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Capítulo 4

Inyección de fallos

“Conoce a tu adversario y conócete a ti mismo, y vencerás en cien batallas”

- Sun – Tzu, Pensador Chino

Las consecuencias de la radiación espacial sobre los circuitos integrados han quedado claras a lo largo de las explicaciones expuestas en las páginas anteriores, así como su cada vez mayor repercusión e importancia, incluso en circuitos que operan al nivel del mar. Es por ello por lo que se crea la necesidad de probar cómo será el comportamiento de los circuitos que salen al mercado ante los fallos inducidos por la radiación y que pueden darse a lo largo de la vida útil del componente.

En este capítulo abordaremos los distintos métodos que existen a la hora de inyectar fallos, que pueden ir desde la simulación del comportamiento de las partículas ionizantes a nivel de transistor hasta la simulación de inyección de fallos a nivel de sistema. Cada técnica tiene, como es lógico, sus pros y sus contras, y habrá que usar para cada una la herramienta más apropiada.

Lo que tienen en común todas estas técnicas es que su funcionamiento radica en la inyección de fallos controlados en el modelo de los transistores de los dispositivos y el análisis del efecto de los mismos en la salida del sistema. Con esto se comprueba cómo de robusto será la arquitectura de nuestro

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dispositivo ante posibles errores de radiación, y sabremos en qué medida deberemos modificarlo para que los errores no alteren su comportamiento.

A continuación se introducirá la inyección de fallos mediante irradiación, que complementa a las nombradas anteriormente a la hora de analizar el comportamiento de un chip frente a radiación.

1. Inyección de fallos a nivel de transistor

Este tipo de inyección de fallos evalúa los efectos del entorno sobre el silicio de los dispositivos. Se hace un estudio muy específico de la distribución de la carga en la zona activa del componente, y el efecto que ésta tendrá sobre las propiedades eléctricas del mismo, mediante modelos en dos y tres dimensiones o modelos eléctricos a nivel de transistor, con herramientas tipo SPICE.

Las simulaciones basadas en modelos de las características del componente a nivel físico en dos y tres dimensiones no ha sido posible hasta hace poco tiempo [Hube00], puesto que hasta entonces no se disponía de la capacidad de cálculo necesaria para simular el efecto y distribución de las cargas en el silicio de un transistor tras el impacto de una partícula. La técnica se basa en tablas que recogen las trayectorias que seguirían los iones a través del silicio, comparando entre distintas tecnologías de fabricación, trayectorias y ángulos de incidencia de los mismos [Davi03] [Taur03] [Athe97] [Dess00]. Los cálculos de todas estas trayectorias conllevan la resolución de complicadas ecuaciones que harán que este método sea lento y consuma muchos recursos, proporcionando, eso sí, una gran precisión. De este modo, los diseñadores harán uso de él para analizar los nodos más vulnerables en sus circuitos y para conocer la mínima energía crítica de las partículas cargadas, pero nunca para hacer un análisis global del efecto de la radiación sobre todo su diseño, ya que el tiempo y el consumo de recursos necesario serían prohibitivos.

Otra posibilidad es la simulación del comportamiento a nivel eléctrico del transistor usando herramientas tipo SPICE. Como es lógico, para llevar esto a cabo, son necesarios una serie de modelos que hagan posible simular el comportamiento de los transistores frente a las distintas alteraciones sufridas por los efectos de la radiación. Una vez que los modelos se hayan programado de forma que se ajusten lo más posible al comportamiento real del transistor sometido a radiación, se ejecutará la simulación como se haría con cualquier otra de SPICE. Este método, aún siendo mucho más rápido que el comentado

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en el párrafo anterior, sigue siendo inadecuado a la hora de analizar diseños complejos, puesto que el análisis a nivel eléctrico de los transistores conlleva una serie de cálculos y consideraciones que conllevarían un consumo de recursos enorme.

En resumen, la inyección de fallos a nivel de transistor supone un método muy preciso, ajustándose mucho a lo que ocurrirá en la realidad, pero también será muy costoso en tiempo y recursos, ya que las simulaciones numéricas de dos y tres dimensiones, así como las eléctricas a nivel de transistor, requieren cálculos muy complejos, siendo la misma solo recomendable para circuitos con un número pequeño de transistores.

