Exploiting EDA tools for the analysis and protection of integrated circuits against radiation-induced single event transients

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo da análise e proteção de circuitos integrados contra eventos singulares transitórios usando ferramentas de EDA. Eventos singulares transitórios (SETs) surgem a partir da colisão de partículas de alta energia em circuitos combinacionais podendo levar o sistema a resultados indesejados. A confiabilidade de circuitos digitais nanométricos em relação a SETs torna-se uma grande preocupação devido à redução agressiva das dimensões de transistores, dos níveis de voltagem bem como ao aumento da frequências de relógio. Ferramentas de EDA desempenham um papel importante na concepção de circuitos robustos. Mesmo que a simulação de circuitos requeira métodos computacionais avançados e um tempo de execução considerável, ela tem grande contribuição na compreensão dos mecanismos físicos que provocam erros induzidos por radiação. Além disso, ferramentas de EDA representam uma solução custo-eficaz para análise e proteção em etapas anteriores do ciclo de concepção quando comparada aos métodos de teste físico e às técnicas relacionadas ao processo de fabricação. Em um primeiro momento, a literatura é revisada, introduzindo metodologias de análise e proteção no nível portas e no nível transistor. Em segundo lugar, uma ferramenta acadêmica de EDA existente para aumentar a confiabilidade de circuitos é estudada. Depois, uma técnica implementada de simulação detalhada de circuitos é introduzida. Finalmente, os resultados de redução de sensibilidade fornecidos pela ferramenta acadêmica são analisados usando a técnica de simulação detalhada.

This work presents a study of the analysis and protection of integrated circuits against single event transients using EDA tools. Single event transient (SET) arises from the strikes of high-energy particles in combinational logic blocks and may lead the system to undesired results. Dependability of nanometer digital circuits to SET becomes a major concern with aggressive technology scaling, reduced voltage levels and increased clock frequencies. EDA tools play an important role in robust circuits design. Even though device simulation requires advanced computational methods and considerable computing time, it has great contribution to the understanding of the physical mechanisms leading to radiation-induced errors. Moreover, EDA tools represent a cost-effective analysis and protection solution in earlier design-cycle steps when compared to process-related and physical testing approaches. In a first moment, literature is reviewed introducing gate-level and transistor-level analysis and protection methodologies. Secondly, an existing academic EDA tool to improve circuits’ dependability is studied. After, an implemented detailed circuit simulation technique is introduced. Finally, sensitivity reduction results provided by the academic tool are analyzed with the detailed circuit simulation technique.