Diversas metodologias de teste analógico existentes são estudadas e algumas delas são utilizadas nas estratégias desenvolvidas. Dois FPAAs (Field Programmable Analog Arrays) comerciais de fabricantes e modelos distintos são utilizados para validar as estratégias de teste propostas. O primeiro dispositivo estudado é um FPAA de tempo contínuo (capaz de implementar circuitos contínuos no tempo) da Lattice Semiconductors. Tal dispositivo é marcado pela característica estrutural de sua programabilidade. Por esta razão, a estratégia a ele aplicada é baseada em um método de teste também estrutural, conhecido como OBT (Oscillation-Based Test). Neste método o circuito é dividido em blocos simples que são transformados em osciladores. Os parâmetros do sinal obtido, tais como a freqüência de oscilação e a amplitude, têm relação direta com os componentes utilizados na implementação do oscilador. Desta maneira, é possível detectar falhas no FPAA observando os parâmetros do sinal gerado. Esta estratégia é estudada inicialmente considerando uma análise externa dos parâmetros do sinal. Como uma alternativa de redução de custos e melhoria na cobertura de falhas, um analisador de resposta baseado em um duplo integrador é adotado, permitindo que a avaliação do sinal gerado pelo oscilador seja feita internamente, utilizando-se os recursos programáveis do próprio FPAA. Os resultados obtidos para as análises interna e externa são então comparados. O segundo FPAA estudado, da Anadigm Company, é um dispositivo a capacitores chaveados que tem como característica a programabilidade funcional. Por esta razão o desenvolvimento de uma técnica de teste estrutural é dificultado, pois não se conhece detalhes da arquitetura do componente. Por esta razão, uma técnica de teste funcional, conhecida como Transient Response Analysis Method, é aplicada ao teste deste FPAA. Neste método o circuito sob teste é dividido em blocos funcionais de primeira e segunda ordem e a resposta transiente destes blocos para um dado estímulo de entrada é analisada. O bloco sob teste é então duplicado e um esquema de auto-teste integrado baseado em redundância é desenvolvido, com o intuito de se obter um sinal de erro. Este sinal de erro representa a diferença das respostas transientes dos blocos duplicados. Como proposta para se aumentar a observabilidade do sinal de erro o mesmo é integrado ao longo tempo, aumentando a capacidade de detecção de falhas quando utilizado este método. Em ambas estratégias o objetivo principal do trabalho é testar os blocos analógicos programáveis dos FPAAs explorando ao máximo a programabilidade dos dispositivos e utilizando recursos pré-existentes para auxiliar no teste. Os resultados obtidos mostram que as estratégias desenvolvidas configuram boas alternativas para o auto-teste integrado deste tipo de componente.This work addresses the test of programmable analog devices. Several analog test methodologies are studied and some of them are applied in the developed strategies. In order to validate these strategies, two commercial FPAAs (Field Programmable Analog Arrays), of different vendors and distinct models, are considered as devices under test. The first studied device is a continuous-time FPAA from Lattice Semiconductors. One important characteristic of such device is the structural programmability. For this reason the test strategy applied to this FPAA is based in a structural method known as OBT (Oscillation-Based Test). In this method, blocks of the circuit under test are individually converted into oscillators. The parameters of the generated signal, such as the frequency and amplitude, can be expressed as function of the components used in the oscillator implementation. This way, it is possible to detect faults in the FPAA simply observing such parameters. This method is firstly studied considering an external analysis of the signal parameters. However, in a second moment, an internal response analyzer, based on a double integrator, is built with the available programmable resources of the FPAA. This way, overall test cost is reduced, while the fault coverage is increased with no area overhead. The obtained results considering the external analysis and the built-in response evaluation are compared. The second considered FPAA, from Anadigm Company, is a switched capacitor device whose programming characteristic is strictly functional. Thus, a structural test method cannot be easily developed and applied without the previous knowledge of he device architectural details. For this reason, a functional test method known as TRAM (Transient Response Analysis Method) is adopted. In