automação e análise da inserção de falhas single event transient em circuitos combinacionais em...

Grupo de Sistemas Digitais e Embarcados (GSDE)www.gsde.furg.br

Automação e Análise da inserção de falhas Single Event Transient em Circuitos Combinacionais em tecnologias

nanométricas

Ygor Quadros de AguiarOrientadoras: Cristina Meinhardt

Alexandra Zimpeck

Trabalho de Conclusão de Curso Engenharia de Automação

2/70 Apresentação do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia de Automação

Rio Grande, Brasil – Novembro/2015www.gsde.furg.br

Sumário

1. Introdução2. Objetivo3. Fundamentação Teórica4. Implementação da Ferramenta5. Validação da Ferramenta6. Considerações



Introdução

Os sistemas de computação estão presentes nas mais diversas áreas de aplicação

✓ entretenimento,✓ sistemas de transportes ✓ sistemas de auxílio à vida (dispositivos

hospitalares), ✓ serviços militares ✓ aplicações industriais



Introdução

O avanço em pesquisas na microeletrônica✓ Lei de Moore

✓ Dispositivos menores, menor consumo de

energia e maior desempenho

✓ Miniaturização dos transistores, redução na

tensão de alimentação, aumento das

frequências de operação



Limitação da Tecnologia

✓ Aumento no custo do projeto;

✓ Aumento na potência consumida;

✓ Variabilidade no processo de fabricação;

✓ Aumento na vulnerabilidade a Soft Errors:

○ Redução da tensão de threshold

○ Redução das capacitâncias intrísicas do circuito



Objetivo

Desenvolver uma ferramenta de inserção de falhas de radiação do tipo SET em circuitos combinacionais.


Fundamentação Teórica



Fontes de Radiação

✓ Radiação Solar

✓ Raios Cósmicos Galácticos

✓ Cinturões de Van Allen

✓ Anomalia do Atlântico Sul



Fontes de Radiação

Anomalia do Atlântico Sul Cinturões de Van Allen

✓ Radiação Solar

✓ Raios Cósmicos Galácticos

✓ Cinturões de Van Allen

✓ Anomalia do Atlântico Sul



Single Event Effects (SEE):




SET (Single Event Transient): elemento combinacional SEU (Single Event Upset): elemento sequencial

Figura: Single Event Upset e Single Event Transient em um circuito. (Azambuja J. R., 2014)




✓ Drift ○ Funneling

✓ Diffusion



Deposição e Coleção de Carga:

Figura: Forma de onda típica da corrente da coleção de carga de um Single Event (Cummings, 2010)



Modelagem de um Single Event



Caracterização de um SET

Figura: Esquemático da transferência da energia como pulso de tensão (Wang, 2008)


Implementação da Ferramenta



Proposta

✓ Estudo e análise dos efeitos de radiação em circuitos

✓ Ferramenta para injeção de falhas SET

Interface da ferramenta de inserção de falhas Permanentes, onde será feita a integração de

inserção de falhas transientesDescrição do Circuito e Parâmetros da Falha Transiente

Análise Comportamental do Circuito à inserção da falha



Metodologia

❖ Desenvolvimento da ferramenta na linguagem de programação JAVA

❖ Simulação Elétrica através do simulador NGSPICE✓ Descrição dos circuitos em netlists na Linguagem Spice



Injeção de Falhas Transientes

Ferramenta de Simulação de

Falhas

Parâmetros do Circuito

Parâmetros da Falha

Arquivo Netlist

Simulação NGSpice

Arquivos Netlist com falhas

Análise das Falhas

Arquivos de Saída do Simulador (.data)



Funcionamento da Ferramenta

Extensão da ferramenta de injeção de falhas permanentes desenvolvida por Zimpeck (2013)




Extensão da ferramenta de injeção de falhas permanentes desenvolvida por Zimpeck (2013)




- Identificação de todos os elementos- Identificação dos nodos



- Identificação de todos os elementos- Identificação dos nodos

Identificação dos Elementos e Nodos do Circuito no Netlist

*Rede Pull-up

Mpa s a vdd vdd PMOS W=100n L=32nMpb s b vdd vdd PMOS W=100n L=32n

*Rede Pull-down

Mna s a x gnd NMOS W=100n L=32nMnb x b gnd gnd NMOS W=100n L=32n

*Capacitância da saídaCload s gnd 1f



Identificação dos Elementos e Nodos do Circuito no Netlist

*Rede Pull up

Mpa s a vdd vdd PMOS W=100n L=32nMpb s b vdd vdd PMOS W=100n L=32n

* Rede Pull down

Mna s a x gnd NMOS W=100n L=32nMnb x b gnd gnd NMOS W=100n L=32n

* Capacitância da saídaCload s gnd 1f

Transistores:Apmos, Bpmos, Anmos, Bnmos

Capacitores:Cload

Resistores:null

Nodos:a, b, x, s, vdd, gnd




- Modelo da falha SET- Inserção de Fonte de Corrente- Simulação de cada SET separadamente




Linear Energy Transfer:quantidade de energia liberada por uma partícula por unidade de cumprimento percorrido



Simulação da Falha SET




- Injeção de falhas SET- Configuração dos parâmetros SET- Resultados parcial da análise



Interface Gráfica - Simulação SOF e SOnF



Interface Gráfica - Simulação de SET



Interface Gráfica - Parâmetros SET




- Comparação entre esperado e obtido- Estado de Transição e Indeterminado- Geração de arquivos de análise para

cada SET



Análise da Resposta

- Modelo da falha SET- Inserção de Fonte de Corrente



Estados

Existem 4 possíveis estados dos sinais:

✓ Estado Esperado✓ Estado de Erro✓ Estado de Transição✓ Estado Indefinido



Estado de Transição

Figura: Definição de inSlope de um dispositivo

Estado das entradas quando as mesmas estão em transição, ou seja, dentro do período de slope do dispositivo.



