Analyse et amélioration de la robustesse des circuits asynchrones QDI

par Florent Ouchet

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Laurent Fesquet et de Katell Morin-Allory.

Soutenue le 02-12-2011

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Techniques de l'Informatique et de la Microélectronique pour l'Architecture d'ordinateurs (équipe de recherche) .

Le président du jury était Lorena Anghel.

Le jury était composé de Laurent Fesquet, Katell Morin-Allory, Yves Leduc, Beatrice Sala, Thibaud Delahaye.

Les rapporteurs étaient Sylvie Renaud, Michel Robert, Bengt Jonsson.


  • Résumé

    La conception de circuits intégrés asynchrones, notamment de circuits QDI (Quasi-Delay Insensitive), offrent la possibilité de disposer de circuits très robustes aux conditions environnementales (tension, température) ainsi qu'aux variations des procédés de fabrication. Ces bonnes propriétés sont dues à une conception ne comportant pas d'hypothèses temporelles à l'exception de la fourche isochrone --hypothèse finalement très faible. Ainsi, une variation de la tension se traduit par une réduction de la vitesse de fonctionnement sans pour autant altérer la fonctionnalité du circuit. Cette thèse étudie la robustesse des circuits asynchrones dans des environnements de fonctionnement très sévères susceptibles de mettre en défaut la correction fonctionnelle des circuits asynchrones QDI. Cette situation se présente par exemple quand les transitions des signaux sur les portes deviennent très lentes. Cette situation exceptionnelle peut-être directement provoquée par un environnement agressif (émission électromagnétique, particules à haute énergie, ...) ou par les effets du vieillissement du circuit intégré. Dans un contexte où le circuit est employé à des fins sécuritaires telles que les applications aéronautiques, spatiales ou médicales, il s'avère nécessaire de quantifier les limites de fonctionnement des circuits asynchrones et de trouver des moyens pour améliorer leur robustesse. Ce manuscrit propose une étude complète du comportement des circuits asynchrones et propose des techniques de conception pour en améliorer la robustesse. Les résultats obtenus ont été validés sur des technologies CMOS avancées de ST Microelectronics par des simulations analogiques d'une part, et avec l'aide d'un outil de preuve formelle développé à l'Université British Columbia au Canada d'autre part.

  • Titre traduit

    Robustness analysis and improvement of QDI self-timed circuits


  • Résumé

    The design of self-timed integrated circuits, including QDI (Quasi-Delay Insensitive) circuits, lead to robust circuits against variabilities in manufacturing processes and in running conditions (voltage, temperature). These qualities are consequences of the synthesys flow that does not create timing assumptions excepted a weak one related to isochronic forks. In self-timed circuits, the running speed automatically adjusts to the available supply voltage with no behavioral changes. This work focuses on the self-timed circuit robustness in the context of environments where running conditions can make QDI self-timed circuits failing. For instance, this happens when transition speeds at gate entrances become very slow. This uncommonly encountered situation can be triggered in harsh environments (with electromagnetic disturbences, high-energy particulesdots) or because of age effects on manufactured chips. If the integrated circuit is designed for critical operations such as in aeronautical, spatial or medical applications, the self-timed circuit limits have to be carrefully evaluated and eventually shifted in order to improve the circuit robustness. This publication includes a complete study of the self-timed circuit behaviors and some design proposals in order to enhance the circuit robustness. Experimental results were obtained firstly, during analog simulations targetting advanced CMOS technologies from STMicroelectronics and secondly, using formal methods implemented in a tool from the University of British Columbia.


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