Methoden für Standardzellbasiertes Design und Implementierung zuverlässiger und robuster Hardware Systeme

Autor: Schrape, Oliver
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
Popis: Reliable and robust data processing is one of the hardest requirements for systems in fields such as medicine, security, automotive, aviation, and space, to prevent critical system failures caused by changes in operating or environmental conditions. In particular, Signal Integrity (SI) effects such as crosstalk may distort the signal information in sensitive mixed-signal designs. A challenge for hardware systems used in the space are radiation effects. Namely, Single Event Effects (SEEs) induced by high-energy particle hits may lead to faulty computation, corrupted configuration settings, undesired system behavior, or even total malfunction. Since these applications require an extra effort in design and implementation, it is beneficial to master the standard cell design process and corresponding design flow methodologies optimized for such challenges. Especially for reliable, low-noise differential signaling logic such as Current Mode Logic (CML), a digital design flow is an orthogonal approach compared to traditional manual design. As a consequence, mandatory preliminary considerations need to be addressed in more detail. First of all, standard cell library concepts with suitable cell extensions for reliable systems and robust space applications have to be elaborated. Resulting design concepts at the cell level should enable the logical synthesis for differential logic design or improve the radiation-hardness. In parallel, the main objectives of the proposed cell architectures are to reduce the occupied area, power, and delay overhead. Second, a special setup for standard cell characterization is additionally required for a proper and accurate logic gate modeling. Last but not least, design methodologies for mandatory design flow stages such as logic synthesis and place and route need to be developed for the respective hardware systems to keep the reliability or the radiation-hardness at an acceptable level. This Thesis proposes and investigates standard cell-based design methodologies and techniques for reliable and robust hardware systems implemented in a conventional semi-conductor technology. The focus of this work is on reliable differential logic design and robust radiation-hardening-by-design circuits. The synergistic connections of the digital design flow stages are systematically addressed for these two types of hardware systems. In more detail, a library for differential logic is extended with single-ended pseudo-gates for intermediate design steps to support the logic synthesis and layout generation with commercial Computer-Aided Design (CAD) tools. Special cell layouts are proposed to relax signal routing. A library set for space applications is similarly extended by novel Radiation-Hardening-by-Design (RHBD) Triple Modular Redundancy (TMR) cells, enabling a one fault correction. Therein, additional optimized architectures for glitch filter cells, robust scannable and self-correcting flip-flops, and clock-gates are proposed. The circuit concepts and the physical layout representation views of the differential logic gates and the RHBD cells are discussed. However, the quality of results of designs depends implicitly on the accuracy of the standard cell characterization which is examined for both types therefore. The entire design flow is elaborated from the hardware design description to the layout representations. A 2-Phase routing approach together with an intermediate design conversion step is proposed after the initial place and route stage for reliable, pure differential designs, whereas a special constraining for RHBD applications in a standard technology is presented. The digital design flow for differential logic design is successfully demonstrated on a reliable differential bipolar CML application. A balanced routing result of its differential signal pairs is obtained by the proposed 2-Phase-routing approach. Moreover, the elaborated standard cell concepts and design methodology for RHBD circuits are applied to the digital part of a 7.5-15.5 MSPS 14-bit Analog-to-Digital Converter (ADC) and a complex microcontroller architecture. The ADC is implemented in an unhardened standard semiconductor technology and successfully verified by electrical measurements. The overhead of the proposed hardening approach is additionally evaluated by design exploration of the microcontroller application. Furthermore, the first obtained related measurement results of novel RHBD-∆TMR flip-flops show a radiation-tolerance up to a threshold Linear Energy Transfer (LET) of 46.1, 52.0, and 62.5 MeV cm2 mg-1 and savings in silicon area of 25-50 % for selected TMR standard cell candidates. As a conclusion, the presented design concepts at the cell and library levels, as well as the design flow modifications are adaptable and transferable to other technology nodes. In particular, the design of hybrid solutions with integrated reliable differential logic modules together with robust radiation-tolerant circuit parts is enabled by the standard cell concepts and design methods proposed in this work.
