Caracterização de circuitos programáveis e sistemas em chip sob radiação

Abstract

Este trabalho consiste em um estudo acerca dos efeitos da radiação em circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SoC), baseados em FPGAs (Field-Programmable Gate Array). Dentre os diversos efeitos que podem ensejar falhas nos circuitos integrados, destacam-se a ocorrência de Single Event Effects (SEEs), Efeitos Transitórios em tradução livre, e a Dose Total Ionizante, do inglês Total Ionizing Dose (TID). SEEs podem ocorrer em razão da incidência de nêutrons originários de interações de raios cósmicos com a atmosfera terrestre, íons pesados provenientes do espaço e prótons originários do Sol (vento solar) e dos cinturões de Van Allen. A Dose Total Ionizante diz respeito à exposição prolongada de um circuito integrado à radiação ionizante e cuja consequência é a alteração das características elétricas de partes do dispositivo em razão das cargas elétricas induzidas pela radiação e acumuladas nas interfaces dos semicondutores. Dentro desse contexto, este trabalho descreve em detalhes a caracterização do SoC-FPGA baseado em memória FLASH e de sinais mistos SmartFusion A2F200-FG484, da empresa Microsemi, quando exposto à radiação (SEEs e TID) através do uso da técnica de Redundância Diversificada visando a detecção de erros. Também, uma arquitetura que utiliza um esquema baseado em Redundância Modular Tripla e Diversificada é testada através da sua implementação no FPGA baseado em memória SRAM da família Spartan-6, modelo LX45, da empresa Xilinx, visando a detecção e correção de erros causados pela radiação (SEEs). Os resultados obtidos mostram que os diversos blocos funcionais que compõe SoC SmartFusion apresentam diferentes níveis de tolerância à radiação e que o uso das técnicas de Redundância Modular Tripla e Redundância Diversificada em conjunto mostrou-se extremamente eficiente no que se refere a tolerância a SEEs.

This work consists in a study about the radiation effects in programmable circuits and System-on-Chips (SoCs) based on FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays). Single Event Effects (SEEs) and Total Ionizing Dose (TID) are the two main effects caused by the radiation incidence, and both can imply in the occurrence of failures in integrated circuits. SEEs are due to the incidence of neutrons derived from the interaction of the cosmic rays with the terrestrial atmosphere, as well as heavy ions coming from the space and protons provided from the solar wind and the Van Allen belts. Total Ionizing Dose regards the prolonged exposure of an integrated circuit to the ionizing radiation, which deviates the standard electrical characteristics of the device due to radiation-induced electrical charges accumulated in the semiconductors’ interfaces. In this context, this work aims to describe in details the characterization of Microsemi’s mixed-signal SoC-FPGA SmartFusion A2F200-FG484 when exposed to radiation (SEEs and TID), using a Diverse Redundancy approach for error detection. As well, an architecture using a Diversified Triple Modular Redundancy scheme was tested (SEEs) through its implementation in a Xilinx’s Spartan-6 LX45 FPGA, aiming error detection and correction. The results obtained show that several functional blocks from SmartFusion have different radiation tolerance levels and that the use of the Triple Modular Redundancy together with Diversified Redundancy proved to be extremely efficient in terms of SEEs tolerance.