Soft Errors Induced By Neutrons and Alpha Particles in System on Chips

Questa tesi presenta un innovativo setup a basso costo per effettuare dei test sotto radiazione di System on Chips in cui siano integrati moduli di diversa natura e con diverse funzionalità. In particolare sono stati svolti numerosi test sotto radiazione di memorie SRAM integrate, di moduli logici integrati e di microprocessori integrati, analizzando i diversi protocolli di test necessari per poter caratterizzare al meglio la loro sensibilità alla radiazione. Uno dei problemi maggiori che si riscontrano quando si deve testare un System on Chip è la ridotta accessibilità dei vari moduli integrati e i vincoli fisici che devono essere rispettati per effettuare il test stesso e che rendono le procedure di analisi molto difficili. I costruttori, per riuscire a verificare la funzionalità dei vari moduli integrati, usano molto spesso delle tecniche chiamate Design for Testability bastate su strutture di test integrate che permettono un’esaustiva verifica della funzionalità dei moduli minimizzando allo stesso tempo i costi del test. Durante gli esperimenti presentati in questo lavoro abbiamo riutilizzato alcune strutture integrate del tipo Design for Testability per caratterizzare nel dettaglio sia tutti i singoli moduli che compongono un System on Chip che il comportamento globale del dispositivo quando viene esposto a radiazione. La strategia che è proposta in questa tesi può essere generalizzata e applicata a qualunque tipo di modulo integrato e sono presentati anche alcuni suggerimenti sul come applicare le strutture di test DfT agli esperimenti di radiazione. Quando si effettua un esperimenti di radiazione tipicamente ci sono diversi vincoli che, in base al laboratorio in cui gli esperimenti vengono eseguiti, possono essere imposti al setup di test. La scheda di test che abbiamo sviluppato ha una forma monolitica, che la rende facile da posizionare nella maggior parte delle camere di irraggiamento degli acceleratori di particelle utilizzati per questo tipo di esperienze. Inoltre, grazie da un lato all’integrazione delle strutture di test nel System on Chip da caratterizzare e, dall’altro, ad una strategia d’interfaccia che si basa sia sul JTAG che sui Wrappers, i test possono essere eseguiti ad alta frequenza usando però solamente connessioni lente fra un PC e il dispositivo da testare, diminuendo così drasticamente il costo globale degli esperimenti. Questa tesi mostra e discute i risultati ottenuti da molte campagne di esperimenti di radiazione su un System on Chip costruito in tecnologia CMOS a 90 nm da STMicroelectronics. Tale dispositivo è stato pensato e realizzato per essere parte di un complesso progetto automotive; ci siamo dunque focalizzati sulle problematiche derivanti dall’impatto che la radiazione terrestre può avere in questo dispositivo. Abbiamo quindi esposto il chip sia a flussi di neutroni che di particelle alfa. Grazie ai dati ottenuti dagli esperimenti, abbiamo calcolato la sensibilità del modulo SRAM sia a particelle alfa che a neutroni, e abbiamo scoperto che quest’ultima è decisamente inferiore della prima. Abbiamo quindi caratterizzato il comportamento del microprocessore quando è esposto a particelle alfa. Il test statico ha dimostrato che i flip-flop che costituiscono i registri interni del microprocessore hanno un tasso di errore indotto da radiazione più elevato rispetto al modulo memoria utente e memoria codice. Questo risultato è di grande importanza e deve essere considerato, per esempio, quando si costruisce una piattaforma di fault-injection. Per effettuare il test dinamico del microprocessore abbiamo costruito due diversi codici di riferimento, in modo da capire come la corruzione delle riverse risorse di memorizzazione influenzi l’esecuzione del codice. I risultati ottenuti dimostrano che, in una tipica applicazione, gli errori nella memoria codice sono decisamente predominanti rispetto a quelli nei registri interni. Inoltre abbiamo visto che i bit di memoria codice e dei registri non sono sempre critici, e la loro corruzione non necessariamente si propaga all’uscita. Infine, abbiamo considerato l’efficacia e i costi di diverse tecniche di irrobustimento. In particolare, abbiamo studiato come l’ottimizzazione del layout proposta del Design For Manufacturing o la Triple Module Redundancy influenzino la sensibilità alla radiazione del microprocessore. Abbiamo considerato dei chip costruiti con diversi livelli di maturità del Design For Manufacturing e i risultati sperimentali dimostrano che un più alto livello di ottimizzazione aumenta la resistenza del dispositivo alla radiazione alfa. Le tecniche di irrobustimento, comunque, hanno un costo. La decisione su quale tecnica adottare quando si costruisce un dispositivo complesso è un trade-off fra costi, performance e, ovviamente, affidabilità. Le strategie da adottare per un particolare prodotto dipendono quindi dai suoi requisiti e dall’ambiente in cui dovrà essere impiegato.