this method the Circuit Under Test (CUT) is programmed to implement first and second order blocks and the transient response of these blocks for a given input stimuli is analyzed. Taking advantage of the inherent programmability of the FPAAs, a BIST-based scheme is used in order to obtain an error signal representing the difference between the fault-free and faulty Configurable Analog Blocks (CABs). As a proposal to augmenting the observability, the error signal is integrated, enhancing de fault detection capability when using this method. In both developed strategies the main objective is to test the CABs of the FPAAs exploiting the device programmability, using the existing resources in order to aid the test. The obtained results show that the developed strategies represent good alternatives to the built-in self-test of such type of device

Efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs) e técnicas de proteção

Este trabalho estuda os efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs, do inglês, Field Programmable Analog Arrays) e técnicas de proteção que podem ser aplicadas para mitigar tais efeitos. Circuitos operando no espaço ou em altitudes elevadas, como, por exemplo, em satélites e aeronaves, recebem doses de radiação e impacto de íons e outras partículas que, dependendo da altitude e de características do próprio circuito, podem afetar o seu correto funcionamento. Os FPAAs proporcionam características interessantes aos sistemas analógicos e de sinal misto, como a prototipação rápida e a possibilidade de reconfiguração dinâmica (permitindo a implementação de sistemas de instrumentação e controle adaptativos). Assim, os FPAAs podem ser atrativos aos projetistas de sistemas de aplicação espacial, uma vez que a utilização de componentes comerciais, (COTS - do inglês, Commercial Off-The-Shelf), é uma alternativa para redução de custos do sistema final. Por isso, é necessário classificar estes dispositivos segundo o nível de tolerância à radiação e desenvolver técnicas de proteção contra seus efeitos. Essencialmente, é possível dividir os efeitos da radiação em dois principais grupos: efeitos de dose total ionizante ou TID (do inglês, Total Ionizing Dose) e os eventos singulares (Single Event Effects ou SEEs). Os dois principais eventos singulares que podem perturbar os FPAAs são investigados: os SETs (Single Event Transients) e os SEUs (Single Event Upsets). Os SETs podem gerar pulsos transientes em determinados nós do circuito, e, quando atingem o inversor de controle das portas de transmissão dos bancos de capacitores do dispositivo, podem ocasionar uma redistribuição de carga entre os capacitores do banco, afetando temporariamente o sinal que trafega pelo FPAA. Tais efeitos foram investigados através de simulações spice. Já os SEUs podem afetar os FPAAs que são baseados em memória do tipo SRAM. Para investigar tais efeitos foram realizados experimentos de injeção de falhas do tipo bit-flip (inversão de bit) no bitstream de programação de um FPAA baseado neste tipo de memória. Os experimentos mostraram que a inversão de um único bit pode ser catastrófica para o funcionamento do sistema. Posteriormente, um esquema self-checking (autoverificável) baseado em redundância foi proposto. Tal esquema foi construído com os recursos programáveis do FPAA e é capaz de recuperar os dados originais de programação do dispositivo se um erro for detectado. A capacidade do esquema proposto de detectar desvios funcionais no bloco sob teste e sua confiabilidade quando os seus próprios blocos são afetados por inversão de bits de memória, foram investigadas. Finalmente, os efeitos de dose total sobre dispositivos programáveis foram investigados através de um experimento prático, no qual um FPAA comercial foi bombardeado por radiação gama proveniente de uma fonte de Cobalto-60. Os resultados experimentais mostraramm que as chaves analógicas, que proporcionam a programabilidade do dispositivo, e seus circuitos de controle são os principais responsáveis por degradar o sinal processado pelo FPAA quando determinados níveis de dose total acumulada são atingidos.In this work the radiation effects on Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) are studied and mitigation techniques are proposed. The main effects induced by radiation sources in electronic circuits operating in space and at high altitudes are SEU (Single Event Upset), SET (Single Event Transient) and TID (Total Ionizing Dose). FPAAs are programmable analog circuits that provide design flexibility and some interesting features for applications such as adaptive control and instrumentation and