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

This Manuscript presents a new low-cost test setup for the radiation tests of System on Chips composed of different functional modules of different nature. Particular attention is given to radiation experiments results of embedded SRAM cores, embedded logic cores and embedded microprocessor cores, highlighting the dissimilar test protocols required to characterize their sensitivity to radiation. The main issues when testing a System on Chip are the cores reduced accessibility and the physical constraints test facilities may impose to the test setup. Manufacturers heavily employ Design for Testability techniques, based on built-in test structures, to enable exhaustive devices testing while minimizing application costs. We reused some of the Design for Testability built-in structures to deeply characterize the cores composing the System on Chip and the overall chip behaviours when exposed to radiation. Our strategy can be applied to any kind of integrated core, and we also present some guidelines on how built-in structures may be fruitfully applied to radiation experiments. Moreover, the monolithic shape of our test board makes it easy to be mounted in most of available particle accelerators chambers or radiation test facilities. As the test structures are built-in and thanks to the efficient interfaces strategy that takes advantage of both JTAG and Wrappers standards, tests are performed at high frequency, thus avoiding Single Event Transients underestimation, but without the need of high-speed connections between a host PC and the DUT, drastically reducing the overall setup costs. This thesis also shows and discusses the results gained during massive radiation experiments campaigns on the available System on Chip manufactured by STMicroelectronics in a 90 nm CMOS technology. As device is meant to be part of a complex automotive design, it may be affected by ground level radiation. We then exposed the chips both to neutron and alpha particles fluxes. With our low-cost setup we measured the SRAM core cross section to alphas and neutrons, and found out that the former one is higher than the latter. We have also characterized the microprocessors behaviour when exposed to alphas. The static test stated that registers flip-flops have a higher radiation induced error rate with respect to code and user RAM one. This result is of great importance, and should be taken into account when building a fault-injection platform. To understand how the corruption of the different memory resources affects codes executions, we designed different benchmark codes and performed a dynamic test. Results demonstrate that, in a typical application, the bit-flips in the code RAM are definitely predominant with respect to the ones in registers. Moreover, we show how code RAM and register bits are not always critical, and their corruption does not necessarily propagate to outputs. Finally, we have considered hardening techniques efficiency and costs. In particular, we have studied how Design For Manufacturing layout modifications and Triple Module Redundancy affect the radiation sensitivity of microprocessors. We considered chips built with different Design For Manufacturing maturity levels, and experimental results demonstrate that an higher level of optimization enhances the resilience to alpha radiation. Hardening techniques, however, come to a cost. The decision on which hardening technique to adopt when building a complex device is a hard-earned trade-off between costs, performance and, of course, reliability. Mitigation strategies for a product then depends on its requirements and on its mission environment.

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.