Made available in DSpace on 2014-10-09T12:48:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:57:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 09312.pdf: 3188579 bytes, checksum: bd8aaad4362356d084c00e8f3fcaa029 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:48:45Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 09306.pdf: 2901463 bytes, checksum: 25d5cd94a337a371809e1ba699428d99 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

abstract: Implantable medical device technology is commonly used by doctors for disease management, aiding to improve patient quality of life. However, it is possible for these devices to be exposed to ionizing radiation during various medical therapeutic and diagnostic activities while implanted. This commands that these devices remain fully operational during, and long after, radiation exposure. Many implantable medical devices employ standard commercial complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) processes for integrated circuit (IC) development, which have been shown to degrade with radiation exposure. This necessitates that device manufacturers study the effects of ionizing radiation on their products, and work to mitigate those effects to maintain a high standard of reliability. Mitigation can be completed through targeted radiation hardening by design (RHBD) techniques as not to infringe on the device operational specifications. This thesis details a complete radiation analysis methodology that can be implemented to examine the effects of ionizing radiation on an IC as part of RHBD efforts. The methodology is put into practice to determine the failure mechanism in a charge pump circuit, common in many of today's implantable pacemaker designs, as a case study. Charge pump irradiation data shows a reduction of circuit output voltage with applied dose. Through testing of individual test devices, the response is identified as parasitic inter-device leakage caused by trapped oxide charge buildup in the isolation oxides. A library of compact models is generated to represent isolation oxide parasitics based on test structure data along with 2-Dimensional structure simulation results. The original charge pump schematic is then back-annotated with transistors representative of the parasitic. Inclusion of the parasitic devices in schematic allows for simulation of the entire circuit, accounting for possible parasitic devices activated by radiation exposure. By selecting a compact model for the parasitics generated at a specific dose, the compete circuit response is then simulated at the defined dose. The reduction of circuit output voltage with dose is then re-created in a radiation-enabled simulation validating the analysis methodology. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2010

Com a evolução da tecnologia, dispositivos menores e mais rápidos ficam disponíveis para a fabricação de circuitos que, embora sejam mais eficientes, são mais sensíveis aos efeitos da radiação. A alta densidade, ao reduzir a distância entre dispositivos vizinhos, torna possível a ocorrência de múltiplas perturbações como resultado da colisão de uma única partícula. A alta velocidade, ao reduzir os ciclos de relógio dos circuitos, faz com que os pulsos transientes durem mais do que um ciclo. Todos estes fatos impedem o uso de diversas técnicas de mitigação existentes, baseadas em redundância temporal, e tornam necessário o desenvolvimento de técnicas inovadoras para fazer frente a este novo e desafiador cenário. Esta tese inicia com a análise da evolução da duração de pulsos transitórios nas diferentes tecnologias que dá suporte à previsão de que transitórios de longa duração (TLDs) irão afetar sistemas fabricados usando tecnologias futuras e mostra que diversas técnicas de mitigação baseadas em redundância temporal existentes não serão capazes de lidar com os TLDs devido à enorme sobrecarga que elas imporiam ao desempenho. Ao mesmo tempo, as técnicas baseadas em redundância temporal, embora sejam capazes de lidar com TLDs, ainda impõem penalidades muito elevadas em termos de área e energia, o que as torna inadequadas para uso em algumas áreas de aplicação, como as de sistemas portáteis e embarcados. Como uma alternativa para enfrentar estes desafios impostos aos projetistas pelas tecnologias futuras, é proposto o desenvolvimento de técnicas de mitigação com baixa sobrecarga, atuando em níveis de abstração distintos. Exemplos de novas técnicas de baixo custo atuando nos níveis de circuito, algoritmo e arquitetura são apresentados e avaliados. Atuando em nível de algoritmo, uma alternativa de baixo custo para verificação de multiplicação de matrizes é proposta e avaliada, mostrando-se que ela oferece uma boa solução para este problema específico, com uma enorme redução no custo de recomputação quando um erro em um elemento da matriz produto é detectado. Para generalizar esta idéia, o uso de invariantes de software na detecção