Single Event Effects On FPGAs

Field Programmable Gate Arrays, FPGAs, since their introduction on the market presented a very innovative way of implementing hardware designs. The fundamental property of these integrated circuits is the capability of a user's customization after manufacturing. An FPGA’s general architecture is composed of configurable elements that can be programmed to implement basic combinatorial and/or sequential logic. Configurable connection architecture can wire the configurable elements to implement complex circuits. Furthermore, input/output blocks manage interfacing with the external world, giving an option to configure various voltage and communication standards. These devices offer an extreme flexibility because they can be re-programmed in the field, hence they allow to comply with new needs or to improve an existing design (or even to post-correct design errors). Circuits can be described using high-level languages without a need for a long and expensive design process to be implemented as required for ASICs. Designers can use the same development environments and description languages through different devices (of the same vendor) and for different projects, providing very short time to market. Flexibility is obtained storing the device configuration to implement a desired circuit in a configuration memory, and based on used memory technology we can identify SRAM-based FPGAs and Flash-based FPGAs. All these facts have spread FPGA use into various sectors, including harsh radiation environments and safety-critical applications. For example, in space application, their use is constantly increasing, because FPGAs can comply with increasing computational needs – image processing, telecommunication – and their re-configurability can extend an application’s lifespan. Unfortunately, a great disadvantage of these devices is their sensitivity to radiation effects. As well, technology scaling along with the introduction of new material and new embedded structures is exacerbating radiation reliability issues. A citation of Robert Baumann, fellow IEEE, clearly expresses the reliability problem related to radiation: “Soft errors induce the highest failure rate of all other reliability mechanisms combined.” Any radiation-induced effects these devices suffer depend on various factors. In particular, configuration memory technology and the technological process node. In this scenario, it is very important to understand failure modes of FPGAs to provide a more suitable mitigation technique to preserve their correct circuit functionalities. This Thesis is a studying of radiation-induced effects on FPGAs. Testing radiation sensitivity of such devices is a complex process. First, specific platforms have to be developed to monitor a device’s behavior and its implemented circuit under a radiation source. Further, data analysis is complicated by a lack of detailed physical information from manufacturers. In this work, we present complete experimental methodologies to study radiation effects on FPGAs, analyzing any induced errors and decoding affected resources. Detailed analysis of these failure modes has been carried out; in particular, this work has targeted two different FPGA technologies: • SRAM-based FPGAs, such as Xilinx Spartan-3 devices; and • Flash-based FPGAs, such as Actel ProASIC3 devices. As their names suggest, these devices use different kinds of memory to store device configuration, and hence, different phenomena affect these two FPGA families. After a review of radiation-induced events, we present an analysis of mitigation techniques at design level. In particular, we focused on Triple Modular Redundancy, TMR, and Redundant Residue Number System, RRNS, implementations in SRAM-based FPGAs. Both techniques intend to increment a design’s reliability using additional information to detect and mask faults to the external world. This presented work has been made possible thanks to collaboration with Politecnico di Torino and Università Tor Vergata, Rome. The Thesis is organized as follows: • Chapter 1 is a brief overview of radiation and its effects on electronics; • Chapter 2 describes radiation-induced effects on SRAM-based FPGAs. In particular, irradiation experiments to understand and analyze the induced failure modes are presented. These tests have focused on Xilinx Spartan-3 devices; we have irradiated this FPGA with neutrons, heavy ions and alpha particles; • Chapter 3 presents studies on hardening-by-design techniques implemented in SRAM-based FPGAs. The impact of error accumulation in their configuration memory is analyzed on different implementations of the TMR scheme. Furthermore, a hardening technique based on modular arithmetic, RRNS, to implement a totally fault-tolerant FIR filter is presented, proving its effectiveness. Finally, a methodology to study the impact of multiple bit upsets on TMR circuits is proposed; • Chapter 4 focuses on Single Event Effects on Flash-based FPGAs. The studied event in this kind of FPGA is the Single Event Transient phenomenon. Irradiation tests to measure induced transient pulse width are presented. Further experiments to assess SET impact in real-like circuits are reported; and • Chapter 5 discusses the results gathered in this work.

