Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Aléas~logiques (SEU)“

Avec l'accroissement de la complexité des traitements effectués à bord des véhicules spatiaux et l'utilisation de circuits de plus en plus intégrés, le phénomène d'upset devient de plus en plus critique. En effet, ce phénomène se traduit par le basculement intempestif du contenu d'un point mémoire suite à l'impact d'une particule lourde dans des zones sensibles du circuit. Ses conséquences sont parfois fatales et peuvent conduire à la perte voire à la destruction de l'engin sur lequel il a eu lieu. Les réseaux de neurones artificiels constituent une nouvelle approche de traitement de l'information. Ils offrent des solutions compactes et rapides pour une large gamme de problèmes, en particulier ceux ayant des contraintes temps réel tel le cas de la plupart des applications spatiales actuelles. Ceci est davantage vrai avec l'utilisation des émulations et des implantations matérielle. Parmi les propriétés importantes des réseaux de neurones, on peut citer leur tolérance aux fautes qui mesure leur aptitude à exécuter la tâche qui leur est demandée en présence d'informations erronées et de maintenir leur capacité de calcul même si une partie du réseau est endommagée. L'objectif de cette thèse est d'étudier la tolérance aux fautes des réseaux de neurones face aux fautes de type upset et ceci en vue d'étudier la possibilité de leur utilisation, sous forme matérielle, dans un environnement radiatif tel que l'espace, le but étant de choisir parmi des circuits candidats, ceux qui sont acceptés (ou rejetés) pour des applications spatiales. Pour ce faire, plusieurs réseaux et plusieurs circuits ont été testés. Les expériences réalisées étaient de type simulation logicielle d'erreurs, injection matérielle de fautes et tests aux ions lourds. Les résultats obtenus montrent que les réseaux de neurones artificiels sont tolérants aux fautes de type upsets ce qui en fait un bon candidat pour les applications s'exécutant à bord des engins spatiaux.

En raison de leur impact sur la fiabilité des systèmes, les effets du rayonnement cosmique sur l’électronique ont été étudiés dès le début de l’exploration spatiale. Néanmoins, de récentes évolutions industrielles bouleversent les pratiques dans le domaine, les technologies standard devenant de plus en plus attrayantes pour réaliser des circuits durcis aux radiations. Du fait de leurs fréquences élevées, des nouvelles architectures de transistor et des temps de durcissement réduits, les puces fabriquées suivant les derniers procédés CMOS posent de nombreux défis. Ce travail s’attelle donc à la simulation des aléas logiques permanents (SEU) et transitoires (SET), en technologies FD-SOI et bulk Si avancées. La réponse radiative des transistors FD-SOI 28 nm est tout d’abord étudiée par le biais de simulations TCAD, amenant au développement de deux modèles innovants pour décrire les courants induits par particules ionisantes en FD-SOI. Le premier est principalement comportemental, tandis que le second capture des phénomènes complexes tels que l’amplification bipolaire parasite et la rétroaction du circuit, à partir des premiers principes de semi-conducteurs et en accord avec les simulations TCAD poussées.Ces modèles compacts sont alors couplés à une plateforme de simulation Monte Carlo du taux d’erreurs radiatives (SER) conduisant à une large validation sur des données expérimentales recueillies sous faisceau de particules. Enfin, des études par simulation prédictive sont présentées sur des cellules mémoire et portes logiques en FD-SOI 28 nm et bulk Si 65 nm, permettant d’approfondir la compréhension des mécanismes contribuant au SER en orbite des circuits intégrés modernes
The effects of cosmic radiation on electronics have been studied since the early days of space exploration, given the severe reliability constraints arising from harsh space environments. However, recent evolutions in the space industry landscape are changing radiation effects practices and methodologies, with mainstream technologies becoming increasingly attractive for radiation-hardened integrated circuits. Due to their high operating frequencies, new transistor architectures, and short rad-hard development times, chips manufactured in latest CMOS processes pose a variety of challenges, both from an experimental standpoint and for modeling perspectives. This work thus focuses on simulating single-event upsets and transients in advanced FD-SOI and bulk silicon processes.The soft-error response of 28 nm FD-SOI transistors is first investigated through TCAD simulations, allowing to develop two innovative models for radiation-induced currents in FD-SOI. One of them is mainly behavioral, while the other captures complex phenomena, such as parasitic bipolar amplification and circuit feedback effects, from first semiconductor principles and in agreement with detailed TCAD simulations.These compact models are then interfaced to a complete Monte Carlo Soft-Error Rate (SER) simulation platform, leading to extensive validation against experimental data collected on several test vehicles under accelerated particle beams. Finally, predictive simulation studies are presented on bit-cells, sequential and combinational logic gates in 28 nm FD-SOI and 65 nm bulk Si, providing insights into the mechanisms that contribute to the SER of modern integrated circuits in orbit