de erros transitórios durante a execução é sugerido como outra técnica de baixo custo, e é mostrado que esta oferece alta capacidade de detecção de falhas, sendo, portanto, uma boa candidata para uso de maneira complementar com outras técnicas no desenvolvimento de software tolerante a falhas transitórias. Como exemplo de uma técnica em nível de arquitetura, é proposta e avaliada uma melhoria da clássica técnica de lockstep com checkpoint e rollback, mostrando uma redução significativa no número de operações de escrita necessárias para um checkpoint. Finalmente, como um exemplo de técnica de baixo custo baseada em redundância espacial, é proposto e avaliado o uso de código de Hamming na proteção de lógica combinacional, um problema ainda em aberto no projeto de sistemas usando tecnologias futuras. / As the technology evolves, faster and smaller devices are available for manufacturing circuits that, while more efficient, are more sensitive to the effects of radiation. The high transistor density, reducing the distance between neighbor devices, makes possible the occurrence of multiple upsets caused by a single particle hit. The achievable high speed, reducing the clock cycles of circuits, leads to transient pulses lasting longer than one cycle. All those facts preclude the use of several existing soft error mitigation techniques based on temporal redundancy, and require the development of innovative fault tolerant techniques to cope with this challenging new scenario. This thesis starts with the analysis of the transient width scaling across technologies, a fact that supports the prediction that long duration transients (LDTs) will affect systems manufactured using future technologies, and shows that several existing mitigation techniques based on temporal redundancy will not be able to cope with LDTs, due to the huge performance overhead that they would impose. At the same time, space redundancy based techniques, despite being able to deal with LDTs, still impose very high area and power penalties, making them inadequate for use in some application areas, such as portable and embedded systems. As an alternative to face those challenges imposed to designers by future technologies, the development of low overhead mitigation techniques, working at different abstraction levels, is proposed. Examples of new low cost techniques working at the circuit, algorithm, and architecture levels are presented and evaluated. Working at the algorithm level, a low cost verification algorithm for matrix multiplication is proposed and evaluated, showing that it provides a good solution for this specific problem, with dramatic reduction in the cost of recomputation when an error in one of the product matrix elements is detected. In order to generalize this idea, the use of software invariants to detect soft errors at runtime is suggested as a low cost technique, and shown to provide high fault detection capability, being a good candidate for use in a complementary fashion in the development of software tolerant to transient faults. As an example of architecture level technique, the improvement of the classic lockstep with checkpoint and rollback technique is proposed and evaluated, showing significant reduction in the number of write operations required for checkpoints. Finally, as an example of low cost space redundancy technique at circuit level, the use of Hamming coding to protect combinational logic, an open issue in the design of systems using future technologies, is proposed and evaluated through its application to a set of arithmetic and benchmark circuits.

Os efeitos de radiação têm sido um dos problemas mais sérios em aplicações militares e espaciais. Mas eles também são uma preocupação crescente em tecnologias modernas, mesmo para aplicações comerciais no nível do solo. A proteção dos circuitos integrados contra os efeitos da radiação podem ser obtidos através do uso de processos de fabricação aprimorados e de estratégias em diferentes estágios do projeto do circuito. A técnica de TMR é bem conhecida e amplamente empregada para mascarar falhas únicas sem detectálas. No entanto, o projeto de circuitos TMR não é automatizado por ferramentas EDA comerciais e até mesmo eles podem remover parcial ou totalmente a lógica redundante. Por outro lado, existem várias ferramentas que podem ser usadas para implementar a técnica de TMR em circuitos integrados, embora a maioria delas sejam ferramentas comerciais licenciadas, convenientes apenas para dispositivos específicos, ou com uso restrito por causa do regime ITAR. O presente trabalho pretende superar esses incovenientes, para isso uma metodologia é proposta para automatizar o projeto de circuitos TMR utilizando um fluxo de projeto comercial. A abordagem proposta utiliza um netlist estruturado para implementar automaticamente os circuitos TMR em diferentes níveis de granularidade de redundância para projetos baseados em células e FPGA. A otimização