Eine zuverlässige und robuste Datenverarbeitung ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für Systeme in Bereichen wie Medizin, Sicherheit, Automobilbau, Luft- und Raumfahrt, um kritische Systemausfälle zu verhindern, welche durch Änderungen der Betriebsbedingung oder Umweltgegebenheiten hervorgerufen werden können. Insbesondere Signalintegritätseffekte (Signal Integrity (SI)) wie das Übersprechen und Überlagern von Signalen (crosstalk) können den Informationsgehalt in empfindlichen Mixed-Signal-Designs verzerren. Eine zusätzliche Herausforderung für Hardwaresysteme für Weltraumanwendungen ist die Strahlung. Resultierende Effekte, die durch hochenergetische Teilchentreffer ausgelöst werden (Single Event Effects (SEEs)), können zu fehlerhaften Berechnungen, beschädigten Konfigurationseinstellungen, unerwünschtem Systemverhalten oder sogar zu völliger Fehlfunktion führen. Da diese Anwendungen einen zusätzlichen Aufwand beim Entwurf und der Implementierung erfordern, ist es von Vorteil, über Standardzellenentwurfskonzepte und entsprechende Entwurfsablaufmethoden zu verfügen, die für genau solche Herausforderungen optimiert sind. Insbesondere für zuverlässige, rauscharme differenzielle Logik, wie der Current Mode Logic (CML), ist ein digitaler Entwurfsablauf ein orthogonaler Ansatz im Vergleich zum traditionellen manuellen Entwurfskonzept. Infolgedessen müssen obligatorische Vorüberlegungen detaillierter behandelt werden. Zunächst sind Konzepte für Standardzellbibliotheken mit geeigneten Zellerweiterungen für zuverlässige Systeme und robuste Raumfahrtanwendungen zu erarbeiten. Daraus resultierende Entwurfskonzepte auf Zellebene sollten die logische Synthese für den differenziellen Logikentwurf ermöglichen oder die Strahlungshärte eines Designs verbessern. Parallel dazu sind die Hauptziele der vorgeschlagenen Zellarchitekturen, die Verringerung der genutzten Siliziumfläche und der Verlustleistung sowie den Verzögerungs-Overhead zu minimieren. Zweitens ist ein spezieller Aufbau für die Charakterisierung von Standardzellen erforderlich, um eine angemessene und genaue Modellierung der Logikgatter zu ermöglichen. Nicht zuletzt müssen für die jeweiligen Hardwaresysteme Methoden für die Entwurfsphasen wie Logik-Synthese und das Platzieren und Routen (Place and Route (PnR)) entwickelt werden, um die Zuverlässigkeit beziehungsweise die Strahlungshärte auf einem akzeptablen Niveau zu halten. In dieser Arbeit werden standardisierte Zellen-basierte Entwurfsmethoden und -techniken für zuverlässige und robuste Hardwaresysteme vorgeschlagen und untersucht, welche in einer herkömmlichen Halbleitertechnologie implementiert werden. Dabei werden zuverlässige differenzielle Logikschaltungen und robuste strahlungsgehärtete Schaltungen betrachtet. Die synergetischen Verbindungen des digitalen Entwurfs werden systematisch für diese beiden Hardwaresysteme behandelt. Im Detail wird eine Bibliothek für differentielle Logik mit Single-Ended-Pseudo-Gattern für Zwischenschritte erweitert, die die Logiksynthese und Layout-Generierung mit heutigen Entwicklungswerkzeugen unterstützen. Ein spezieller Rahmen für das Layout der Zellen wird vorgeschlagen, um das Routing der Signale zu vereinfachen. Die Bibliothek für Raumfahrtanwendungen wird in ähnlicher Weise um neuartige Radiation-Hardening-by-Design (RHBD)-Zellen mit dreifacher modularer Redundanz (Triple Modular Redundancy (TMR)) erweitert, welche eine 1-Bit-Fehlerkorrektur erlaubt. Zusätzlich werden optimierte Architekturen für Glitch-Filterzellen, robuste abtastbare (scannable) und selbstkorrigierende Flip-flops und Taktgatter (clock-gates) vorgeschlagen. Die Schaltungskonzepte, die physische Layout-Repräsentation der differentiellen Logikgatter und der vorgeschlagenen RHBD-Zellen werden diskutiert. Die Qualität der Ergebnisse der Entwürfe hängt jedoch implizit von der Genauigkeit der Standardzellencharakterisierung ab, die daher für beide Typen untersucht wird. Der gesamte Entwurfsablauf wird von der Entwurfsbeschreibung der Hardware bis hin zur generierten Layout-Darstellung ausgearbeitet. Infolgedessen wird ein 2-Phasen-Routing-Ansatz zusammen mit einem zwischengeschalteten Design-Konvertierungsschritt nach der initialen PnR-Phase für zuverlässige, differentielle Designs vorgeschlagen, während ein spezielles Constraining für RHBD-Anwendungen vorgestellt wird. Der digitale Entwurfsablauf für Differenziallogik wird erfolgreich an einer zuverlässigen bipolaren Differenzial-CML-Anwendung demonstriert. Durch den 2-Phasen-Routing-Ansatz wird ein ausgewogenes Routing-Ergebnis differentieller Signalpaare erzielt. Darüber hinaus werden die erarbeiteten Standardzellenkonzepte und die Entwurfsmethodik für RHBD-Schaltungen auf den digitalen Teil eines 7.5-15.5MSPS 14-bit Analog-Digital-Wandlers (ADC) und einer komplexen Mikrocontroller-Architektur angewandt. Der ADC wurde in einer nicht-gehärteten Standard-Halbleitertechnologie implementiert und erfolgreich durch elektrische Messungen verifiziert. Der Mehraufwand des Härtungsansatzes wird zusätzlich durch Design Exploration der Mikrocontroller-Anwendung bewertet. Ferner zeigen erste Messergebnisse der neuartigen RHBD-ΔTMR-Flip-flops eine Strahlungstoleranz bis zu einem linearen Energietransfer (Linear Energy Transfers (LET)) Schwellwert von 46.1, 52.0 und 62.5MeVcm2 mg-1 und eine Einsparung an Siliziumfläche von 25-50% für ausgewählte TMR-Standardzellenkandidaten. Die vorgestellten Entwurfskonzepte auf Zell- und Bibliotheksebene sowie die Änderungen des Entwurfsablaufs sind anpassbar und übertragbar auf andere Technologieknoten. Insbesondere der Entwurf hybrider Lösungen mit integrierten zuverlässigen differenziellen Logikmodulen zusammen mit robusten strahlungstoleranten Schaltungsteilen wird durch die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Konzepte und Entwurfsmethoden ermöglicht.
Databáze: OpenAIRE
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