Marko Andjelkovic

• With the downscaling of CMOS technologies, the radiation-induced Single Event Transient (SET) effects in combinational logic have become a critical reliability issue for modern integrated circuits (ICs) intended for operation under harsh radiation conditions. The SET pulses generated in combinational logic may propagate through the circuit and eventually result in soft errors. It has thus become an imperative to address the SET effects in the early phases of the radiation-hard IC design. In general, the soft error mitigation solutions should accommodate both static and dynamic measures to ensure the optimal utilization of available resources. An efficient soft-error-aware design should address synergistically three main aspects: (i) characterization and modeling of soft errors, (ii) multi-level soft error mitigation, and (iii) online soft error monitoring. Although significant results have been achieved, the effectiveness of SET characterization methods, accuracy of predictive SET models, and efficiency of SET mitigation measures areWith the downscaling of CMOS technologies, the radiation-induced Single Event Transient (SET) effects in combinational logic have become a critical reliability issue for modern integrated circuits (ICs) intended for operation under harsh radiation conditions. The SET pulses generated in combinational logic may propagate through the circuit and eventually result in soft errors. It has thus become an imperative to address the SET effects in the early phases of the radiation-hard IC design. In general, the soft error mitigation solutions should accommodate both static and dynamic measures to ensure the optimal utilization of available resources. An efficient soft-error-aware design should address synergistically three main aspects: (i) characterization and modeling of soft errors, (ii) multi-level soft error mitigation, and (iii) online soft error monitoring. Although significant results have been achieved, the effectiveness of SET characterization methods, accuracy of predictive SET models, and efficiency of SET mitigation measures are still critical issues. Therefore, this work addresses the following topics: (i) Characterization and modeling of SET effects in standard combinational cells, (ii) Static mitigation of SET effects in standard combinational cells, and (iii) Online particle detection, as a support for dynamic soft error mitigation. Since the standard digital libraries are widely used in the design of radiation-hard ICs, the characterization of SET effects in standard cells and the availability of accurate SET models for the Soft Error Rate (SER) evaluation are the main prerequisites for efficient radiation-hard design. This work introduces an approach for the SPICE-based standard cell characterization with the reduced number of simulations, improved SET models and optimized SET sensitivity database. It has been shown that the inherent similarities in the SET response of logic cells for different input levels can be utilized to reduce the number of required simulations. Based on characterization results, the fitting models for the SET sensitivity metrics (critical charge, generated SET pulse width and propagated SET pulse width) have been developed. The proposed models are based on the principle of superposition, and they express explicitly the dependence of the SET sensitivity of individual combinational cells on design, operating and irradiation parameters. In contrast to the state-of-the-art characterization methodologies which employ extensive look-up tables (LUTs) for storing the simulation results, this work proposes the use of LUTs for storing the fitting coefficients of the SET sensitivity models derived from the characterization results. In that way the amount of characterization data in the SET sensitivity database is reduced significantly. The initial step in enhancing the robustness of combinational logic is the application of gate-level mitigation techniques. As a result, significant improvement of the overall SER can be achieved with minimum area, delay and power overheads. For the SET mitigation in standard cells, it is essential to employ the techniques that do not require modifying the cell structure. This work introduces the use of decoupling cells for improving the robustness of standard combinational cells. By insertion of two decoupling cells at the output of a target cell, the critical charge of the cell’s output node is increased and the attenuation of short SETs is enhanced. In comparison to the most common gate-level techniques (gate upsizing and gate duplication), the proposed approach provides better SET filtering. However, as there is no single gate-level mitigation technique with optimal performance, a combination of multiple techniques is required. This work introduces a comprehensive characterization of gate-level mitigation techniques aimed to quantify their impact on the SET robustness improvement, as well as introduced area, delay and power overhead per gate. By characterizing the gate-level mitigation techniques together with the standard cells, the required effort in subsequent SER analysis of a target design can be reduced. The characterization database of the hardened standard cells can be utilized as a guideline for selection of the most appropriate mitigation solution for a given design. As a support for dynamic soft error mitigation techniques, it is important to enable