2. Inyección de fallos a nivel de registro

Este tipo de inyección de fallos consiste en evaluar la respuesta del dispositivo ante la presencia de errores por medio de herramientas de simulación. De esta forma, se induciría un cambio de estado en alguno de los registros que conforman nuestro diseño y observaríamos como el error se propaga hasta la salida, obteniendo así el efecto del fallo sobre nuestro diseño. Jugando con diferentes combinaciones de registros podríamos formar una librería amplia en la que se contemplarían todas las combinaciones de fallos que se han inducido y su efecto sobre la salida. De este modo, el diseñador puede comprobar cómo reaccionará su dispositivo frente a los distintos fallos y si su funcionalidad se va a ver afectada o no. Normalmente para estas técnicas se hace uso de modificaciones sobre el código VHDL que recoge la funcionalidad del circuito que queremos testar. Entre las distintas herramientas que realizan este tipo de inyección existen diversos modos de implementarlo, pero básicamente todas se basan en lo mismo [Jenn94] [Delon96] [Gil99].

Como se puede imaginar, esta técnica es mucho más rápida que la inyección de fallos a nivel de transistor, y es muy útil para que el diseñador pueda hacerse una idea de cómo van a influir los posibles errores de los registros en la salida de su diseño, de forma que las estadísticas que obtenga le permitan decidir si su diseño es robusto o necesita ser modificado para ajustarse a unas necesidades más estrictas.

Este tipo de inyección de fallos es el que se va a usar en el proyecto, merced a una herramienta desarrollada por un equipo del departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Sevilla, llamada FT-UNSHADES [Tomb04] [Agui05], que permite introducir fallos a nivel de registro, pero no

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mediante modificaciones en el código VHDL, sino en la implementación de la FPGA, lo cual hace que sea una herramienta novedosa y más potente que las nombradas anteriormente. Se comentará en detalle más adelante en el siguiente capítulo.

3. Inyección de fallos a nivel de sistema

Este método consiste en modelar el comportamiento del sistema a testar usando un lenguaje de alto nivel (normalmente se usa C++ [Gosw97]). Una vez que tenemos el modelo del sistema, lo que hacemos es ejecutarlo y simularlo, inyectando fallos en el mismo y obteniendo reportes en los que se manifestarán los efectos que han tenido estos fallos en la salida.

Con este método, habrá pocos detalles acerca de la implementación del sistema que estén disponibles, y por tanto deberemos usar modelos de fallos que simulen cuál va a ser el comportamiento de los distintos componentes del sistema ante un fallo que podamos introducir. De este modo, los fallos que podamos introducir dependerán de la librería de fallos que dispongamos o seamos capaces de crear.

La principal ventaja de este método es la rapidez y la flexibilidad que nos ofrecen los lenguajes de alto nivel, permitiendo introducir una gran cantidad de casuística y muchos tipos de errores en cualquier sistema por complejo que éste sea siempre y cuando seamos capaz de modelarlo en el lenguaje de programación que corresponda. De este modo, podremos extraer análisis ante fallos muy completos de sistemas complejos sin necesidad de consumir grandes recursos. Lógicamente ofrece un análisis del comportamiento global del sistema, puesto que el programa sólo tendrá en cuenta detalles funcionales del mismo, no arquitecturales.

En resumen, podemos ver que todos estos métodos expuestos se complementan entre sí, y que a lo largo de las diferentes etapas de diseño de un dispositivo que tenga que cumplir una serie de características frente a radiación, probablemente usaremos todas las técnicas expuestas, en función de la fase de diseño en la que nos encontremos.

4. Inyección de fallos mediante irradiación

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El propósito de este método es la de estudiar el comportamiento del circuito en las condiciones más parecidas a las que se va a encontrar en el exterior. De este modo, se bombardea el dispositivo con protones o iones pesados muy energéticos de forma controlada, con el objeto de provocar fallos en el mismo para saber con exactitud cuál va a ser el efecto que va a tener en él la radiación.

Existen diversas técnicas para irradiar, en función del efecto que queramos simular. Fundamentalmente se distinguen tres efectos a inducir: TiD (Total Ionising Dose), SEE (Single Event Effects) y DD (Displacement Damage). Para cada una de ellas detallaremos a continuación los distintos métodos existentes y las fuentes de radiación que son más adecuadas.

