Design of an Innovative GALS (Globally Asynchronous Locally Synchronous), Non-Volatile Integrated Circuit for Space Applications

par Jeremy Lopes

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et micro-électroniques

Sous la direction de Lionel Torres.

Soutenue le 18-09-2017

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Laboratoire d'Informatique de Robotique et de Microélectronique de Montpellier / LIRMM (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Conception de Circuit Intégré Innovant GALS (Globally Asynchronous Locally Synchronous) Non-Volatile pour Application Spatiale


  • Résumé

    Aujourd'hui, il existe plusieurs façons de développer des circuits microélectroniques adaptés aux applications spatiales qui répondent aux contraintes sévères de l'immunité contre les radiations, que ce soit en termes de technique de conception ou de processus de fabrication. Le but de ce doctorat est d'une part de combiner plusieurs techniques nouvelles de microélectronique pour concevoir des architectures adaptées à ce type d'application et d'autre part, d'incorporer des composants magnétiques non-volatiles intrinsèquement robustes aux rayonnements. Un tel couplage serait tout à fait novateur et profiterait sans précédent, en termes de surface, de consommation, de robustesse et de coût.Contrairement à la conception de circuits synchrones qui reposent sur un signal d'horloge, les circuits asynchrones ont l'avantage d'être plus ou moins insensibles aux variations temporel résultant par exemple des variations du processus de fabrication. En outre, en évitant l'utilisation d'une horloge, les circuits asynchrones ont une consommation d'énergie relativement faible. Les circuits asynchrones sont généralement conçus pour fonctionner en fonction des événements déterminés grâce à un protocole de "poignée de main" spécifique.Pour les applications avioniques et spatiales, il serait souhaitable de fournir un circuit asynchrone rendu robuste contre les effets des radiations. En effet, la présence de particules ionisantes à haute altitude ou dans l'espace peut induire des courants perturbateurs dans des circuits intégrés qui peuvent être suffisants pour provoquer un basculement à l'état binaire maintenu par une ou plusieurs grilles. Cela peut provoquer un dysfonctionnement du circuit, connu dans l'état de l'art en tant que single event upset (SEU). Il a été proposé de fournir un module redondant double (Dual Modular Redundency: DMR) ou un module redondant triple (Tripple Modular Redundcy: TMR) dans une conception de circuit asynchrone afin de fournir une protection contre les radiations. De telles techniques s'appuient sur la duplication du circuit dans le cas de DMR, ou en triplant le circuit dans le cas de TMR, et en détectant une discordance entre les sorties des circuits comme indication de l'apparition d'une SEU.L'intégration de composants non-volatils intrinsèquement robustes, tels que les jonctions de tunnel magnétique (JTM), l'élément principal de la mémoire MRAM, pourrait conduire à de nouvelles façons de retenir les données dans des environnements difficiles. Les dispositifs JTM sont constitués de matériaux ferromagnétiques avec des propriétés magnétiques qui ne sont pas sensibles aux rayonnements. Les données sont stockées sous la forme de la direction de l'aimantation et non sous la forme d'une charge électrique, qui est une propriété essentielle pour les applications spatiales. Il est également largement reconnu dans le domaine de la microélectronique que les circuits intégrés fabriqués sur les substrats SOI (Silicon On Insulator) sont plus robustes aux radiations.Il existe donc un besoin dans l'état de l'art pour un circuit ayant une surface et une consommation d'énergie relativement faibles, et qui permet une récupération après un SEU sans nécessiter de réinitialisation et qui présente des caractéristiques non-volatiles. L'objectif de ce doctorat est de combiner tous les avantages mentionnés ci-dessus en regroupant plusieurs méthodes de conception microélectronique répondant aux contraintes des applications spatiales dans une nouvelle architecture. Un Circuit complet a été imaginé, conçu, simulé et envoyé en fabrication. Ce circuit est composé d'un pipeline asynchrone d'additionneur et d'un test intégré complexe connu sous le nom de BIST (Built In Self Test). Apres fabrication, ce circuit sera testé. Premièrement des tests fonctionnels vont être réalisés, puis des tests sous laser pulsé seront menés ainsi que sous attaques aux ions lourds.


  • Résumé

    Today, there are several ways to develop microelectronic circuits adapted for space applications that meet the harsh constraints of immunity towards radiation, whether in terms of technical design or manufacturing process. The aim of this doctorate is on the one hand to combine several novel techniques of microelectronics to design architectures adapted to this type of application, and on the other hand to incorporate non-volatile magnetic components inherently robust to radiation. Such an assembly would be quite innovative and would benefit without precedent, in terms of surface, consumption, robustness and cost.In contrast with synchronous circuit designs that rely on a clock signal, asynchronous circuits have the advantage of being more or less insensitive to delay variations resulting for example from variations in the manufacturing process. Furthermore, by avoiding the use of a clock, asynchronous circuits have relatively low power consumption. Asynchronous circuits are generally designed to operate based on events determined using a specific handshake protocol.For aviation and/or spatial applications, it would be desirable to provide an asynchronous circuit that is rendered robust against the effects of radiation. Indeed, the presence of ionising particles at high altitudes or in space can induce currents in integrated circuits that may be enough to cause a flip in the binary state held by one or more gates. This may cause the circuit to malfunction, known in the art as a single event upset (SEU). It has been proposed to provide dual modular redundancy (DMR) or triple modular redundancy (TMR) in an asynchronous circuit design in order to provide radiation protection. Such techniques rely on duplicating the circuit in the case of DMR, or triplicating the circuit in the case of TMR, and detecting a discordance between the outputs of the circuits as an indication of the occurrence of an SEU.The integration of inherently robust non-volatile components, such as Magnetic Tunnel Junctions (MTJ), the main element of MRAM memory, could lead to new ways of data retention in harsh environments. MTJ devices are constituted of ferromagnetic materials with magnetic properties that are not sensitive to radiation. Data is stored in the form of the direction of the magnetisation and not in the form of an electric charge, which is an essential property for space applications. It is also widely recognised in the field of microelectronics that integrated circuits manufactured on SOI (Silicon On Insulator) substrates are more robust to radiation.There is thus a need in the art for a circuit having relatively low surface area and power consumption, and that allows recovery following an SEU without requiring a reset and that has non-volatile characteristics. The objective of this doctorate is to combine all the above mentioned benefits by regrouping several methods of microelectronic design responding to the constraints of space applications into a novel architecture. A complete circuit has been created, designed, simulated, validated and sent to manufacturing in a 28nm FD-SOI process. This circuit is composed of an adder pipeline and a complex BIST (Build In Self Test). When fabricated, this circuit will be tested. First a functional test will be realised, then laser pules attacks will be performed and finally a heavy ions attack campaign.


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