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.

Toward a Non Stabilized Approach assistant based on human expertise

97% of Non-Stabilized Approach (NSA) are continued until landing going against Standard Operational Procedures (SOP). For some of these approaches, the reason is a lack of situation awareness for others it is because of operational constraints that standard SOP do not take into account like ATC, remaining fuel on board, weather… Most of the time everything goes well but pilots often admit afterwards that they should have go-around and that safety margins were greatly reduced

Local hydrological conditions influence tree diversity and composition across the Amazon basin

Tree diversity and composition in Amazonia are known to be strongly determined by the water supplied by precipitation. Nevertheless, within the same climatic regime, water availability is modulated by local topography and soil characteristics (hereafter referred to as local hydrological conditions), varying from saturated and poorly drained to well-drained and potentially dry areas. While these conditions may be expected to influence species distribution, the impacts of local hydrological conditions on tree diversity and composition remain poorly understood at the whole Amazon basin scale. Using a dataset of 443 1-ha non-flooded forest plots distributed across the basin, we investigate how local hydrological conditions influence 1) tree alpha diversity, 2) the community-weighted wood density mean (CWM-wd) – a proxy for hydraulic resistance and 3) tree species composition. We find that the effect of local hydrological conditions on tree diversity depends on climate, being more evident in wetter forests, where diversity increases towards locations with well-drained soils. CWM-wd increased towards better drained soils in Southern and Western Amazonia. Tree species composition changed along local soil hydrological gradients in Central-Eastern, Western and Southern Amazonia, and those changes were correlated with changes in the mean wood density of plots. Our results suggest that local hydrological gradients filter species, influencing the diversity and composition of Amazonian forests. Overall, this study shows that the effect of local hydrological conditions is pervasive, extending over wide Amazonian regions, and reinforces the importance of accounting for local topography and hydrology to better understand the likely response and resilience of forests to increased frequency of extreme climate events and rising temperatures

Geographic patterns of tree dispersal modes in Amazonia and their ecological correlates

Aim: To investigate the geographic patterns and ecological correlates in the geographic distribution of the most common tree dispersal modes in Amazonia (endozoochory, synzoochory, anemochory and hydrochory). We examined if the proportional abundance of these dispersal modes could be explained by the availability of dispersal agents (disperser-availability hypothesis) and/or the availability of resources for constructing zoochorous fruits (resource-availability hypothesis). Time period: Tree-inventory plots established between 1934 and 2019. Major taxa studied: Trees with a diameter at breast height (DBH) ≥ 9.55 cm. Location: Amazonia, here defined as the lowland rain forests of the Amazon River basin and the Guiana Shield. Methods: We assigned dispersal modes to a total of 5433 species and morphospecies within 1877 tree-inventory plots across terra-firme, seasonally flooded, and permanently flooded forests. We investigated geographic patterns in the proportional abundance of dispersal modes. We performed an abundance-weighted mean pairwise distance (MPD) test and fit generalized linear models (GLMs) to explain the geographic distribution of dispersal modes. Results: Anemochory was significantly, positively associated with mean annual wind speed, and hydrochory was significantly higher in flooded forests. Dispersal modes did not consistently show significant associations with the availability of resources for constructing zoochorous fruits. A lower dissimilarity in dispersal modes, resulting from a higher dominance of endozoochory, occurred in terra-firme forests (excluding podzols) compared to flooded forests. Main conclusions: The disperser-availability hypothesis was well supported for abiotic dispersal modes (anemochory and hydrochory). The availability of resources for constructing zoochorous fruits seems an unlikely explanation for the distribution of dispersal modes in Amazonia. The association between frugivores and the proportional abundance of zoochory requires further research, as tree recruitment not only depends on dispersal vectors but also on conditions that favour or limit seedling recruitment across forest types

Geography and ecology shape the phylogenetic composition of Amazonian tree communities

Aim: Amazonia hosts more tree species from numerous evolutionary lineages, both young and ancient, than any other biogeographic region. Previous studies have shown that tree lineages colonized multiple edaphic environments and dispersed widely across Amazonia, leading to a hypothesis, which we test, that lineages should not be strongly associated with either geographic regions or edaphic forest types. Location: Amazonia. Taxon: Angiosperms (Magnoliids; Monocots; Eudicots). Methods: Data for the abundance of 5082 tree species in 1989 plots were combined with a mega-phylogeny. We applied evolutionary ordination to assess how phylogenetic composition varies across Amazonia. We used variation partitioning and Moran\u27s eigenvector maps (MEM) to test and quantify the separate and joint contributions of spatial and environmental variables to explain the phylogenetic composition of plots. We tested the indicator value of lineages for geographic regions and edaphic forest types and mapped associations onto the phylogeny. Results: In the terra firme and várzea forest types, the phylogenetic composition varies by geographic region, but the igapó and white-sand forest types retain a unique evolutionary signature regardless of region. Overall, we find that soil chemistry, climate and topography explain 24% of the variation in phylogenetic composition, with 79% of that variation being spatially structured (R$^{2}$ = 19% overall for combined spatial/environmental effects). The phylogenetic composition also shows substantial spatial patterns not related to the environmental variables we quantified (R$^{2}$ = 28%). A greater number of lineages were significant indicators of geographic regions than forest types. Main Conclusion: Numerous tree lineages, including some ancient ones (>66 Ma), show strong associations with geographic regions and edaphic forest types of Amazonia. This shows that specialization in specific edaphic environments has played a long-standing role in the evolutionary assembly of Amazonian forests. Furthermore, many lineages, even those that have dispersed across Amazonia, dominate within a specific region, likely because of phylogenetically conserved niches for environmental conditions that are prevalent within regions

