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A high-level built-in self-test (BIST) synthesis is a process of transforming a behavioral description into a register-transfer level structural description while minimizing BIST overhead. Existing high-level BIST synthesis methods focus on one objective, minimizing either area overhead or test time. Hence, those methods do not render exploration of a large design space, which may result in a local optimum. In this thesis, we present three methods, which aim to address the problem. The first method tries to find a register assignment for each k-test session in a heuristic manner, where k=1,2,…,N and N is the number of modules of the circuit. Therefore, it offers a range of designs with different figures of merit in area and test time. The second method is based on integer linear programming (ILP). The proposed ILP based method performs the three tasks, assignments of registers, interconnections, and BIST registers, concurrently to yield optimal or near-optimal designs. We describe a complete set of ILP formulations for the three tasks. The ILP based method achieves optimal solutions for most circuits in hardware overhead, but it takes long processing time. The third method, the region-wise heuristic method. It partitions a given data flow graph into smaller regions based on control steps and applies the ILP to each region successively to reduce the processing time. To measure the performance of BIST accurately and to demonstrate the practicality of our BIST synthesis method, we implemented a DSP circuit; an 8x8 two-dimensional discrete cosine transform (DCT) processor. We implemented two versions of the algorithm, one with incorporation of our BIST method and the other without BIST, to verify the validity of our simplified cost model to estimate BIST area overhead. The two major parts of the circuit, data path and controller, were synthesized using our high-level BIST synthesis tool. All the circuits are implemented and laid out using an ASIC design flow developed at Virginia Tech. Experimental results show that the three proposed high-level BIST synthesis methods perform better than or comparable to existing BIST synthesis systems. They indeed yield various designs that enable users to trade between area overhead and test time. The region-wise heuristic method reduces the processing time by several orders of magnitude, while the quality of the solution is slightly compromised compared with the ILP-based optimal method. The implementation of DCT circuits demonstrate that our method is applicable to industry size circuits, and the BIST area overhead measured at the layout is close to the estimated one. / Ph. D.

The computational power and algorithms needed to create a cognitive radio are quickly becoming available. There are many advantages to having a radio operated by cognitive engine, and so cognitive radios are likely to become very popular in the future. One of the main difficulties associated with the cognitive radio is ensuring the signal transmitted will follow all FCC rules. The work presented in this thesis provides a methodology to guarantee that all signals will be legal and valid. The first part to achieving this is a practical and easy to use software testing program based on the tabu search algorithm that tests the software off-line. The primary purpose of the software testing program is to find most of the errors, specially structural errors, while the radio is not in use so that it does not affect the performance of the system. The software testing program does not provide a complete assurance that no errors exist, so to supplement this deficit, a built-in self-test (BIST) is employed. The BIST is designed with two parts, one that is embedded into the cognitive engine and one that is placed into the radio's API. These two systems ensure that all signals transmitted by the cognitive radio will follow FCC rules while consuming a minimal amount of computational power. The software testing approach based on the tabu search is shown to be a viable method to test software with improved results over previous methods. Also, the software BIST demonstrated its ability to find errors in the signal production and is dem to only require an insignificant amount of computational power. Overall, the methods presented in this paper provide a complete and practical approach to assure the FCC of the legality of all signals in order to obtain a license for the product. / Master of Science

Le secteur de communications sécurisés et portables connait une véritable révolution avec l’apparition des plateformes dites radios logiciels (Software Defined Radios, SDRs). Les performances exceptionnelles de ces systèmes sont les résultats d’une interaction assez complexe et souvent peu évidente entre le logiciel embarqué, le circuit de traitement numérique et les blocs mixtes analogiques/RF. Cette complexité limite la testabilité du produit fini. La méthodologie de test utilisée actuellement a atteint ses limites dues au cout élevé, le long temps de test et le bas degré de généralisation. De plus, les plateformes SDRs peuvent évoluer sur le terrain et elles vont supporter des standards et des scénarios qui n’ont pas été considérés pendant le la phase de conception. Donc, une stratégie de test sur le terrain (en ligne) n’est plus une caractéristique optionnelle mais une nécessité. Dans ce contexte, le but de notre recherche est d’inventer et développer une méthodologie de test capable de garantir le bon fonctionnement d’une plateforme SDR après la production et pendant sa vie. Notre objectif final est de réduire le coût du test en profitant de la reconfigurabilité de la plateforme. Pour les radios tactiques qui doivent être mises à jour sur le terrain sans équipement spécial, les stratégies Built-In Self-Test (BIST) sont, sans doute, la seule moyenne de garantir la conformité aux spécifications. Dans cette mémoire, nous introduisons une nouvelle architecture de test RF BIST qui utilise la technique de de sous-échantillonnage nonuniform à la sortie de l’émetteur (TX) d’une SDR afin d’évaluer la conformité de la masque spectrale. Notre solution s’appuie sur une implémentation autonome, est modulable et peut être appliquée pour le test sur le terrain avec des modifications minimes. Par rapport aux autres techniques de test analogiques/RF, cet approche ne dépends pas de la architecture du TX, ni d’un modèle ad-hoc, ce qui est idéale pour le test des SDRs. / The advent of increasingly powerful Integrated Circuits (IC) has led to the emergence of the Software Defined Radio (SDR) concept, which brought the sector of secured mobile communications into a new era. The outstanding performance of these systems results from optimal trade-offs among advanced analog/Radio Frequency (RF) circuitry, high-speed reconfigurable digital hardware and sophisticated real-time software. The inherent sophistication of such platforms poses a challenging problem for product testing. Currently deployed industrial test strategies face rising obstacles due to the costlier RF test equipment, longer test time and lack of flexibility. Moreover, an SDR platform is field-upgradeable, which means it will support standards and scenarii not considered during the design phase. Therefore, an in-field test strategy is not anymore 'a nice to have' feature but a mandatory requirement. In this context, our research aims to invent and develop a new test methodology able to guarantee the correct functioning of the SDR platform post-fabrication and over its operational lifetime. The overall aim of our efforts is to reduce post-manufacture test cost of SDR transceivers by leveraging the reconfigurability of the platform.For tactical radio units that must be field-upgradeable without specialized equipment, Built-in Self-Test (BIST) schemes are arguably the only way to ensure continued compliance to specifications. In this study we introduce a novel RF BIST architecture which uses Periodically Nonuniform Sampling (PNS2) of the transmitter (TX) output to evaluate compliance to spectral mask specifications. Our solution supports a stand-alone implementation, is scalable across a wide set of complex specifications and can be easily applied for in-field testing with small added hardware. Compared to existing analog/RF test techniques, this approach is not limited to a given TX architecture and does not rely on an ad-hoc TX model, which makes it ideal for SDR testing.