evolvable analog hardware. These features can be very useful in avionics and space applications, where the system environmental variables can vary significantly in few minutes, being necessary to re-calibrate the sensor conditioning circuits to correct errors or improve system performance, for example. Since the use of commercial off-the-shelf (COTS) components may reduce systems costs in such critical applications, it is very important to develop system-level mitigation techniques (to radiation effects), aiming the increasing of the reliability of commercial available devices (including FPAAs). Some FPAA models are based on SRAM memory cells, which make this kind of device vulnerable to SEU when employed in applications susceptible to radiation incidence. An SEU can affect the programming memory of the FPAA and change the device configuration, modifying the analog circuit behavior. In this work, fault injection experiments were performed in order to investigate the effects of SEU in a commercial FPAA by injecting bit-flips in the FPAA programming bitstream. Then, a self-checking scheme was proposed. This scheme, which is built with the FPAA available programming resources, is able to restore the original programming data if an error is detected. Fault injection was also performed to investigate the reliability of the checker when the bitstream section which controls its own blocks is corrupted due to an SEU. Results indicated a very low aliasing probability due to single faults in the checker (0.24%). Effects of SET were also studied, considering the disturbance of the switches (transmission gates) of the FPAA programmable capacitor banks. Spice simulations showed that transient pulses in the control circuit of the switches may lead to charge redistribution between the capacitors of the bank, affecting the voltage and current of the involved nodes. Finally, total ionizing dose (TID) effects were investigated by means of an irradiation experiment. In such experiment the FPAA was exposed to Cobalt-60 gamma radiation. The experimental results showed that the analog switches of the device as well as their control circuits are the main responsible for degradating the processed signal when certain radiation levels were achieved

Teste de dispositivos analógicos programáveis (FPAAS)

Neste trabalho o teste de dispositivos analógicos programáveis é abordado. Diversas metodologias de teste analógico existentes são estudadas e algumas delas são utilizadas nas estratégias desenvolvidas. Dois FPAAs (Field Programmable Analog Arrays) comerciais de fabricantes e modelos distintos são utilizados para validar as estratégias de teste propostas. O primeiro dispositivo estudado é um FPAA de tempo contínuo (capaz de implementar circuitos contínuos no tempo) da Lattice Semiconductors. Tal dispositivo é marcado pela característica estrutural de sua programabilidade. Por esta razão, a estratégia a ele aplicada é baseada em um método de teste também estrutural, conhecido como OBT (Oscillation-Based Test). Neste método o circuito é dividido em blocos simples que são transformados em osciladores. Os parâmetros do sinal obtido, tais como a freqüência de oscilação e a amplitude, têm relação direta com os componentes utilizados na implementação do oscilador. Desta maneira, é possível detectar falhas no FPAA observando os parâmetros do sinal gerado. Esta estratégia é estudada inicialmente considerando uma análise externa dos parâmetros do sinal. Como uma alternativa de redução de custos e melhoria na cobertura de falhas, um analisador de resposta baseado em um duplo integrador é adotado, permitindo que a avaliação do sinal gerado pelo oscilador seja feita internamente, utilizando-se os recursos programáveis do próprio FPAA. Os resultados obtidos para as análises interna e externa são então comparados. O segundo FPAA estudado, da Anadigm Company, é um dispositivo a capacitores chaveados que tem como característica a programabilidade funcional. Por esta razão o desenvolvimento de uma técnica de teste estrutural é dificultado, pois não se conhece detalhes da arquitetura do componente. Por esta razão, uma técnica de teste funcional, conhecida como Transient Response Analysis Method, é aplicada ao teste deste FPAA. Neste método o circuito sob teste é dividido em blocos funcionais de primeira e segunda ordem e a resposta transiente destes blocos para um dado estímulo de entrada é analisada. O bloco sob teste é então duplicado e um esquema de auto-teste integrado baseado em redundância é desenvolvido, com o intuito de se obter um sinal de erro. Este sinal de erro representa a diferença das respostas