do circuito TMR resultante também é aplicada com base na abordagem do dimensionamento de portas lógicas. Além disso, a verificação do circuito TMR implementado é baseada na verificação de equivalência e garante sua funcionalidade correta e sua capacidade de tolerancia a falhas simples. Experimentos com um circuito derivado de HLS e uma descrição ofuscada do soft-core ARM Cortex-M0 foram realizados para mostrar o uso e as vantagens do fluxo de projeto proposto. Diversas questões relacionadas à remoção da lógica redundante implementada foram encontradas, bem como o impacto no incremento de área causado pelos votadores de maioria. Além disso, a confiabilidade de diferentes implementações de TMR do soft core ARM sintetizado em FPGA foi avaliada usando campanhas de injeção de falhas emuladas. Como resultado, foi reforçado o nível de alta confiabilidade da implemntação com mais fina granularidade, mesmo na presença de até 10 falhas acumuladas, e a menor capacidade de mitigação correspondente à replicação de flip-flops apenas. / Radiation effects have been one of the most serious issues in military and space applications. But they are also an increasing concern in modern technologies, even for commercial applications at the ground level. Protection or hardening of integrated circuits against radiation effects can be obtained through the use of enhanced fabrication processes and strategies at different stages of the circuit design. The triple modular redundancy (TMR) technique is a widely and well-known technique employed to mask single faults without detecting them. However, the design of TMR circuits is not automated by commercial electronic design automation (EDA) tools and even they can remove partially or totally the redundant logic. On the other hand, there are several tools that can be used to implement the TMR technique in integrated circuits, although most of them are licensed commercial tools, convenient only for specific devices, or with restricted use because of the International Traffic in Arms Regulations (ITAR) regimen. The present work intends to overcome these issues so a methodology is proposed to automate the design of TMR circuits using a commercial design flow. The proposed approach uses a structured netlist to implement automatically TMR circuits at different granularity levels of redundancy for cell-based and field-programmable gate array (FPGA) designs. Optimization of the resulting TMR circuit is also applied based on the gate sizing approach. Moreover, verification of the implemented TMR circuit is based on equivalence checking, and guarantee its correct functionality and its fault-tolerant capability against soft errors. Experiments with an high-level synthesis (HLS)-derived circuit and an obfuscated description of the ARM Cortex-M0 soft-core are performed to show the use and the advantages of the proposed design flow. Several issues related to the removal of the implemented redundant logic were found as well as the impact in the increment of area caused by the majority voters. Furthermore, the reliability of different TMR implementations of the ARM soft-core synthesized in FPGA was evaluated using emulated-simulation fault injection campaigns. As a result, it was reinforced the high-reliability level of the finest granularity implementation even in the presence of up to 10 accumulated faults and the poorest mitigation capacity corresponding to the replication of flip-flops solely.

Der aktuelle Stand der Technologie bringt schnellere und kleinere Bausteine für die Herstellung von integrierten Schaltungen mit sich, die während sie effizienter sind auch anfälliger für Strahlung werden. Kleinere Abmessungen der Transistoren, höhere Integrationsdichte, geringere Versorgungsspannungen und höhere Betriebsfrequenzen sind einige der Charakteristika, die energiegeladene Partikel zu einer Herausforderung machen, wenn man integrierte Schaltungen in rauen Umgebungen einsetzt. Diese Art der Partikel hat einen sehr großen Einfluss auf Prozessoren, die in einer solchen Umgebung eingesetzt werden. Sowohl die Ausführung des Programms, welche durch fehlerhafte Sprünge in der Programmsequenz beeinflusst wird, als auch Daten, die in speichernden Elementen wie Programmspeicher, Datenspeicher oder in Registern abgelegt sind, werden verfälscht. Um solche Prozessorsysteme abzusichern, wird in der Literatur Fehlertoleranz empfohlen, welche die Systemperformanz verringert, einen größeren Flächenverbrauch mit sich bringt und das System dennoch nicht komplett schützen kann. Diese Fehlertoleranz kann sowohl durch software- als auch durch hardwarebasierte Ansätze umgesetzt werden. In diesem Zusammenhang schlagen wir eine Kombination aus Hardware- und Software- Lösung vor, welche die Systemperformanz nur sehr wenig beeinflusst und den zusätzlichen Speicheraufwand minimiert. Diese Hybrid-Technologie zielt darauf ab, alle Fehler in einem System zu finden. Fünf solcher Techniken werden