Quasar: Uma Ferramenta de Avalição de Robustez de Radiação de Circuitos Eletrônicos

Abstract

À medida que o design de circuitos avança e o número de transistores em um chip atinge bil- hões, a demanda por ferramentas para auxiliar o design desses circuitos também aumenta. Embora a redução do tamanho dos transistores traga muitos benefícios, ela também torna a tecnologia mais sensível a alguns tipos de falhas e aumenta o impacto de pequenas vari- ações no processo de fabricação. Falhas de radiação têm sido uma preocupação crescente nas últimas décadas, tornando-se um problema não apenas para aplicações aeroespaci- ais, mas também em nível terrestre. Nesse contexto, este trabalho apresenta o Quasar, uma ferramenta de código aberto desenvolvida para aprimorar a avaliação dos efeitos da variabilidade na sensibilidade à radiação em nível elétrico. Quasar recebe como entrada uma netlist descrevendo o circuito e determina automaticamente métricas de robustez, como o Linear Energy Transfer crítico, para cada configuração em que uma falha do tipo Single Event Transient pode propagar um erro. A ferramenta pode lidar com desde portas lógicas únicas até circuitos de tamanho médio com múltiplas portas em poucos segundos, acelerando o mecanismo tradicional de injeção de falhas baseado em um grande número de simulações elétricas. A ferramenta não é acoplada a um único simulador elétrico, modelo de transistor ou parâmetro de variabilidade, permitindo uma alta versatilidade na análise de circuitos. O fluxo de trabalho da ferramenta explora o mascaramento lógico para reduzir a exploração do espaço de design, ou seja, para diminuir o número necessário de simulações elétricas. O paralelismo também é usado para acelerar a avaliação em nível de circuito. O Quasar já demonstrou potencial para fornecer resultados úteis. Neste trabalho, três aplicações do Quasar são apresentadas e discutidas. A primeira é uma avaliação de mapea- mento de portas para uma função lógica, mostrando que a sensibilidade à radiação de um circuito pode ser aproximada pela robustez de sua porta de saída mais sensível. A análise também mostra como a variabilidade pode influenciar significativamente a confiabilidade, especialmente o fato de que a hierarquia de sensibilidade entre as portas NOR2 e NAND2 é altamente dependente da flutuação da Função Trabalho em dispositivos FinFET. Na segunda parte, um estudo de caso de rede restauradora explora o razão por trás das difer- entes respostas dos circuitos à variabilidade, além de como estimar de maneira analítica configurações críticas do circuito. Na terceira parte, os resultados fornecidos pelo Quasar são comparados com uma ferramenta similar. Enfim, mostramos que os objetivos deste trabalho foram contemplados, a ferramenta desenvolvida é capaz de eficientemente avaliar a robustez de radiação de um circuito levando em conta a variabilidade de processo.

As circuit design advances, and the number of transistors on a chip reaches billions, the demand for tools to help the design of these circuits follows. Although reducing the size of transistors brings many benefits, it also makes the technology more sensitive to some types of faults, as well as to the impact of small variations in the manufacturing process. Radiation faults have grown in concern in the past decades, becoming a problem not only for aerospacial applications but also at ground level. In this light, this work presents Quasar, an open source tool developed to boost the evaluation of the variability effects on radiation sensitivity in detail at an electrical level. Quasar receives as input a netlist describing the circuit, and automatically determines robustness metrics such as the critical Linear Energy Transfer for every configuration a Single Event Transient fault can propagate an error. The tool can handle from small basic cells to median multi gate circuits in few seconds, speeding up the traditional fault injection mechanism based on large number of electrical simulations. It is not coupled to a single electrical simulator, transistor model or variability parameter, allowing for a high versatility in circuit analysis. The tool’s workflow explores logical masking to reduce the design space exploration, i.e., to reduce the necessary number of electrical simulations. Parallelism is also used to speed up the circuit level evaluation. Quasar already has shown the potential to provide useful results, in this work three applications of Quasar are presented and discussed. The first is a gate mapping evaluation showing that a circuit radiation sensitivity can be approximated by the robustness of its most sensitive output gate. It also shows how process variability can significantly influence reliability, especially the fact that the sensitivity hierarchy between the NOR2 and NAND2 gate is highly dependent on the Work Function Fluctuation in metal-gate devices. In the second part, a restoring network case study explores the reasoning behind the different responses of the evaluated circuits to variability, as well as how to estimate critical circuit configurations in an analytical way. In the third the results provided by Quasar are compared with a similar tool. In summary, we have shown that the objectives of this work were achieved. The developed tool is capable of efficiently evaluating the radiation robustness of a circuit while considering process variability.