Le secteur de communications sécurisés et portables connait une véritable révolution avec l’apparition des plateformes dites radios logiciels (Software Defined Radios, SDRs). Les performances exceptionnelles de ces systèmes sont les résultats d’une interaction assez complexe et souvent peu évidente entre le logiciel embarqué, le circuit de traitement numérique et les blocs mixtes analogiques/RF. Cette complexité limite la testabilité du produit fini. La méthodologie de test utilisée actuellement a atteint ses limites dues au cout élevé, le long temps de test et le bas degré de généralisation. De plus, les plateformes SDRs peuvent évoluer sur le terrain et elles vont supporter des standards et des scénarios qui n’ont pas été considérés pendant le la phase de conception. Donc, une stratégie de test sur le terrain (en ligne) n’est plus une caractéristique optionnelle mais une nécessité. Dans ce contexte, le but de notre recherche est d’inventer et développer une méthodologie de test capable de garantir le bon fonctionnement d’une plateforme SDR après la production et pendant sa vie. Notre objectif final est de réduire le coût du test en profitant de la reconfigurabilité de la plateforme. Pour les radios tactiques qui doivent être mises à jour sur le terrain sans équipement spécial, les stratégies Built-In Self-Test (BIST) sont, sans doute, la seule moyenne de garantir la conformité aux spécifications. Dans cette mémoire, nous introduisons une nouvelle architecture de test RF BIST qui utilise la technique de de sous-échantillonnage nonuniform à la sortie de l’émetteur (TX) d’une SDR afin d’évaluer la conformité de la masque spectrale. Notre solution s’appuie sur une implémentation autonome, est modulable et peut être appliquée pour le test sur le terrain avec des modifications minimes. Par rapport aux autres techniques de test analogiques/RF, cet approche ne dépends pas de la architecture du TX, ni d’un modèle ad-hoc, ce qui est idéale pour le test des SDRs. / The advent of increasingly powerful Integrated Circuits (IC) has led to the emergence of the Software Defined Radio (SDR) concept, which brought the sector of secured mobile communications into a new era. The outstanding performance of these systems results from optimal trade-offs among advanced analog/Radio Frequency (RF) circuitry, high-speed reconfigurable digital hardware and sophisticated real-time software. The inherent sophistication of such platforms poses a challenging problem for product testing. Currently deployed industrial test strategies face rising obstacles due to the costlier RF test equipment, longer test time and lack of flexibility. Moreover, an SDR platform is field-upgradeable, which means it will support standards and scenarii not considered during the design phase. Therefore, an in-field test strategy is not anymore 'a nice to have' feature but a mandatory requirement. In this context, our research aims to invent and develop a new test methodology able to guarantee the correct functioning of the SDR platform post-fabrication and over its operational lifetime. The overall aim of our efforts is to reduce post-manufacture test cost of SDR transceivers by leveraging the reconfigurability of the platform.For tactical radio units that must be field-upgradeable without specialized equipment, Built-in Self-Test (BIST) schemes are arguably the only way to ensure continued compliance to specifications. In this study we introduce a novel RF BIST architecture which uses Periodically Nonuniform Sampling (PNS2) of the transmitter (TX) output to evaluate compliance to spectral mask specifications. Our solution supports a stand-alone implementation, is scalable across a wide set of complex specifications and can be easily applied for in-field testing with small added hardware. Compared to existing analog/RF test techniques, this approach is not limited to a given TX architecture and does not rely on an ad-hoc TX model, which makes it ideal for SDR testing.

