Τεχνικές αντιμετώπισης μεταβατικών και μόνιμων σφαλμάτων σε στοιχεία μνήμης στις σύγχρονες νανομετρικές τεχνολογίες

Abstract

The continuous miniaturization of recent nanotechnologies has significantly improved the performance of integrated circuits. However, the characteristics of modern technologies (e.g. smaller dimensions, lower voltage supply, lower parasitics), except of providing advantages (e.g. reduced delay, lower power consumption, smaller area overhead), have raised important reliability issues in the operation of integrated circuits. These issues are due to hardware failures, physical wear-out and aging mechanisms, process variations and external phenomena like radiation. In our thesis we focus on the reliability of storage elements, as they are highly susceptible and occupy up to 90% of the die. Many of the existing reliability techniques have become inefficient in the nanometer era, especially for mission critical applications like automotive, aerospace, satellite systems and medical devices. The faults that occur in an integrated circuit are divided in permanent and temporary depending on their duration, with temporary faults being divided in transient and intermittent. In our thesis we propose radiation tolerant techniques that mitigate permanent and transient faults occurring in storage elements, focusing on the second category. Storage elements are highly susceptible to transient faults caused by energetic particle hits, due to their positive feedback loop. Their susceptibility increases with technology scaling, as charge sharing phenomena lead to the upset of multiple nodes. The proposed techniques are technology independent, protecting storage elements such as latches and SRAM cells from transient faults caused by single or multiple node upsets, whereas reducing the delay, power and area overheads. Radiation tolerance is mainly achieved through information redundancy as well as control of the positive feedback loop of the storage elements in order to interrupt the upset propagation. Moreover, modern technologies are employed in order to reduce the overheads of existing radiation tolerant memory cells. In order to repair permanent faults, we optimize a Built-In Self-Repair technique and we propose an SRAM architecture that can tolerate both permanent and transient faults.

Η συνεχιζόμενη αύξηση της κλίμακας ολοκλήρωσης στις σύγχρονες νανοτεχνολογίες έχει οδηγήσει σε σημαντική βελτίωση της απόδοσης των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Όμως, τα χαρακτηριστικά των σύγχρονων τεχνολογιών (π.χ. μειωμένες διαστάσεις, χαμηλές τάσεις τροφοδοσίας, χαμηλές παρασιτικές χωρητικότητες) εκτός από τα προφανή πλεονεκτήματα που προσφέρουν (π.χ. ταχύτερη λειτουργία, μικρότερη κατανάλωση ισχύος, μικρότερη επιβάρυνση σε επιφάνεια), έχουν εγείρει σημαντικά προβλήματα αξιοπιστίας στη λειτουργία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Αυτά τα προβλήματα οφείλονται κυρίως σε αστοχίες υλικού, μηχανισμούς φυσικής φθοράς/γήρανσης, διακυμάνσεις της κατασκευαστικής διαδικασίας και φαινόμενα που προκαλούνται από εξωγενείς παράγοντες όπως η ακτινοβολία. Η κατηγορία κυκλωμάτων που επηρεάζεται περισσότερο από τα παραπάνω προβλήματα και στην οποία επικεντρωνόμαστε στη διατριβή αυτή είναι τα στοιχεία μνήμης, τα οποία καταλαμβάνουν έως και το 90% της ψηφίδας. Καθώς οι επερχόμενες τεχνολογίες κατασκευής πλησιάζουν στην περιοχή των ελάχιστων νανομέτρων τα προβλήματα αξιοπιστίας διογκώνονται και οι υπάρχουσες τεχνικές αντιμετώπισής τους καθίστανται ανεπαρκείς ειδικά για εφαρμογές καίριας σημασίας, όπως για παράδειγμα αυτές στο χώρο της αυτοκινητοβιομηχανίας, της αεροναυπηγικής, των δορυφορικών συστημάτων και των ιατρικών συσκευών. Τα σφάλματα σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τη διάρκειά τους σε μόνιμα και παροδικά, με τα παροδικά σφάλματα να διαχωρίζονται σε μεταβατικά και διαλείποντα. Στη διατριβή αυτή προτείνουμε τεχνικές που αντιμετωπίζουν τα μόνιμα και μεταβατικά σφάλματα λόγω ακτινοβολίας σε στοιχεία μνήμης, εστιάζοντας όμως στη δεύτερη κατηγορία. Τα στοιχεία μνήμης είναι ιδιαίτερα επιρρεπή σε μεταβατικά σφάλματα λόγω ακτινοβολίας εξαιτίας του βρόχου θετικής ανάδρασης που διαθέτουν, με την ευαισθησία τους να γίνεται μεγαλύτερη όσο οι σύγχρονες νανοτεχνολογίες οδεύουν σε μεγαλύτερες κλίμακες ολοκλήρωσης, καθώς εμφανίζεται όλο και πιο έντονα το φαινόμενο της διαταραχής πολλαπλών κόμβων του κυκλώματος λόγω διαμοιρασμού φορτίου. Στη διατριβή αυτή προτείνονται τεχνολογικά ανεξάρτητες τεχνικές που προστατεύουν στοιχεία μνήμης όπως μανδαλωτές και κύτταρα SRAM από μεταβατικά σφάλματα που οφείλονται σε διαταραχές ενός ή περισσότερων κόμβων του κυκλώματος, με μειωμένη επιβάρυνση σε καθυστέρηση, κατανάλωση ισχύος και επιφάνεια. Οι κύριες τεχνικές που εφαρμόζονται είναι ο πλεονασμός της πληροφορίας και ο έλεγχος του βρόχου θετικής ανάδρασης των στοιχείων μνήμης ώστε να διακόπτεται η διάδοση των διαταραχών. Επίσης γίνεται χρήση σύγχρονων τεχνολογιών με σκοπό τη μείωση των επιβαρύνσεων που εισάγουν υπάρχοντα κύτταρα μνήμης ανθεκτικά σε ακτινοβολία. Για την αντιμετώπιση των μόνιμων σφαλμάτων επιχειρείται η βελτιστοποίηση μιας τεχνικής Built-In Self-Repair, ενώ ταυτόχρονα προτείνεται μια αρχιτεκτονική SRAM που μπορεί να αντιμετωπίσει τόσο μόνιμα όσο και μεταβατικά σφάλματα.