beschrieben und erklärt, zwei der vorgestellten Techniken sind bekannte Software-Lösungen, die anderen drei sind neue Hybrid-Lösungen, um alle transienten Effekte von Strahlung in Prozessoren erkennen zu können. Diese unterschiedlichen Ansätze werden anhand ihrer Ausführungszeit, Programm-, Datenspeicher, Flächenvergrößerung und Taktfrequenz analysiert und ausgewertet. Um die Effizienz und die Machbarkeit des vorgeschlagenen Ansatzes verifizieren zu können, werden Fehlerinjektionstests sowohl durch Simulation als auch durch Bestrahlungsexperimente in unterschiedlichen Positionen mit einer Cobalt-60 Quelle durchgeführt. Die Ergebnisse des vorgeschlagenen Ansatzes verbessern den Stand der Technik durch die Bereitstellung einer höheren Fehlererkennungsrate bei sehr geringer negativer Beeinflussung der Performanz und des Speicherverbrauchs. / Os recentes avanços tecnológicos proporcionaram dispositivos menores e mais rápidos para a fabricação de circuitos que, apesar de mais eficientes, se tornaram mais sensíveis aos efeitos de radiação. Menores dimensões de transistores, mais densidade de integração, tensões de alimentação mais baixas e frequências de operação mais altas são algumas das características que tornaram partículas energizadas um problema, quando lidando com sistemas integrados em ambientes severos. Estes tipos de partículas tem uma grande influencia em processadores funcionando em tais ambientes, afetando tanto o fluxo de execução do programa ao causar desvios incorretos, bem como os dados armazenados em elementos de memória, como memórias de dados e programas e registradores. A fim de proteger sistemas processados, técnicas de tolerância a falhas foram propostas na literatura usando propostas baseadas em hardware, software, que diminuem o desempenho do sistema, aumentam a sua área e não são capazes de proteger totalmente o sistema destes efeitos. Neste contexto, propomos a combinação de técnicas baseadas em hardware e software para criar técnicas híbridas orientadas a detectar todas as falhas que afetam o sistema, com baixa degradação de desempenho e aumento de memória. Cinco técnicas são apresentadas e descritas em detalhes, das quais duas são conhecidas técnicas baseadas puramente em software e três são técnicas híbridas novas, para detectar todos os tipos de efeitos transientes causados pela radiação em processadores. As técnicas são avaliadas de acordo com o aumento no tempo de execução, no uso das memórias de dados e programa e de área, e degradação da frequência de operação. Para verificar a eficiência e aplicabilidade das técnicas propostas, campanhas de injeção de falhas são realizadas ao se simular a injeção de falhas e realizar experimentos de irradiação em diferentes localidades com nêutron e fontes de Cobalto-60. Os resultados mostraram que as técnicas propostas aprimoraram o estado da arte ao fornecer altas taxas de detecção de falhas com baixas penalidades em degradação de desempenho e aumento de memória. / Recent technology advances have provided faster and smaller devices for manufacturing circuits that while more efficient have become more sensitive to the effects of radiation. Smaller transistor dimensions, higher density integration, lower voltage supplies and higher operating frequencies are some of the characteristics that make energized particles an issue when dealing with integrated circuits in harsh environments. These types of particles have a major influence in processors working in such environments, affecting both the program’s execution flow by causing incorrect jumps in the program, and the data stored in memory elements, such as data and program memories, and registers. In order to protect processor systems, fault tolerance techniques have been proposed in literature using hardware-based and software-based approaches, which decrease the system’s performance, increase its area, and are not able to fully protect the system against such effects. In this context, we proposed a combination of hardware- and software-based techniques to create hybrid techniques aimed at detecting all the faults affecting the system, at low performance degradation and memory overhead. Five techniques are presented and described in detail, from which two are known software-based only techniques and three are new hybrid techniques, to detect all kinds of transient effects caused by radiation in processors. The techniques are evaluated according to execution time, program and data memories, and area overhead and operating frequency degradation. To verify the effectiveness and the feasibility of the proposed techniques, fault injection campaigns are performed by injecting faults by simulation and performing irradiation experiments in different locations with neutrons and a Cobalt-60 sources. Results have shown that the proposed techniques improve the state-of-the-art by providing high fault detection rates at low penalties on performance degradation and memory overhead.