L’évolution tendant à réduire la taille et augmenter la complexité des circuits électroniques modernes, est en train de ralentir du fait des limitations technologiques, qui génèrent beaucoup de d’imperfections et de defaults durant la fabrication ou la durée de vie de la puce. Les FPGAs sont utilisés dans les systèmes numériques complexes, essentiellement parce qu’ils sont reconfigurables et rapide à commercialiser. Pour garder une grande fiabilité de tels systèmes, les FPGAs doivent être testés minutieusement pour les defaults. L’optimisation de l’architecture des FPGAs pour l’économie de surface et une meilleure routabilité est un processus continue qui impacte directement la testabilité globale et de ce fait, la fiabilité. Cette thèse présente une stratégie complète pour le test et le diagnostique des defaults de fabrication des “mesh-based FPGA” contenant une nouvelle topologie d’interconnections à plusieurs niveaux, ce qui promet d’apporter une meilleure routabilité. Efficacité des schémas proposes est analysée en termes de temps de test, couverture de faute et résolution de diagnostique. / The evolution trend of shrinking feature size and increasing complexity in modern electronics is being slowed down due to physical limits that generate numerous imperfections and defects during fabrication steps or projected life time of the chip. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are used in complex digital systems mainly due to their reconfigurability and shorter time-to-market. To maintain a high reliability of such systems, FPGAs should be tested thoroughly for defects. FPGA architecture optimization for area saving and better signal routability is an ongoing process which directly impacts the overall FPGA testability, hence the reliability. This thesis presents a complete strategy for test and diagnosis of manufacturing defects in mesh-based FPGAs containing a novel multilevel interconnects topology which promises to provide better area and routability. Efficiency of the proposed test schemes is analyzed in terms of test cost, respective fault coverage and diagnostic resolution.

Dans cette thèse, nous analysons les vulnérabilités introduites par les infrastructures de test, comme les chaines de scan, utilisées dans les circuits intégrés digitaux dédiés à la cryptographie sur la sécurité d'un système. Nous développons de nouvelles attaques utilisant ces infrastructures et proposons des contre-mesures efficaces. L'insertion des chaînes de scan est la technique la plus utilisée pour assurer la testabilité des circuits numériques car elle permet d'obtenir d'excellents taux de couverture de fautes. Toutefois, pour les circuits intégrés à vocation cryptographique, les chaînes de scan peuvent être utilisées comme une porte dérobée pour accéder à des données secrètes, devenant ainsi une menace pour la sécurité de ces données. Nous commençons par décrire une série de nouvelles attaques qui exploitent les fuites d'informations sur des structures avancées de conception en vue du test telles que le compacteur de réponses, le masquage de valeur inconnues ou le scan partiel, par exemple. Au travers des attaques que nous proposons, nous montrons que ces structures ne protégent en rien les circuits à l'inverse de ce que certains travaux antérieurs ont prétendu. En ce qui concerne les contre-mesures, nous proposons trois nouvelles solutions. La première consiste à déplacer la comparaison entre réponses aux stimuli de test et réponses attenduesde l'équipement de test automatique vers le circuit lui-même. Cette solution entraine un surcoût de silicium négligeable, n'aucun impact sur la couverture de fautes. La deuxième contre-mesure viseà protéger le circuit contre tout accès non autorisé, par exemple au mode test du circuit, et d'assurer l'authentification du circuit. A cet effet, l'authentification mutuelle utilisant le protocole de Schnorr basé sur les courbes elliptiques est mis en oeuvre. Enfin, nous montronsque les contre-mesures algorithmiques agissant contre l'analyse différentielle peuvent être également utilisées pour se prémunir contre les attaques par chaine de scan. Parmi celles-ci on citera en particulier le masquage de point et le masquage de scalaire. / In this thesis, we firstly analyze the vulnerabilities induced by test infrastructures onto embedded secrecy in digital integrated circuits dedicated to cryptography. Then we propose new scan-based attacks and effective countermeasures. Scan chains insertion is the most used technique to ensure the testability of digital cores, providing high-fault coverage. However, for ICs dealing with secret information, scan chains can be used as back doors for accessing secret data, thus becominga threat to device's security. We start by describing a series of new attacks that exploit information leakage out of advanced Design-for-Testability structures such as response compaction, X-Masking and partial scan. Conversely to some previous works that proposed that these structures are immune to scan-based attacks, we show that our new attacks can reveal secret information that is embedded inside the chip boundaries. Regarding the countermeasures, we propose three new solutions. The first one moves the comparison between test responses and expected responses from the AutomaticTest Equipment to the chip. This solution has a negligible area overhead, no effect on fault coverage. The second countermeasure aims to protect the circuit against unauthorized access, for instance to the test mode, and also ensure the authentication of the circuit. For thatpurpose, mutual-authentication using Schnorr protocol on Elliptic Curves is implemented. As the last countermeasure, we propose that Differential Analysis Attacks algorithm-level countermeasures, suchas point-blinding and scalar-blinding can be reused to protect the circuit against scan-based attacks.