4.1. TiD (Total Ionising Dose)

Como se recordará, este fenómeno se produce debido a los efectos acumulativos inducidos por la exposición homogénea y continuada de a los protones y electrones de los anillos de radiación.

Para evaluar el TiD se han definido una serie de estándares de forma que establecen unas metodologías adaptadas a la evaluación de los dispositivos que simulan de la forma más aproximada posible el entorno que induce este fenómeno en los circuitos. Como es lógico, no es posible reproducir exactamente todo el medio de operación del dispositivo, y por tanto se escoge un medio conservativo de forma que garantice el correcto funcionamiento del dispositivo y que su fallo se deba solo a la exposición continuada. Las principales especificaciones de la ESA/SCC son la 22900 apartado 4 y la MIL-STD-883E 1019.5. En la tabla 4 se resumen las principales características de las mismas:

Método Fuente Tasa ataque Part Sample Bias

22900.4 Co60 o acelerador de electrones

Standard: 36 a 360 Gy/h Baja tasa: 0.36 a 3.6 Gy/h

10 + 1 ref. Peor Caso

1019.5 Co60 50 a 300 rad(Si)/s (1800 a 10800 Gy(Si)/h)

Sin espec. Peor Caso

Tabla 4.1: Principales condiciones de radiación según los estándares ESA y MIL

Vemos entonces que la principal diferencia se encuentra en la tasa de ataque con la que se trata uno y otro. En la práctica, a fin de agilizar el experimento, se usan tasas de radiación mayores que las que realmente

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existen en el espacio, lo que puede dar lugar a errores a la hora de evaluar la resistencia del dispositivo.

Existen diferentes fuentes de radiación que pueden ser adecuadas para inducir este fenómeno. Las más importantes, junto con sus ventajas y desventajas se recogen en la tabla 5.

Tipo radiación Ventajas Inconvenientes

Electrones (acelerador)

Alta dosis de radiación posible Representativo de algunas órbitas

Costoso Inadecuado para bajas tasas

Protones (acelerador)

Alta dosis de radiación posible Representativo de algunas órbitas

Contribución DD Costoso

Rayos X (fotones) Alta dosis de radiación posible Bajo Coste

Efecto dose enhancement Inadecuado para bajas tasas

Fuentes de Cs137 y Co60 (rayos γ)

Rango muy amplio Ataque uniforme

Necesario una fuerte protección No es dominante en órbitas

Tabla 4.2: Principales fuentes de radiación para test de TiD

La principal desventaja de usar partículas tales como electrones o protones es el coste asociado que llevan aparejadas. Además, los protones tienen una tasa de generación de desplazamientos significativa, la cual puede inducir degradaciones específicas adicionales. Los generadores de rayos X son muy convenientes, pero debido a la baja energía de los fotones emitidos, la radiación depositada no es uniforme frente a la profundidad cerca de cada unión entre dos materiales. Este efecto se conoce como dose enhancement [Garth80].

Las fuentes radiactivas de Cs137 y Co60 producen rayos gamma, y aunque este tipo de radiación es minoritario en el espacio, presenta dos grandes ventajas: una alta dosis de radiación posible y el hecho de que es posible controlar el ataque en función del grosor del dispositivo. Sin embargo, esta ventaja puede no ser aprovechada si la instalación de irradiación no está correctamente filtrada y los circuitos se encuentran en un ambiente adecuado. Es por tanto muy importante asegurarse de que las condiciones ambientales son las adecuadas para que el experimento tenga éxito.

4.2. SEE (Single Event Effects)

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Como recordamos, los SEE se debían a partículas aisladas que impactaban en una parte sensible del circuito, induciendo un malfuncionamiento.

Para llevar a cabo un experimento en el que queramos evaluar SEEs, debemos llevar a cabo una evaluación del dispositivo en tiempo real a medida que radiamos el mismo bajo unas condiciones determinadas. El objetivo es obtener una descripción adecuada del comportamiento del dispositivo y recoger medidas de su respuesta a radiación para llevar a cabo el cálculo de la tasa de ocurrencia de estos eventos.