En raison de leur impact sur la fiabilité des systèmes, les effets du rayonnement cosmique sur l’électronique ont été étudiés dès le début de l’exploration spatiale. Néanmoins, de récentes évolutions industrielles bouleversent les pratiques dans le domaine, les technologies standard devenant de plus en plus attrayantes pour réaliser des circuits durcis aux radiations. Du fait de leurs fréquences élevées, des nouvelles architectures de transistor et des temps de durcissement réduits, les puces fabriquées suivant les derniers procédés CMOS posent de nombreux défis. Ce travail s’attelle donc à la simulation des aléas logiques permanents (SEU) et transitoires (SET), en technologies FD-SOI et bulk Si avancées. La réponse radiative des transistors FD-SOI 28 nm est tout d’abord étudiée par le biais de simulations TCAD, amenant au développement de deux modèles innovants pour décrire les courants induits par particules ionisantes en FD-SOI. Le premier est principalement comportemental, tandis que le second capture des phénomènes complexes tels que l’amplification bipolaire parasite et la rétroaction du circuit, à partir des premiers principes de semi-conducteurs et en accord avec les simulations TCAD poussées.Ces modèles compacts sont alors couplés à une plateforme de simulation Monte Carlo du taux d’erreurs radiatives (SER) conduisant à une large validation sur des données expérimentales recueillies sous faisceau de particules. Enfin, des études par simulation prédictive sont présentées sur des cellules mémoire et portes logiques en FD-SOI 28 nm et bulk Si 65 nm, permettant d’approfondir la compréhension des mécanismes contribuant au SER en orbite des circuits intégrés modernes
The effects of cosmic radiation on electronics have been studied since the early days of space exploration, given the severe reliability constraints arising from harsh space environments. However, recent evolutions in the space industry landscape are changing radiation effects practices and methodologies, with mainstream technologies becoming increasingly attractive for radiation-hardened integrated circuits. Due to their high operating frequencies, new transistor architectures, and short rad-hard development times, chips manufactured in latest CMOS processes pose a variety of challenges, both from an experimental standpoint and for modeling perspectives. This work thus focuses on simulating single-event upsets and transients in advanced FD-SOI and bulk silicon processes.The soft-error response of 28 nm FD-SOI transistors is first investigated through TCAD simulations, allowing to develop two innovative models for radiation-induced currents in FD-SOI. One of them is mainly behavioral, while the other captures complex phenomena, such as parasitic bipolar amplification and circuit feedback effects, from first semiconductor principles and in agreement with detailed TCAD simulations.These compact models are then interfaced to a complete Monte Carlo Soft-Error Rate (SER) simulation platform, leading to extensive validation against experimental data collected on several test vehicles under accelerated particle beams. Finally, predictive simulation studies are presented on bit-cells, sequential and combinational logic gates in 28 nm FD-SOI and 65 nm bulk Si, providing insights into the mechanisms that contribute to the SER of modern integrated circuits in orbit

