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Prof. Fernanda Lima Kastensmidt, PhD. Instituto de Informática, Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) 1 Setembro, 2008 Estudo dos Efeitos da Radiação em Circuitos Integrados e Desenvolvimento de Técnicas de Tolerância a Falhas de Efeito Transiente Aula 10 Técnicas de tolerância a falhas em FPGAs programados por Antifuse e Flash

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Prof. Fernanda Lima Kastensmidt, PhD.

Instituto de Informática, Universidade Federal do RioGrande do Sul (UFRGS)

1Setembro, 2008

Estudo dos Efeitos da Radiação emCircuitos Integrados e Desenvolvimentode Técnicas de Tolerância a Falhas deEfeito Transiente

Aula 10Técnicas de tolerância a falhas em FPGAs programados por Antifuse e Flash

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2Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

SEE Mitigation Techniques

• By Design– Need matrix modifications (FPGA fabricant)

• By high-level (VHDL, logic, software, others)– Implemented by the user– May need design flow assistance

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3Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

Protecting SEU by DESIGN

• Control Logic– Logic redundancy design

• Clock Network– Eliminate small leaves in the clock tree

• User flip-flop– Hard-wired triple redundant latch for master and slave

• Embedded SRAM– EDAC macro in FPGA design software (ACTgen)– Hamming code detect two error bits, correct one error bit

• Glancing-angle-strike double upset simulated by SPICE andSpaceRad to determine the bit separation

• Charge-sharing double upset simulated by 3D mixed mode todetermine the bit separation

[Wang et al, NSREC, 03]

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4Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

Case Study I: RTAX - TMR flip-flop

G

A

B

C

A

B

C

A

B

C

D

B

A

C

Q

Logic schematic of the triple redundant latch in the SEU hardened user flip-flop.

[Wang et al, NSREC, 03]

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5Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

3D simulations for Embedded Memory

Schematic showing the 3D device structure and SPICE circuit net. The device structureassumes the worst scenario, NMOSFET junction at high state is the sensitive area. Ion

strikes at the sensitive junction of SRAM2 to simulate single-bit upset. Ion strikes at thecenter in all three directions of the structure to simulate double-bit upset.

3D Device Structure

N+N+

VCC

N+N+

VCC

Ion strike 60°-tilt atcenter of structure(Fig B)

SRAM 1 SRAM 2

P+ P+

QB1

Q1 = ‘1’ ‘1’= Q2

QB2

Ion strike 0°-tilt atcenter of junction(Fig A)

[Wang et al, NSREC, 03]

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6Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

Results

10-15 10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5

Sensitive junction (Q1) inSRAM1

Sensitive junction (Q2) inSRAM2

3D mixed mode simulation showing ion-strike-induced transient voltages of the sensitive junctions inSRAM1 and SRAM2. Heavy ion with LET of 60 MeV•cm2/mg and 60° tilt strikes a location of equaldistance to SRAM1 and SRAM2. The first voltage drop near 10 ps is due to the electric field collapsing.The main voltage drop near 10 ns is due to the charge collection of the diffused carriers at the sensitivejunctions.

Transient time

[Wang et al, NSREC, 03]

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7Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

Case-Study II: Actel Flash-based FPGA

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8Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

TMR in Volatile FPGAs as seen...

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9Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

Non-Volatile FPGAs

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10Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

Non-Volatile FPGA: SEU in ffps - TMR

[Rezgui et al, MAFA, 07]

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11Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

Is SET important?

• SET Characterization[Rezgui et al, MAFA, 07]

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12Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

Proposed SET Mitigation Techniques

[Rezgui et al, MAFA, 07]

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13Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

SET Radiation Data[Rezgui et al, MAFA, 07]

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14Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

SET Mitigation for IOs

[Rezgui et al, MAFA, 07]

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15Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

SET Radiation Data [Rezgui et al, MAFA, 07]

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16Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

Case-studies [Rezgui et al, MAFA, 07]

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17Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

More Radiation Results [Rezgui et al, MAFA, 07]

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18Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

More Radiation Results... [Rezgui et al, MAFA, 07]

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19Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

Another Flash-based FPGA

AGL - IGLOO

[Rezgui et al, MAFA, 07]

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20Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

AGL Characterization [Rezgui et al, MAFA, 07]

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21Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

Comparison [Rezgui et al, MAFA, 07]

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22Técnicas de tolerância a falhas em FPGAsprogramados por Antifuse e FlashAula 10

Summary [Rezgui et al, MAFA, 07]