Geography and ecology shape the phylogenetic composition of Amazonian tree communities

AimAmazonia hosts more tree species from numerous evolutionary lineages, both young and ancient, than any other biogeographic region. Previous studies have shown that tree lineages colonized multiple edaphic environments and dispersed widely across Amazonia, leading to a hypothesis, which we test, that lineages should not be strongly associated with either geographic regions or edaphic forest types.LocationAmazonia.TaxonAngiosperms (Magnoliids; Monocots; Eudicots).MethodsData for the abundance of 5082 tree species in 1989 plots were combined with a mega-phylogeny. We applied evolutionary ordination to assess how phylogenetic composition varies across Amazonia. We used variation partitioning and Moran's eigenvector maps (MEM) to test and quantify the separate and joint contributions of spatial and environmental variables to explain the phylogenetic composition of plots. We tested the indicator value of lineages for geographic regions and edaphic forest types and mapped associations onto the phylogeny.ResultsIn the terra firme and várzea forest types, the phylogenetic composition varies by geographic region, but the igapó and white-sand forest types retain a unique evolutionary signature regardless of region. Overall, we find that soil chemistry, climate and topography explain 24% of the variation in phylogenetic composition, with 79% of that variation being spatially structured (R2 = 19% overall for combined spatial/environmental effects). The phylogenetic composition also shows substantial spatial patterns not related to the environmental variables we quantified (R2 = 28%). A greater number of lineages were significant indicators of geographic regions than forest types.Main ConclusionNumerous tree lineages, including some ancient ones (>66 Ma), show strong associations with geographic regions and edaphic forest types of Amazonia. This shows that specialization in specific edaphic environments has played a long-standing role in the evolutionary assembly of Amazonian forests. Furthermore, many lineages, even those that have dispersed across Amazonia, dominate within a specific region, likely because of phylogenetically conserved niches for environmental conditions that are prevalent within regions

Mapping density, diversity and species-richness of the Amazon tree flora

Using 2.046 botanically-inventoried tree plots across the largest tropical forest on Earth, we mapped tree species-diversity and tree species-richness at 0.1-degree resolution, and investigated drivers for diversity and richness. Using only location, stratified by forest type, as predictor, our spatial model, to the best of our knowledge, provides the most accurate map of tree diversity in Amazonia to date, explaining approximately 70% of the tree diversity and species-richness. Large soil-forest combinations determine a significant percentage of the variation in tree species-richness and tree alpha-diversity in Amazonian forest-plots. We suggest that the size and fragmentation of these systems drive their large-scale diversity patterns and hence local diversity. A model not using location but cumulative water deficit, tree density, and temperature seasonality explains 47% of the tree species-richness in the terra-firme forest in Amazonia. Over large areas across Amazonia, residuals of this relationship are small and poorly spatially structured, suggesting that much of the residual variation may be local. The Guyana Shield area has consistently negative residuals, showing that this area has lower tree species-richness than expected by our models. We provide extensive plot meta-data, including tree density, tree alpha-diversity and tree species-richness results and gridded maps at 0.1-degree resolution

Consistent patterns of common species across tropical tree communities

Trees structure the Earth’s most biodiverse ecosystem, tropical forests. The vast number of tree species presents a formidable challenge to understanding these forests, including their response to environmental change, as very little is known about most tropical tree species. A focus on the common species may circumvent this challenge. Here we investigate abundance patterns of common tree species using inventory data on 1,003,805 trees with trunk diameters of at least 10 cm across 1,568 locations1,2,3,4,5,6 in closed-canopy, structurally intact old-growth tropical forests in Africa, Amazonia and Southeast Asia. We estimate that 2.2%, 2.2% and 2.3% of species comprise 50% of the tropical trees in these regions, respectively. Extrapolating across all closed-canopy tropical forests, we estimate that just 1,053 species comprise half of Earth’s 800 billion tropical trees with trunk diameters of at least 10 cm. Despite differing biogeographic, climatic and anthropogenic histories7, we find notably consistent patterns of common species and species abundance distributions across the continents. This suggests that fundamental mechanisms of tree community assembly may apply to all tropical forests. Resampling analyses show that the most common species are likely to belong to a manageable list of known species, enabling targeted efforts to understand their ecology. Although they do not detract from the importance of rare species, our results open new opportunities to understand the world’s most diverse forests, including modelling their response to environmental change, by focusing on the common species that constitute the majority of their trees.Publisher PDFPeer reviewe

Author correction: One sixth of Amazonian tree diversity is dependent on river floodplains

In the version of the article initially published, the affiliation of Edgardo Manuel Latrubesse was incorrect and has now been amended to Environmental Sciences Graduate Program-CIAMB, Federal University of Goiás, Goiânia, Brazil in the HTML and PDF versions of the article