Estado Indeterminado

Figura: Margem de ruído definido na ferramenta

Quando a saída do circuito se encontrar na margem de ruído definido pela ferramenta, como mostra a figura abaixo:



Análise dos Arquivos .data



Cadeia de inversores na saída do circuito sob teste:

Análise da propagação de falhas


Validação da Ferramenta: experimentos e resultados



Conjuntos de análises disponíveis pela ferramenta:

✓ influência da frequência de operação;

✓ diferentes tecnologias;

✓ diferentes configurações de SET;

✓ confiabilidade em função dos Vetores de Entradas.

Conjunto de Análises



Experimentos

❖ Injeção de falhas no nodo de saída dos circuitos.

➢ worst scenario

❖ Número de falhas: duas falhas por arco da função do circuito.

➢ HA_X1: 22 falhas,

➢ AOI21_X1: 26 falhas

➢ NAND2_X1: 12 falhas

❖ 3 células combinacionais de uma biblioteca de células comercial:



Análise da Influência da Frequência de Operação

❖ Tecnologia: 45nm High Performance da PTM.



❖ Tecnologia: 45nm High Performance da PTM.

Análise da Influência da Frequência de Operação



Comparação dos efeitos de SET em diferentes tecnologias




~15%

>30%




~35%

~41,67%




~35%

~41,67%5 falhas detectadas



Efeitos de diferentes LETs



Análise da Confiabilidade em função dos Vetores de Entradas

Circuito: meio somador HA_X1


Considerações Finais



❖ Estudo sobre falhas de radiação

❖ Ferramenta de injeção de falhas SET ➢ Linguagem de programação JAVA➢ Simulação Elétrica utilizando o simulador NGSPICE




❖ Conjuntos de análises disponíveis pela ferramenta:

✓ Análise da influência da frequência de operação;

✓ Comparação entre diferentes tecnologias;

✓ Análise para diferentes configurações de SET;

✓ Análise de Confiabilidade em função dos Vetores de Entradas.

❖ Possibilita a identificação das regiões e estados do circuito mais

sensíveis a falhas SET, contribuindo para o desenvolvimento de

técnicas de tolerância a falhas mais precisas e eficientes.




Trabalhos Futuros

❖ Métodos para Identificação dos nodos mais sensíveis

✓ cross section

✓ pesos dos nodos

■ atribuindo pesos segundo o número de junções PN

pertencentes ao nodo.

❖ NAND2:

✓ 8 junções PN

✓ 4 nodos sensíveis: VDD, S, X e GND

✓ Pesos: VDD=2, S=3, X=2 e GND=1



❖ Métodos para Identificação dos nodos mais sensíveis

✓ cross section

✓ pesos dos nodos

■ atribuindo pesos segundo o número de junções PN

pertencentes ao nodo.

❖ NAND2:

✓ 8 junções PN

✓ 4 nodos sensíveis: VDD, S, X e GND

✓ Pesos: VDD=2, S=3, X=2 e GND=1

2

3

2

1

Trabalhos Futuros



❖ Cálculo de cobertura de falhas

✓ considerando o número total de junções PN presentes no

circuito e os vetores de teste.

✓ Para cada vetor de teste, injeção de falhas em todas as

junções PN do circuito

■ Vetores de Teste: 2N

■ NAND2:

◆ 8 junções PN

◆ 32 possíveis casos de falhas

Trabalhos Futuros



Publicações

1. AGUIAR, Y. Q. de; ZIMPECK, A. L.; MEINHARDT, C., Automação da inserção de falhas Single Event Transient em Circuitos Combinacionais em tecnologias nanométricas, MPU, FURG, Rio Grande, outubro de 2015.

2. AGUIAR, Y. Q. de; ZIMPECK, A. L.; MEINHARDT, C., A tool for Fault Insertion Simulation in CMOS circuits, IEEE Circuits and Systems Workshop (CASSW), UFRGS, Porto Alegre, outubro de 2015.

3. AGUIAR, Y. Q. de; ZIMPECK, A. L.; MEINHARDT, C., NFAS-tool: avaliação da confiabilidade de células combinacionais sob falhas de radiação do tipo SET, XXII IBERCHIP Workshop, UFSC, Santa Catarina, fevereiro de 2016. (Aguardando aprovação)


Automação da inserção de falhas Single Event Transient em Circuitos Combinacionais em tecnologias nanométricas

Ygor Quadros de [email protected]

Orientadoras: Cristina MeinhardtAlexandra Zimpeck

71/24Apresentação do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia de Automação



72/24Apresentação do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia de Automação



A inserção da fonte de corrente segundo a equação de Messenger no SPICE corresponde a seguintes definições:



• Mascaramento Lógico✓ quando o transiente não se manifesta na

saída devido à lógica do circuito. Exemplo: em uma porta NAND se uma das entradas estiver em 0, não importa o valor das outras entradas, a saída será sempre 1.

Mascaramento de Falhas

● Mascaramento Elétrico✓ consiste na atenuação do pulso transiente de

perdas elétricas das portas lógicas, se extinguindo antes de ser armazenado por um elemento de memória.

● Mascaramento por Janela de Amostragem✓ caso SET não tenha sido mascarado lógica ou

eletricamente, o mesmo pode ser capturado e armazenado em um flip-flop somente se encontre na janela de amostragem do elemento de memória e tenha duração suficiente, fatores que dependem do tempo de setup e do tempo de hold do flip-flop.

Figura: Mascaramento Lógico (NETO, 2006)

Figura: Mascaramento Elétrico (NETO, 2006)

Figura: Mascaramento por Janela de Amostragem (NETO, 2006)

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