Hardening basic blocks in a mesh of clusters FPGA

Résumé : Avec les réductions d'échelle, les circuits électroniques deviennent de plus en plus petits, plus performants, consommant moins de puissance, mais aussi moins fiables. En effet, la fiabilité s'est récemment érigée en défi majeur dans l'industrie micro-électronique, devenant un critère de conception important, au même titre que la surface, la consommation de puissance et la vitesse. Par exemple, les défauts physiques dus aux imperfections dans le procédé de fabrication ont été observés plus fréquemment, affectant ainsi le rendement des circuits. Par ailleurs, les circuits nano-métriques deviennent pendant leur durée de vie plus vulnérables aux rayonnements ionisants, ce qui cause des fautes transitoires. Les défauts de fabrication, aussi bien que les fautes transitoires, diminuent la fiabilité des circuits intégrés. En avançant dans les nœuds technologiques, les circuits logiques programmables de type FPGA sont les premiers à entrer sur le marché, grâce à leur faible coût de développement et leur flexibilité qui leur permet d'être utilisés pour n'importe quelle application. Les FPGA possèdent des caractéristiques attrayantes, notamment pour les applications spatiales et aéronautiques, où la reconfigurabilité, les hautes performances et la faible consommation de puissance peuvent être exploitées pour développer des systèmes innovants. Néanmoins, les missions ont lieu dans un environnement rude, riche en radiations pouvant produire des erreurs soft dans les circuits électroniques. Ceci montre l'importance de la fiabilité des FPGA en tant que critère de conception dans les applications critiques. La plupart des FPGA commerciaux ont une architecture matricielle et leurs blocs logiques sont regroupés en clusters. Ainsi, cette thèse s'intéresse à la tolérance aux fautes des blocs de base ( blocs logiques élémentaires (BLE) et boîtes d'interconnexion ) dans un FPGA de type « matrice de clusters ». Dans le but d'améliorer la fiabilité de ces blocs, il est impératif de pouvoir d'abord l'évaluer, pour ensuite sélectionner la bonne technique de durcissement selon le budget mis à disposition. C'est bien le plan principal de cette thèse. Elle a essentiellement deux objectifs : (a) analyser la tolérance aux fautes des blocs de base dans un FPGA de type « matrice de clusters », et identifier les composants les plus vulnérables. (b) proposer des méthodes de durcissement à différents niveaux de granularité, en fonction du budget de durcissement. En ce qui concerne le premier objectif, une méthodologie pour évaluer la fiabilité du cluster a été proposée. Cette méthodologie emploie une méthode analytique déjà existante pour évaluer la fiabilité des circuits logiques combinatoires. La même méthode est utilisée pour identifier les blocs les plus éligibles au durcissement. Quant au deuxième objectif, des techniques de durcissement ont été proposées aux niveaux multiplexeur et transistor. Au niveau multiplexeur, deux solutions de durcissement ont été présentées. La première solution a recours à la redondance spatiale et concerne la structure du bloc logique. Une nouvelle architecture de BLE baptisée « Butterfly » est introduite. Elle a été comparée avec d'autres architectures de BLE en termes de fiabilité et de surcoût. La deuxième solution de durcissement est une technique dite « sans redondance ». Elle est basée sur une synthèse intelligente qui consiste à chercher la structure la plus fiable parmi toutes celles proposées dans la librairie du fondeur, avant d'utiliser directement de la redondance. Ensuite, au niveau transistor, de nouvelles architectures de multiplexeur, à sortie unique ou différentielles, ont été proposées. Elles ont été comparées à d'autres assemblages différents de transistors, selon des métriques de conception appropriées.
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Electronics. Télécom ParisTech, 2014. English. 〈NNT : 2014ENST0068〉
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Soumis le : mardi 26 avril 2016 - 15:23:08
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Arwa Ben Dhia. Hardening basic blocks in a mesh of clusters FPGA. Electronics. Télécom ParisTech, 2014. English. 〈NNT : 2014ENST0068〉. 〈tel-01307489〉

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