Le Field Programmable Gate Array (FPGA) sin dalla loro introduzione nel mercato presentarono un modo davvero innovativo nell’implementazione di circuiti hardware. La proprietà fondamentale di questi circuiti integrati è la possibilità di personalizzazione delle funzionalità dopo il processo produttivo da parte dell’utente finale. L’architettura generale di una FPGA è composta di elementi configurabili che possono essere programmati per implementare funzionalità base di logica combinatoria e/o sequenziale. Una struttura configurabile d’interconnessioni permette di connettere questi elementi per l’implementazione di circuiti complessi. Inoltre, blocchi di input/output gestiscono l’interfacciamento con il mondo esterno, permettendo la possibilità di configurare vari livelli di tensione e standard di comunicazione. Questa tipologia di dispositivi offre una flessibilità estrema e possono essere riprogrammati anche nel sistema finale, quindi permettendo di rendere un design esistente conforme a nuovi requisiti, migliorarlo o addirittura correggere errori progettuali. I circuiti possono essere descritti utilizzando linguaggi ad alto livello e la loro implementazione, non richiede il lungo e costoso processo di design come per la tecnologia ASIC. Gli sviluppatori possono usare il medesimo ambiente di sviluppo e linguaggio di descrizione per diversi progetti e differenti dispositivi (dello stesso produttore) fornendo rapidi tempi d’ingegnerizzazione per collocare il prodotto sul mercato. La flessibilità è ottenuta memorizzando le informazioni della configurazione del dispositivo per implementare il circuito desiderato in una memoria dedicata, detta di configurazione. In base alla tecnologia utilizzata per la memoria, si possono distinguere FPGA basate su memoria RAM statica e quelle basate su memoria flash non volatile. Tutte queste proprietà hanno diffuso l’utilizzo delle FPGA in vari settori anche per applicazioni operanti in ambienti soggetti a livelli di radiazione e per applicazioni safety-critical. A esempio, in ambito spaziale, l’utilizzo delle FPGA è in costante incremento in quanto questi dispositivi possono adempiere la costante crescita di richiesta di calcolo computazionale (come nelle applicazioni di elaborazione digitale delle immagini e di telecomunicazione) e le proprietà di ri-configurabilità possono estendere la vita di un’applicazione. Sfortunatamente, un grosso svantaggio di questi dispositivi è la loro sensibilità agli effetti della radiazione. Inoltre, l’evoluzione della tecnologia e allo stesso tempo l’introduzione di nuovi materiali e nuove strutture stanno esacerbando problemi di affidabilità riguardanti la radiazione. Una citazione di Rober Baumann, fellow IEEE, chiaramente esprime i problemi di affidabilità riguardanti la radiazione: “Gli errori indotti dalla radiazione inducono un tasso di errore più alto di tutti gli altri meccanismi relativi affidabilità messi assieme” Gli effetti indotti dalla radiazione in questi dispositivi dipendono da vari fattori: in particolare dalla tecnologia usata per la memoria di configurazione e il nodo tecnologico utilizzato per la produzione. In questo scenario è davvero importante capire le modalità di fallimento delle FPGA, in modo tale da fornire la più appropriata tecnica di irrobustimento ai fini di preservare la corretta funzionalità del circuito implementato. Scopo di questa tesi è lo studio degli effetti indotti dalla radiazione su FPGA. Testare la sensibilità della radiazione per questi dispositivi è un processo complesso. Prima di tutto, specifiche piattaforme devono essere sviluppate per monitorare i funzionamenti del dispositivo e del circuito implementato sotto irraggiamento. Inoltre, l’analisi dei dati non è immediata a causa di mancanza di dettagliate informazioni sul layout fisico da parte dei produttori. In questo lavoro sono presentate delle complete metodologie per lo studio degli effetti di radiazione, analizzando gli errori indotti e codificando le risorse interne affette. Dettagliate analisi delle modalità di guasto sono state svolte: in particolare questo lavoro focalizza su due differenti tecnologie di FPGA: • FPGA basate su RAM statica come i dispositivi Spartan-3 prodotti da Xilinx; • FPGA basate su memoria Flash come i dispositivi ProAsic3 prodotti da Actel. Questi dispositivi utilizzano differenti tipologie di memoria per mantenere la configurazione interna e quindi, differenti fenomeni affliggono le due famiglie di FPGA. In seguito allo studio degli eventi indotti dalla radiazione, sono presentate analisi di alcune tecniche di mitigazione a livello di design. In particolare, ci siamo focalizzati nella ridondanza tripla modulare (TMR) e sistemi numerici ridondanti basati sui residui (RRNS) implementati in FPGA basate su RAM statica. L’intento di entrambe le tecniche è incrementare l’affidabilità dell’applicazione utilizzando informazioni addizionali per rivelare e mascherare i guasti al mondo esterno. I lavori presentati sono stati resi possibili grazie alla collaborazione con il Politecnico di Torino e l’università di Roma Tor Vergata. La tesi è organizzata come segue: • Il Capitolo 1 presenta una breve panoramica della radiazione e i suoi effetti nell’elettronica; • Il Capitolo 2 presenta gli effetti della radiazione su FPGA basate su memoria RAM statica. In particolare sono presentati esperimenti per capire e analizzare le modalità di guasto indotte dalla radiazione. I test eseguiti hanno utilizzato dispositivi Xilinx Spartan-3 che sono stati irraggiati con neutroni, ioni pesanti e particelle alfa; • Nel Capitolo 3 sono presentati studi riguardanti tecniche di irrobustimento a livello di design per circuiti implementati in FPGA basate su RAM statica. L’impatto dell’accumulo di errori nella memoria di configurazione è stato analizzato in funzione a differenti schemi d’implementazione della ridondanza tripla modulare. Inoltre, una tecnica di irrobustimento basata sull’aritmetica modulare (RRNS) è presentata per implementare un filtro totalmente tollerante ai guasti. Il capitolo conclude proponendo una metodologia per lo studio dell’impatto di eventi multipli in circuiti TMR; • Il Capitolo 4 verte sullo studio degli effetti da evento singolo per FPGA basate su memoria di tipo flash. Il particolare evento studiato su questi dispositivi è il fenomeno dei transienti. Sono presentati test d’irraggiamento per la misura della durata dei transienti indotti dalla radiazione. Nell’ultima parte del capitolo sono riportati ulteriori esperimenti per stimare l’impatto dei transienti indotti su circuiti simili a quelli realmente utilizzati (ossia, diversi da specifiche strutture di test). • Il Capito 5 conclude la tesi discutendo in modo generale i risultati raccolti in questo lavoro.