transientes dos blocos duplicados. Como proposta para se aumentar a observabilidade do sinal de erro o mesmo é integrado ao longo tempo, aumentando a capacidade de detecção de falhas quando utilizado este método. Em ambas estratégias o objetivo principal do trabalho é testar os blocos analógicos programáveis dos FPAAs explorando ao máximo a programabilidade dos dispositivos e utilizando recursos pré-existentes para auxiliar no teste. Os resultados obtidos mostram que as estratégias desenvolvidas configuram boas alternativas para o auto-teste integrado deste tipo de componente.This work addresses the test of programmable analog devices. Several analog test methodologies are studied and some of them are applied in the developed strategies. In order to validate these strategies, two commercial FPAAs (Field Programmable Analog Arrays), of different vendors and distinct models, are considered as devices under test. The first studied device is a continuous-time FPAA from Lattice Semiconductors. One important characteristic of such device is the structural programmability. For this reason the test strategy applied to this FPAA is based in a structural method known as OBT (Oscillation-Based Test). In this method, blocks of the circuit under test are individually converted into oscillators. The parameters of the generated signal, such as the frequency and amplitude, can be expressed as function of the components used in the oscillator implementation. This way, it is possible to detect faults in the FPAA simply observing such parameters. This method is firstly studied considering an external analysis of the signal parameters. However, in a second moment, an internal response analyzer, based on a double integrator, is built with the available programmable resources of the FPAA. This way, overall test cost is reduced, while the fault coverage is increased with no area overhead. The obtained results considering the external analysis and the built-in response evaluation are compared. The second considered FPAA, from Anadigm Company, is a switched capacitor device whose programming characteristic is strictly functional. Thus, a structural test method cannot be easily developed and applied without the previous knowledge of he device architectural details. For this reason, a functional test method known as TRAM (Transient Response Analysis Method) is adopted. In this method the Circuit Under Test (CUT) is programmed to implement first and second order blocks and the transient response of these blocks for a given input stimuli is analyzed. Taking advantage of the inherent programmability of the FPAAs, a BIST-based scheme is used in order to obtain an error signal representing the difference between the fault-free and faulty Configurable Analog Blocks (CABs). As a proposal to augmenting the observability, the error signal is integrated, enhancing de fault detection capability when using this method. In both developed strategies the main objective is to test the CABs of the FPAAs exploiting the device programmability, using the existing resources in order to aid the test. The obtained results show that the developed strategies represent good alternatives to the built-in self-test of such type of device

Efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs) e técnicas de proteção

Este trabalho estuda os efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs, do inglês, Field Programmable Analog Arrays) e técnicas de proteção que podem ser aplicadas para mitigar tais efeitos. Circuitos operando no espaço ou em altitudes elevadas, como, por exemplo, em satélites e aeronaves, recebem doses de radiação e impacto de íons e outras partículas que, dependendo da altitude e de características do próprio circuito, podem afetar o seu correto funcionamento. Os FPAAs proporcionam características interessantes aos sistemas analógicos e de sinal misto, como a prototipação rápida e a possibilidade de reconfiguração dinâmica (permitindo a implementação de sistemas de instrumentação e controle adaptativos). Assim, os FPAAs podem ser atrativos aos projetistas de sistemas de aplicação espacial, uma vez que a utilização de componentes comerciais, (COTS - do inglês, Commercial Off-The-Shelf), é uma alternativa para redução de custos do sistema final. Por isso, é necessário classificar estes dispositivos segundo o nível de tolerância à radiação e desenvolver técnicas de proteção contra seus efeitos. Essencialmente, é possível dividir os efeitos da radiação em dois principais grupos: efeitos de dose total ionizante ou TID (do inglês, Total Ionizing Dose) e os eventos singulares (Single Event Effects