L’augmentation de la densité et la réduction de la tension d’alimentation des circuits intégrés rend la contribution des effets singuliers induits par les radiations majoritaire dans la diminution de la fiabilité des composants électroniques aussi bien dans l’environnement radiatif spatial que terrestre. Cette étude porte sur la modélisation des mécanismes physiques qui conduisent à ces aléas logiques (en anglais "Soft Errors"). Ces modèles sont utilisés dans une plateforme de simulation,appelée TIARA (Tool suIte for rAdiation Reliability Assessment), qui a été développée dans le cadre de cette thèse. Cet outil est capable de prédire la sensibilité de nombreuses architectures de circuits (SRAM,Flip-Flop, etc.) dans différents environnements radiatifs et sous différentes conditions de test (alimentation, altitude, etc.) Cette plateforme a été amplement validée grâce à la comparaison avec des mesures expérimentales effectuées sur différents circuits de test fabriqués par STMicroelectronics. La plateforme TIARA a ensuite été utilisée pour la conception de circuits durcis aux radiations et a permis de participer à la compréhension des mécanismes des aléas logiques jusqu’au noeud technologique 20nm
Aggressive integrated circuit density increase and power supply scaling have propelled Single Event Effects to the forefront of reliability concerns in ground-based and space-bound electronic systems. This study focuses on modeling of Single Event physical phenomena. To enable performing reliability assessment, a complete simulation platform named Tool suIte for rAdiation Reliability Assessment (TIARA) has been developed that allows performing sensitivity prediction of different digital circuits (SRAM, Flip-Flops, etc.) in different radiation environments and at different operating conditions (power supply voltage,altitude, etc.) TIARA has been extensively validated with experimental data for space and terrestrial radiation environments using different test vehicles manufactured by STMicroelectronics. Finally, the platform has been used during rad-hard digital circuits design and to provide insights into radiation-induced upset mechanisms down to CMOS 20nm technological node

De nouveaux acteurs industriels déploient de larges constellations de satellites, tandis que d'autres domaines comme l'industrie automobile développent des systèmes robustes. Ces systèmes s'appuient sur des technologies avancées, telles que le UTBB FD-SOI, afin d'atteindre les performances nécessaires. La complexité et la vitesse croissantes des systèmes nécessitent une caractérisation précise de ces technologies, ainsi qu'une adaptation des techniques traditionnelles de durcissement. L'objectif est l'étude des effets des radiations dans les technologies FD-SOI et bulk, ainsi que la recherche de mécanismes innovants de durcissement. Une structure intégrée de mesures des SETs, auto-calibrée et conçue grâce à un flot de conception automatisé est d'abord présentée. Elle permet la caractérisation de 4 technologies. La réponse aux radiations des cellules numériques est ensuite évaluée par des tests sous faisceau et par le biais de simulations TCAD, permettant d'étudier l'influence de la tension, de la fréquence de fonctionnement ainsi que l'application d'une tension en face arrière sur la sensibilité. Le TID est également étudié à l'aide d'un bloc de mesure intégré. Les différents résultats sont ensuite utilisés afin de proposer une nouvelle solution de durcissement pour les systèmes sur puce, qui rassemble les précédents blocs de mesure dans un module d'évaluation en temps réel du milieu radiatif. Une unité de gestion de l'énergie pour adapter les modes de fonctionnement au profil de mission. Enfin, une utilisation détournée du détecteur de SETs est proposée dans un contexte de sécurité des systèmes pour détecter et contrer les attaques laser
New actors have accelerated the pace of putting new satellites into orbit, and other domains like the automotive industry are at the origin of this development. These new actors rely on advanced technologies, such as UTBB FD-SOI in order to be able to achieve the necessary performance to accomplish the tasks. Albeit disruptive in terms of intrinsic soft-error resistance, the growing density and complexity of spaceborne and automotive systems require an accurate characterization of technologies, as well as an adaptation of traditional hardening techniques. This PhD focuses on the study of radiation effects in advanced FD-SOI and bulk silicon processes, and on the research of innovative protection mechanisms. A custom, self-calibrating transient measurements structure with automated design flow is first presented, allowing for the characterization of four different technologies during accelerated tests. The soft-error response of 28~nm FD-SOI and 40~nm bulk logic and storage cells is then assessed through beam testing and with the help of TCAD simulations, allowing to study the influence of voltage, frequency scaling and the application of forward body biasing on sensitivity. Total ionizing dose is also investigated through the use of an on-chip monitoring block. The test results are then utilized to propose a novel hardening solution for system on chip, which gathers the monitoring structures into a real-time radiation environment assessment and a power management unit for power mode adjustments. Finally, as an extension of the SET sensors capability, an implementation of radiation monitors in a context of secure systems is proposed to detect and counteract laser attacks