the online detection of energetic particles causing the soft errors. This allows activating the power-greedy fault-tolerant configurations based on N-modular redundancy only at the high radiation levels. To enable such a functionality, it is necessary to monitor both the particle flux and the variation of particle LET, as these two parameters contribute significantly to the system SER. In this work, a particle detection approach based on custom-sized pulse stretching inverters is proposed. Employing the pulse stretching inverters connected in parallel enables to measure the particle flux in terms of the number of detected SETs, while the particle LET variations can be estimated from the distribution of SET pulse widths. This approach requires a purely digital processing logic, in contrast to the standard detectors which require complex mixed-signal processing. Besides the possibility of LET monitoring, additional advantages of the proposed particle detector are low detection latency and power consumption, and immunity to error accumulation. The results achieved in this thesis can serve as a basis for establishment of an overall soft-error-aware database for a given digital library, and a comprehensive multi-level radiation-hard design flow that can be implemented with the standard IC design tools. The following step will be to evaluate the achieved results with the irradiation experiments.…
• Mit der Verkleinerung der Strukturen moderner CMOS-Technologien sind strahlungsinduzierte Single Event Transient (SET)-Effekte in kombinatorischer Logik zu einem kritischen Zuverlässigkeitsproblem in integrierten Schaltkreisen (ICs) geworden, die für den Betrieb unter rauen Strahlungsbedingungen (z. B. im Weltraum) vorgesehen sind. Die in der Kombinationslogik erzeugten SET-Impulse können durch die Schaltungen propagieren und schließlich in Speicherelementen (z.B. Flip-Flops oder Latches) zwischengespeichert werden, was zu sogenannten Soft-Errors und folglich zu Datenbeschädigungen oder einem Systemausfall führt. Daher ist es in den frühen Phasen des strahlungsharten IC-Designs unerlässlich geworden, die SET-Effekte systematisch anzugehen. Im Allgemeinen sollten die Lösungen zur Minderung von Soft-Errors sowohl statische als auch dynamische Maßnahmen berücksichtigen, um die optimale Nutzung der verfügbaren Ressourcen sicherzustellen. Somit sollte ein effizientes Soft-Error-Aware-Design drei Hauptaspekte synergistisch berücksichtigen:Mit der Verkleinerung der Strukturen moderner CMOS-Technologien sind strahlungsinduzierte Single Event Transient (SET)-Effekte in kombinatorischer Logik zu einem kritischen Zuverlässigkeitsproblem in integrierten Schaltkreisen (ICs) geworden, die für den Betrieb unter rauen Strahlungsbedingungen (z. B. im Weltraum) vorgesehen sind. Die in der Kombinationslogik erzeugten SET-Impulse können durch die Schaltungen propagieren und schließlich in Speicherelementen (z.B. Flip-Flops oder Latches) zwischengespeichert werden, was zu sogenannten Soft-Errors und folglich zu Datenbeschädigungen oder einem Systemausfall führt. Daher ist es in den frühen Phasen des strahlungsharten IC-Designs unerlässlich geworden, die SET-Effekte systematisch anzugehen. Im Allgemeinen sollten die Lösungen zur Minderung von Soft-Errors sowohl statische als auch dynamische Maßnahmen berücksichtigen, um die optimale Nutzung der verfügbaren Ressourcen sicherzustellen. Somit sollte ein effizientes Soft-Error-Aware-Design drei Hauptaspekte synergistisch berücksichtigen: (i) die Charakterisierung und Modellierung von Soft-Errors, (ii) eine mehrstufige-Soft-Error-Minderung und (iii) eine Online-Soft-Error-Überwachung. Obwohl signifikante Ergebnisse erzielt wurden, sind die Wirksamkeit der SET-Charakterisierung, die Genauigkeit von Vorhersagemodellen und die Effizienz der Minderungsmaßnahmen immer noch die kritischen Punkte. Daher stellt diese Arbeit die folgenden Originalbeiträge vor: • Eine ganzheitliche Methodik zur SPICE-basierten Charakterisierung von SET-Effekten in kombinatorischen Standardzellen und entsprechenden Härtungskonfigurationen auf Gate-Ebene mit reduzierter Anzahl von Simulationen und reduzierter SET-Sensitivitätsdatenbank. • Analytische Modelle für SET-Empfindlichkeit (kritische Ladung, erzeugte SET-Pulsbreite und propagierte SET-Pulsbreite), basierend auf dem Superpositionsprinzip und Anpassung der Ergebnisse aus SPICE-Simulationen. • Ein Ansatz zur SET-Abschwächung auf Gate-Ebene, der auf dem Einfügen von zwei Entkopplungszellen am Ausgang eines Logikgatters basiert, was den Anstieg der kritischen Ladung und die signifikante Unterdrückung kurzer SETs beweist. • Eine vergleichende Charakterisierung der vorgeschlagenen SET-Abschwächungstechnik mit Entkopplungszellen und sieben bestehenden Techniken durch eine quantitative Bewertung ihrer Auswirkungen auf die Verbesserung der SET-Robustheit einzelner Logikgatter. • Ein Partikeldetektor auf Basis von Impulsdehnungs-Invertern in Skew-Größe zur Online-Überwachung des Partikelflusses und der LET-Variationen mit rein digitaler Anzeige. Die in dieser Dissertation erzielten Ergebnisse können als Grundlage für den Aufbau einer umfassenden Soft-Error-aware-Datenbank für eine gegebene digitale Bibliothek und eines umfassenden mehrstufigen strahlungsharten Designflusses dienen, der mit den Standard-IC-Designtools implementiert werden kann. Im nächsten Schritt werden die mit den Bestrahlungsexperimenten erzielten Ergebnisse ausgewertet.…