ou SEEs). Os dois principais eventos singulares que podem perturbar os FPAAs são investigados: os SETs (Single Event Transients) e os SEUs (Single Event Upsets). Os SETs podem gerar pulsos transientes em determinados nós do circuito, e, quando atingem o inversor de controle das portas de transmissão dos bancos de capacitores do dispositivo, podem ocasionar uma redistribuição de carga entre os capacitores do banco, afetando temporariamente o sinal que trafega pelo FPAA. Tais efeitos foram investigados através de simulações spice. Já os SEUs podem afetar os FPAAs que são baseados em memória do tipo SRAM. Para investigar tais efeitos foram realizados experimentos de injeção de falhas do tipo bit-flip (inversão de bit) no bitstream de programação de um FPAA baseado neste tipo de memória. Os experimentos mostraram que a inversão de um único bit pode ser catastrófica para o funcionamento do sistema. Posteriormente, um esquema self-checking (autoverificável) baseado em redundância foi proposto. Tal esquema foi construído com os recursos programáveis do FPAA e é capaz de recuperar os dados originais de programação do dispositivo se um erro for detectado. A capacidade do esquema proposto de detectar desvios funcionais no bloco sob teste e sua confiabilidade quando os seus próprios blocos são afetados por inversão de bits de memória, foram investigadas. Finalmente, os efeitos de dose total sobre dispositivos programáveis foram investigados através de um experimento prático, no qual um FPAA comercial foi bombardeado por radiação gama proveniente de uma fonte de Cobalto-60. Os resultados experimentais mostraramm que as chaves analógicas, que proporcionam a programabilidade do dispositivo, e seus circuitos de controle são os principais responsáveis por degradar o sinal processado pelo FPAA quando determinados níveis de dose total acumulada são atingidos.In this work the radiation effects on Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) are studied and mitigation techniques are proposed. The main effects induced by radiation sources in electronic circuits operating in space and at high altitudes are SEU (Single Event Upset), SET (Single Event Transient) and TID (Total Ionizing Dose). FPAAs are programmable analog circuits that provide design flexibility and some interesting features for applications such as adaptive control and instrumentation and evolvable analog hardware. These features can be very useful in avionics and space applications, where the system environmental variables can vary significantly in few minutes, being necessary to re-calibrate the sensor conditioning circuits to correct errors or improve system performance, for example. Since the use of commercial off-the-shelf (COTS) components may reduce systems costs in such critical applications, it is very important to develop system-level mitigation techniques (to radiation effects), aiming the increasing of the reliability of commercial available devices (including FPAAs). Some FPAA models are based on SRAM memory cells, which make this kind of device vulnerable to SEU when employed in applications susceptible to radiation incidence. An SEU can affect the programming memory of the FPAA and change the device configuration, modifying the analog circuit behavior. In this work, fault injection experiments were performed in order to investigate the effects of SEU in a commercial FPAA by injecting bit-flips in the FPAA programming bitstream. Then, a self-checking scheme was proposed. This scheme, which is built with the FPAA available programming resources, is able to restore the original programming data if an error is detected. Fault injection was also performed to investigate the reliability of the checker when the bitstream section which controls its own blocks is corrupted due to an SEU. Results indicated a very low aliasing probability due to single faults in the checker (0.24%). Effects of SET were also studied, considering the disturbance of the switches (transmission gates) of the FPAA programmable capacitor banks. Spice simulations showed that transient pulses in the control circuit of the switches may lead to charge redistribution between the capacitors of the bank, affecting the voltage and current of the involved nodes. Finally, total ionizing dose (TID) effects were investigated by means of an irradiation experiment. In such experiment the FPAA was exposed to Cobalt-60 gamma radiation. The experimental results showed that the analog switches of the device as well as their control circuits are the main responsible for degradating the processed signal when certain radiation levels were achieved