Como en el caso anterior, existen una serie de estándares que ayudan a que el experimento se adecue lo más posible a la realidad, Los principales estándares son:

• ESA/SCC 25100: Single Event effects methods and guidelines.

• JEDEC JESD57: Test Procedures for the measurement of Single-Event Effects in semiconductor devices from heavy ion irradiation.

El estándar SCC se aplica a pruebas de protones e iones pesados mientras que el JEDEC sólo sirve para pruebas con iones pesados. Dado que los SEE afectan a todo tipo de dispositivos y tecnologías, no existe ningún método genérico que se adapte a la perfección a todo tipo de circuito, sino que en función de las características que éste presente, deberemos elegir el modelo de radiación que mejor se adapte a nuestras necesidades.

En la tabla 6 se recogen las principales características de cada uno de los estándares para inyección de SEEs.

ESA/SCC 25100 JEDEC JESD57

Alcance Pruebas de SEEs

Procedimientos para la medición de SEEs en dispositivos semiconductores mediante irradiación de iones pesados

Fuentes de radiación y características

HI: range > 30 um 102 > Flux > 105 ions/cm2·s p+: 20-300 MeV 105 > Flux > 108 ions/cm2·s

102 > Flux > 105 ions/cm2.s LET por encima de 120 MeV/mg·cm2

Dosimetría ±10% uniformidad respecto al área del dispositivo

±10% Energía ±10% uniformidad respecto al área

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±10% Flux del dispositivo ±10% Flux

Requerimientos de la prueba

5 medidas bajo distintos LETs efectivos (HI) o energías (p+, incidencia normal) Máxima radiación 107 y 1010 part/cm2·s para HI y p+

Medidas en un umbral determinado, 10%, 25%, 50% y 75-80% de σ Máxima radiación 107 ions/cm2·s para dispositivos robustos, 106 para los más sensibles.

Tabla 4.3: Requisitos principales para la radiación de SEE

Las pruebas con un acelerador de partículas conllevan una serie de requisitos:

Figura 4.1: Esquema tandem Van de Graff

• Un generador de partículas: tandem Van de Graff [BNL], ciclotrón, sincrotón…

• Un sistema de monitorización y dosimetría.

• En la mayoría de los aceleradores de iones pesados, la radiación al aire libre es imposible debido a la energía y rango limitado de las partículas. Debido a ello, los experimentos se llevan a cabo en cámaras de vacío.

4.3. DD (Displacement Damage)

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Éste es también un efecto acumulativo inducido por protones y llamas solares (solar flares).

Para este fenómeno no existe todavía un estándar que regule como inducirlo, debido a que los modos de degradación son muy complejos, los efectos eléctricos inducidos dependen mucho de la aplicación y que la ocurrencia del mismo depende mucho del tipo de dispositivo y la aplicación.

Así pues, la inyección de DD está siempre diseñada y optimizada en función de unas especificaciones y aplicaciones específicas. En la tabla 7 se recogen algunas recomendaciones que pueden ser tenidas en cuenta.

Partículas Energía Comentario

Protones 50-60 MeV Representativo del medio espacial. Buena penetración en dispositivos.

Protones 10 MeV Matriz detectora

Electrones 1-3 MeV Celdas solares

Tabla 4.4: Requisitos para la inyección de DD

4.4. Aceleradores de partículas

Los aceleradores de partículas fueron construidos en un principio con el único objetivo de producir partículas energéticas y ser usadas como proyectiles para alterar de este modo la estructura de otro núcleo o para investigar en el campo de la física nuclear. Más tarde, estas máquinas fueron usadas en diferentes campos: medicina (investigación, producción de isótopos, tratamiento contra el cáncer…), investigación en el campo del estado sólido, producción de membranas, nanotecnología, análisis superficial y por último pruebas de circuitos electrónicos frente a radiación.

Hay diferentes formas de clasificar los aceleradores de partículas, a continuación presentaremos una clasificación en función de su modo de operación.

4.4.1. Aceleradores DC

Este tipo de máquina consiste en un tubo aislado conectado a un extremo del generador de partículas y en el otro al objeto a radiar. La tensión se aplica de extremo a extremo para producir el campo acelerador. Existen dos modelos

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de este tipo de aceleradores en función de la forma en la que generan la tensión DC:

• “Cockroft-Walton” donde la tensión se genera mediante una sucesión de circuitos rectificados multiplicadores de tensión. En 1932, este sistema fue propuesto en el Laboratorio Cavendish en Cambridge obteniendo 600 kV de DC.

