Characterization of Interconnection Delays in FPGAS Due to Single Event Upsets and Mitigation

L'utilisation incessante de composants électroniques à géométrie toujours plus faible a engendré de nouveaux défis au fil des ans. Par exemple, des semi-conducteurs à mémoire et à microprocesseur plus avancés sont utilisés dans les systèmes avioniques qui présentent une susceptibilité importante aux phénomènes de rayonnement cosmique. L'une des principales implications des rayons cosmiques, observée principalement dans les satellites en orbite, est l'effet d'événements singuliers (SEE). Le rayonnement atmosphérique suscite plusieurs préoccupations concernant la sécurité et la fiabilité de l'équipement avionique, en particulier pour les systèmes qui impliquent des réseaux de portes programmables (FPGA). Les FPGA à base de cellules de mémoire statique (SRAM) présentent une solution attrayante pour mettre en oeuvre des systèmes complexes dans le domaine de l'avionique. Les expériences de rayonnement réalisées sur les FPGA ont dévoilé la vulnérabilité de ces dispositifs contre un type particulier de SEE, à savoir, les événements singuliers de changement d'état (SEU). Un SEU est considérée comme le changement de l'état d'un élément bistable (c'est-à-dire, un bit-flip) dû à l'effet d'un ion, d'un proton ou d'un neutron énergétique. Cet effet est non destructif et peut être corrigé en réécrivant la partie de la SRAM affectée. Les changements de délai (DC) potentiels dus aux SEU affectant la mémoire de configuration de routage ont été récemment confirmés. Un des objectifs de cette thèse consiste à caractériser plus précisément les DC dans les FPGA causés par les SEU. Les DC observés expérimentalement sont présentés et la modélisation au niveau circuit de ces DC est proposée. Les circuits impliqués dans la propagation du délai sont validés en effectuant une modélisation précise des blocs internes à l'intérieur du FPGA et en exécutant des simulations. Les résultats montrent l'origine des DC qui sont en accord avec les mesures expérimentales de délais. Les modèles proposés au niveau circuit sont, aux meilleures de notre connaissance, le premier travail qui confirme et explique les délais combinatoires dans les FPGA. La conception d'un circuit moniteur de délai pour la détection des DC a été faite dans la deuxième partie de cette thèse. Ce moniteur permet de détecter un changement de délai sur les sections critiques du circuit et de prévenir les pannes de synchronisation engendrées par les SEU sans utiliser la redondance modulaire triple (TMR).

Abstract

The unrelenting demand for electronic components with ever diminishing feature size have emerged new challenges over the years. Among them, more advanced memory and microprocessor semiconductors are being used in avionic systems that exhibit a substantial susceptibility to cosmic radiation phenomena. One of the main implications of cosmic rays, which was primarily observed in orbiting satellites, is single-event effect (SEE). Atmospheric radiation causes several concerns regarding the safety and reliability of avionics equipment, particularly for systems that involve field programmable gate arrays (FPGA). SRAM-based FPGAs, as an attractive solution to implement systems in aeronautic sector, are very susceptible to SEEs in particular Single Event Upset (SEU). An SEU is considered as the change of the state of a bistable element (i.e., bit-flip) due to the effect of an energetic ion or proton. This effect is non-destructive and may be fixed by rewriting the affected part. Sensitivity evaluation of SRAM-based FPGAs to a physical impact such as potential delay changes (DC) has not been addressed thus far in the literature. DCs induced by SEU can affect the functionality of the logic circuits by disturbing the race condition on critical paths. The objective of this thesis is toward the characterization of DCs in SRAM-based FPGAs due to transient ionizing radiation. The DCs observed experimentally are presented and the circuit-level modeling of those DCs is proposed. Circuits involved in delay propagation are reverse-engineered by performing precise modeling of internal blocks inside the FPGA and executing simulations. The results show the root cause of DCs that are in good agreement with experimental delay measurements. The proposed circuit level models are, to the best of our knowledge, the first work on modeling of combinational delays in FPGAs.In addition, the design of a delay monitor circuit for DC detection is investigated in the second part of this thesis. This monitor allowed to show experimentally cumulative DCs on interconnects in FPGA. To this end, by avoiding the use of triple modular redundancy (TMR), a mitigation technique for DCs is proposed and the system downtime is minimized. A method is also proposed to decrease the clock frequency after DC detection without interrupting the process.