Models and algorithms for Soft Error Rate estimation in ICs

Abstract

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.