Models and algorithms for Soft Error Rate estimation in ICs

Abstract

In state-of-the-art technologies utilized to design Integrated Circuits (ICs), failures, called Soft Errors caused by factors such as radiation or alpha particles, constitute a significant threat for circuit reliability. Many studies have focused on analyzing Soft Errors' effect on memory elements such as flip-flops, DRAMs and SRAMs. On the other hand, the protection of the ICs combinational part to external parameters has several shortcomings. For this reason, the evaluation of systems susceptibility to Soft Errors, regarding combinational logic as the primary part of the analysis, by an accurate and fast tool would be beneficial for the technology community.The continuous downscaling of device feature size and the reduction in supply voltage in CMOS technology tend to worsen this severe problem. Many methodologies have tried to model and simulate transient glitches induced by particle strikes. However, some of them are not considered accurate since they analyze transient faults without taking into account all the appropriate parameters, and others are not fast enough. This PhD dissertation describes a fast simulator based on a methodology, which focuses on the modeling of glitches generation and their propagation at the circuit gate level. Therefore, ICs susceptibility to these effects is evaluated, calculating Soft Error Rate (SER). Furthermore, SER estimation of ICs, taking into consideration multiple transient faults, is a necessary process and is a fundamental aspect of the particular work.A reliable tool was developed, basing on Monte-Carlo simulations, the modeling of masking mechanisms (Logical, Electrical, and Timing), and the consideration of placement information. ISCAS’ 89 benchmarks were designed, utilizing two different technologies, and their SER is evaluated in FIT (failure in time), which is equivalent to the number of failures per one billion hours. Furthermore, SER is estimated, considering some significant factors such as sensitive regions, reconvergence pulses, the RC models, since they have a critical impact on the proposed analysis. The experiment results execution time for circuits is quite satisfactory, and the process is accelerated even more by implementing parallel programming. Finally, TCAD and SPICE simulations are employed to characterize transient faults and verify results obtained by the proposed tool.

Στις σύγχρονες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, οι διαταραχές που χαρακτηρίζονται ως Soft Errors που προκαλούνται από εξωτερικούς παράγοντες, όπως η ακτινοβολία και τα σωματίδια α αποτελούν σημαντική απειλή για την αξιοπιστία των κυκλωμάτων. Μέχρι στιγμής, μια πληθώρα μελετών επικεντρώθηκε στην ανάλυση της επίδρασης των Soft Errors σε στοιχεία μνήμης όπως τα flip-flops, τις DRAMs και τις SRAMs. Από την άλλη πλευρά, η προστασία του συνδυαστικού μέρους των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (λογικές πύλες) από τους εξωτερικούς παράγοντες έχει ακόμη αρκετά μειονεκτήματα. Για το λόγο αυτό, η αξιολόγηση της ευαισθησίας των συστημάτων στα Soft Errors από ένα αξιόπιστο και γρήγορο εργαλείο θα ωφελούσε σημαντικά την επιστημονική κοινότητα.Η συνεχής μείωση του μεγέθους των τρανζίστορ όπως επίσης και η μείωση της τάσης τροφοδοσίας τείνουν να επιδεινώσουν το προαναφερθέν σοβαρό πρόβλημα που σχετίζεται με την ύπαρξη σφαλμάτων. Πολλές μεθοδολογίες έχουν προσπαθήσει να μοντελοποιήσουν και να προσομοιώσουν τις διαταραχές που προκαλούνται. Ωστόσο, ορισμένα από αυτά τα εργαλεία δεν είναι αρκετά ακριβή, καθώς προσομοιώνουν παροδικά τα σφάλματα χωρίς να λαμβάνουν υπόψη όλες τις κατάλληλες παραμέτρους ενώ επίσης άλλες μεθοδολογίες δεν είναι αρκετά γρήγορες. Συνεπώς, η συγκεκριμένη διατριβή περιγράφει έναν γρήγορο και αξιόπιστο προσομοιωτή βασισμένο σε μια μεθοδολογία που εστιάζει στην μοντελοποίηση της εμφάνισης και της διάδοσης των δυσλειτουργιών στο επίπεδο των λογικών πυλών κάθε κυκλώματος. Συνεπώς, η ανθεκτικότητα των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων αξιολογείτε υπολογίζοντας το Soft Error Rate (SER). Επιπλέον, η πιθανότητα ύπαρξης πολλαπλών σφαλμάτων, είναι απαραίτητη και αποτελεί βασική πτυχή της συγκεκριμένης μεθοδολογίας. Το συγκεκριμένο εργαλείο που παρουσιάζεται αναπτύχθηκε βασιζόμενο στην τεχνική των Monte-Carlo προσομοιώσεων, στην μοντελοποίηση των μηχανισμών που αποτρέπουν την διάδοση των σφαλμάτων (logical, electrical και timing masking) και την χρησιμοποίηση της χωρικής διάταξης των λογικών πυλών του κάθε κυκλώματος. Τα κυκλώματα στα οποία εφαρμόσαμε την προτεινόμενη μεθοδολογία είναι τα ISCAS '89 τα οποία σχεδιάστηκαν χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικές τεχνολογίες. Επιπλέον, το SER υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη ορισμένους σημαντικούς παράγοντες, όπως η εύρεση των ευαίσθητων περιοχών κάθε πύλης, η πιθανότητα οι παλμοί που σχετίζονται με το ίδιο σφάλμα να συγκλίνουν στην ίδια πύλη από διαφορετικά μονοπάτια παρόμοιες χρονικές στιγμές και τα μοντέλα RC, καθώς έχουν κρίσιμο αντίκτυπο στην προτεινόμενη ανάλυση. Ο συγκεκριμένος παράγοντας υπολογίζεται τόσο ως πιθανότητα αλλά και σε FIT (failure in time) που ισοδυναμεί με τον αριθμό των βλαβών που προκαλούνται ανά ένα δισεκατομμύριο ώρες. Ο χρόνος εκτέλεσης των πειραμάτων για τα συγκεκριμένα κυκλώματα είναι αρκετά ικανοποιητικός κάτι το οποίο επιτεύχθηκε κάνοντας χρήση και ενσωματώνοντας την τεχνική του παράλληλου προγραμματισμού στην συγκεκριμένη μεθοδολογία. Τέλος, τα εργαλεία Synopsys Sentaurus TCAD και Synοpsys HSPICE χρησιμοποιούνται για τον χαρακτηρισμό των δυσλειτουργιών και την επαλήθευση των αποτελεσμάτων που λαμβάνονται από το προτεινόμενο εργαλείο.