• “Van de Graaff” (propuesto alrededor de 1931), donde la tensión por transporte y acumulación de cargas eléctricas en el electrodo que contiene el generador de partículas.

El principal inconveniente de este tipo de aceleradores es el límite de descarga el cual establece un límite superior de 20 MV en el mejor de los casos.

El tandem de Van de Graaf lo podemos ver en la figura 4.1. Una cinta aislada circula entre dos poleas; la primera está en la tierra, mientras que la segunda está dentro de un electrodo metálico aislado. La cinta se carga en la parte más baja de la máquina y deposita la carga mediante efecto corona en el electrodo superior.

4.4.2. Aceleradores Lineales (LINAC)

En estos aceleradores, la partícula de referencia se mueve en una línea recta a lo largo de un campo eléctrico de alta frecuencia. Las partículas pasan a través de una serie de tubos y alcanzan una aceleración determinada en la fase apropiada.

La energía final de las partículas es proporcional a la suma de las tensiones producida por los dispositivos que aceleran a lo largo de la línea.

La primera estructura usada fue la Widerö en 1928, cuyo esquema podemos ver en la figura 4.2. Estaba compuesta de tubos cilíndricos de metal alineados a lo largo del eje y conectados de manera que formaban los dos electrodos de un condensador. Este condensador y la bobina forman un circuito resonante conectado al generador de alta frecuencia. Durante medio período, el campo se acelera y la partícula de referencia se encuentra entre dos tubos. Durante el siguiente medio período, el campo se desacelera y entonces la partícula pasa al siguiente tubo y continúa su camino. Debido a la naturaleza capacitiva de esta estructura, solo se pueden conseguir bajas energías.

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Otra solución fue ofrecida por Alvarez en 1974, quien propuso crear una cadena de cavidades resonantes. De esta forma, el conjunto de tubos se sustituye por uno largo. Con esta configuración se consigue que el campo eléctrico sea paralelo a la estructura. Este tipo de aceleradores operan a altas frecuencias (por encima de los 200 MHz), siendo capaces de acelerar protones e iones pesados desde unos pocos keV hasta centenas de MeV.

Figura 4.2: Esquema del acelerador Lineal de Widerö

La última versión de este tipo de aceleradores es el RFQ (Radio Frequency Quadrupole). Está máquina se usa para energías pequeñas.

4.4.3. Aceleradores Circulares

El ciclotrón clásico se caracteriza por una frecuencia constante y un campo magnético uniforme. Las cavidades acelerantes tienen la forma de un pastillero partido en dos mitades situado entre los polos del imán (ver figura 4.3). El campo acelerante se genera entre estas dos mitades, lo cual implica que las partículas deben llegar en el instante preciso. A medida que la energía de la partícula crece, su trayectoria tiene mayor radio.

El problema de este tipo de máquinas es que la energía adquirida por una partícula está limitada por el incremento relativista de su masa. Por encima de un límite, la frecuencia orbital de la partícula decrece y el ión se desfase. Este límite es de alrededor de 20 MeV por protón.

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El sincrociclotrón intenta solucionar esta limitación a base de mantener constante el campo magnético. De esta forma, se mantiene el sincronismo en la frecuencia de aceleración mientras que la energía de la partícula crece. Como solo las partículas con una energía bien definida tienen la fase correcta con la tensión que las acelera, las partículas estarán unidas.

Figura 4.3: Esquema de un ciclotrón circular

Otra forma de evitar la limitación de energía impuesta por el ciclotrón clásico en mantener la frecuencia de aceleración constante e intensificar el campo magnético a medida que la energía de la partícula crece. De esta forma, el campo magnético medio crece con el radio, manteniendo constante la frecuencia orbital de la partícula. Esta modificación del campo magnético hace que la trayectoria de las partículas se vea alterada de forma axial. Sin embargo, esto se puede solucionar construyendo los polos magnéticos con sectores, de forma que el campo magnético tenga variaciones azimutales que induzcan una fuerza que corrija la trayectoria de las partículas. A éste se le conoce como ciclotrón isócrono.