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Com a evolução da tecnologia, dispositivos menores e mais rápidos ficam disponíveis para a fabricação de circuitos que, embora sejam mais eficientes, são mais sensíveis aos efeitos da radiação. A alta densidade, ao reduzir a distância entre dispositivos vizinhos, torna possível a ocorrência de múltiplas perturbações como resultado da colisão de uma única partícula. A alta velocidade, ao reduzir os ciclos de relógio dos circuitos, faz com que os pulsos transientes durem mais do que um ciclo. Todos estes fatos impedem o uso de diversas técnicas de mitigação existentes, baseadas em redundância temporal, e tornam necessário o desenvolvimento de técnicas inovadoras para fazer frente a este novo e desafiador cenário. Esta tese inicia com a análise da evolução da duração de pulsos transitórios nas diferentes tecnologias que dá suporte à previsão de que transitórios de longa duração (TLDs) irão afetar sistemas fabricados usando tecnologias futuras e mostra que diversas técnicas de mitigação baseadas em redundância temporal existentes não serão capazes de lidar com os TLDs devido à enorme sobrecarga que elas imporiam ao desempenho. Ao mesmo tempo, as técnicas baseadas em redundância temporal, embora sejam capazes de lidar com TLDs, ainda impõem penalidades muito elevadas em termos de área e energia, o que as torna inadequadas para uso em algumas áreas de aplicação, como as de sistemas portáteis e embarcados. Como uma alternativa para enfrentar estes desafios impostos aos projetistas pelas tecnologias futuras, é proposto o desenvolvimento de técnicas de mitigação com baixa sobrecarga, atuando em níveis de abstração distintos. Exemplos de novas técnicas de baixo custo atuando nos níveis de circuito, algoritmo e arquitetura são apresentados e avaliados. Atuando em nível de algoritmo, uma alternativa de baixo custo para verificação de multiplicação de matrizes é proposta e avaliada, mostrando-se que ela oferece uma boa solução para este problema específico, com uma enorme redução no custo de recomputação quando um erro em um elemento da matriz produto é detectado. Para generalizar esta idéia, o uso de invariantes de software na detecção de erros transitórios durante a execução é sugerido como outra técnica de baixo custo, e é mostrado que esta oferece alta capacidade de detecção de falhas, sendo, portanto, uma boa candidata para uso de maneira complementar com outras técnicas no desenvolvimento de software tolerante a falhas transitórias. Como exemplo de uma técnica em nível de arquitetura, é proposta e avaliada uma melhoria da clássica técnica de lockstep com checkpoint e rollback, mostrando uma redução significativa no número de operações de escrita necessárias para um checkpoint. Finalmente, como um exemplo de técnica de baixo custo baseada em redundância espacial, é proposto e avaliado o uso de código de Hamming na proteção de lógica combinacional, um problema ainda em aberto no projeto de sistemas usando tecnologias futuras. / As the technology evolves, faster and smaller devices are available for manufacturing circuits that, while more efficient, are more sensitive to the effects of radiation. The high transistor density, reducing the distance between neighbor devices, makes possible the occurrence of multiple upsets caused by a single particle hit. The achievable high speed, reducing the clock cycles of circuits, leads to transient pulses lasting longer than one cycle. All those facts preclude the use of several existing soft error mitigation techniques based on temporal redundancy, and require the development of innovative fault tolerant techniques to cope with this challenging new scenario. This thesis starts with the analysis of the transient width scaling across technologies, a fact that supports the prediction that long duration transients (LDTs) will affect systems manufactured using future technologies, and shows that several existing mitigation techniques based on temporal redundancy will not be able to cope with LDTs, due to the huge performance overhead that they would impose. At the same time, space redundancy based techniques, despite being able to deal with LDTs, still impose very high area and power penalties, making them inadequate for use in some application areas, such as portable and embedded systems. As an alternative to face those challenges imposed to designers by future technologies, the development of low overhead mitigation techniques, working at different abstraction levels, is proposed. Examples of new low cost techniques working at the circuit, algorithm, and architecture levels are presented and evaluated. Working at the algorithm level, a low cost verification algorithm for matrix multiplication is proposed and evaluated, showing that it provides a good solution for this specific problem, with dramatic reduction in the cost of recomputation when an error in one of the product matrix elements is detected. In order to generalize this idea, the use of software invariants to detect soft errors at runtime is suggested as a low cost technique, and shown to provide high fault detection capability, being a good candidate for use in a complementary fashion in the development of software tolerant to transient faults. As an example of architecture level technique, the improvement of the classic lockstep with checkpoint and rollback technique is proposed and evaluated, showing significant reduction in the number of write operations required for checkpoints. Finally, as an example of low cost space redundancy technique at circuit level, the use of Hamming coding to protect combinational logic, an open issue in the design of systems using future technologies, is proposed and evaluated through its application to a set of arithmetic and benchmark circuits.

abstract: This PhD thesis consists of three main themes. The first part focusses on modeling of Silver (Ag)-Chalcogenide glass based resistive memory devices known as the Programmable Metallization Cell (PMC). The proposed models are examined with the Technology Computer Aided Design (TCAD) simulations. In order to find a relationship between electrochemistry and carrier-trap statistics in chalcogenide glass films, an analytical mapping for electron trapping is derived. Then, a physical-based model is proposed in order to explain the dynamic behavior of the photodoping mechanism in lateral PMCs. At the end, in order to extract the time constant of ChG materials, a method which enables us to determine the carriers’ mobility with and without the UV light exposure is proposed. In order to validate these models, the results of TCAD simulations using Silvaco ATLAS are also presented in the study, which show good agreement. In the second theme of this dissertation, a new model is presented to predict single event transients in 1T-1R memory arrays as an inverter, where the PMC is modeled as a constant resistance while the OFF transistor is model as a diode in parallel to a capacitance. The model divides the output voltage transient response of an inverter into three time segments, where an ionizing particle striking through the drain–body junction of the OFF-state NMOS is represented as a photocurrent pulse. If this current source is large enough, the output voltage can drop to a negative voltage. In this model, the OFF-state NMOS is represented as the parallel combination of an ideal diode and the intrinsic capacitance of the drain–body junction, while a resistance represents an ON-state NMOS. The proposed model is verified by 3-D TCAD mixed-mode device simulations. In order to investigate the flexibility of the model, the effects of important parameters, such as ON-state PMOS resistance, doping concentration of p-region in the diode, and the photocurrent pulse are scrutinized. The third theme of this dissertation develops various models together with TCAD simulations to model the behavior of different diamond-based devices, including PIN diodes and bipolar junction transistors (BJTs). Diamond is a very attractive material for contemporary power semiconductor devices because of its excellent material properties, such as high breakdown voltage and superior thermal conductivity compared to other materials. Collectively, this research project enhances the development of high power and high temperature electronics using diamond-based semiconductors. During the fabrication process of diamond-based devices, structural defects particularly threading dislocations (TDs), may affect the device electrical properties, and models were developed to account of such defects. Recognition of their behavior helps us understand and predict the performance of diamond-based devices. Here, the electrical conductance through TD sites is shown to be governed by the Poole-Frenkel emission (PFE) for the temperature (T) range of 323 K ˂ T ˂ 423 K. Analytical models were performed to fit with experimental data over the aforementioned temperature range. Next, the Silvaco Atlas tool, a drift-diffusion based TCAD commercial software, was used to model diamond-based BJTs. Here, some field plate methods are proposed in order to decrease the surface electric field. The models used in Atlas are modified to account for both hopping transport in the impurity bands associated with high activation energies for boron doped and phosphorus doped diamond. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2017

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:27:01Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:16Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP