The high-radiation environment in space can lead to anomalies in normal satellite operation. A major cause of concern to spacecraft-designers is the single event upset (SEU). SEUs can result in deviations from expected component behavior and are capable of causing irreversible damage to hardware. In particular, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are known to be highly susceptible to SEUs. Radiation-hardened versions of such devices are associated with an increase in power consumption and cost in addition to being technologically inferior when compared to contemporary commercial-off-the-shelf (COTS) parts. This thesis consequently aims at exploring the option of using COTS FPGAs in satellite payloads. A framework is developed, allowing the SEU susceptibility of such a device to be studied. SEU testing is carried out in a software-simulated fault environment using a set of Java classes called JBits. A radiation detector module, to measure the radiation backdrop of the device, is also envisioned as part of the final design implementation.

Este trabalho consiste no estudo e análise da suscetibilidade a efeitos da radiação em projetos de circuitos gerados por ferramenta de Síntese de Alto Nível para FPGAs (Field Programmable Gate Array), ou seja, circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SOC). Através de um injetor de falhas por emulação usando o ICAP (Internal Configuration Access Port) localizado dentro do FPGA é possível injetar falhas simples ou acumuladas do tipo SEU (Single Event Upset), definidas como perturbações que podem afetar o funcionamento correto do dispositivo através da inversão de um bit por uma partícula carregada. SEU está dentro da classificação de SEEs (Single Event Effects), efeitos transitórios em tradução livre, podem ocorrer devido a penetração de partículas de alta energia do espaço e do sol (raios cósmicos e solares) na atmosfera da Terra que colidem com átomos de nitrogênio e oxigênio resultando na produção de partículas carregadas, na grande maioria nêutrons. Dentro deste contexto além de analisar a suscetibilidade de projetos gerados por ferramenta de Síntese de Alto Nível, torna-se relevante o estudo de técnicas de redundância como TMR (Triple Modular Redundance) para detecção, correção de erros e comparação com projetos desprotegidos verificando a confiabilidade. Os resultados mostram que no modo de injeção de falhas simples os projetos com redundância TMR demonstram ser efetivos. Na injeção de falhas acumuladas o projeto com múltiplos canais apresentou melhor confiabilidade do que o projeto desprotegido e com redundância de canal simples, tolerando um maior número de falhas antes de ter seu funcionamento comprometido. / This work consists of the study and analysis of the susceptibility to effects of radiation in circuits projects generated by High Level Synthesis tool for FPGAs Field Programmable Gate Array (FPGAs), that is, system-on-chip (SOC). Through an emulation fault injector using ICAP (Internal Configuration Access Port), located inside the FPGA, it is possible to inject single or accumulated failures of the type SEU (Single Event Upset), defined as disturbances that can affect the correct functioning of the device through the inversion of a bit by a charged particle. SEU is within the classification of SEEs (Single Event Effects), can occur due to the penetration of high energy particles from space and from the sun (cosmic and solar rays) in the Earth's atmosphere that collide with atoms of nitrogen and oxygen resulting in the production of charged particles, most of them neutrons. In this context, in addition to analyzing the susceptibility of projects generated by a High Level Synthesis tool, it becomes relevant to study redundancy techniques such as TMR (Triple Modular Redundancy) for detection, correction of errors and comparison with unprotected projects verifying the reliability. The results show that in the simple fault injection mode TMR redundant projects prove to be effective. In the case of accumulated fault injection, the multichannel design presented better reliability than the unprotected design and with single channel redundancy, tolerating a greater number of failures before its operation was compromised.

Este trabalho estuda os efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs, do inglês, Field Programmable Analog Arrays) e técnicas de proteção que podem ser aplicadas para mitigar tais efeitos. Circuitos operando no espaço ou em altitudes elevadas, como, por exemplo, em satélites e aeronaves, recebem doses de radiação e impacto de íons e outras partículas que, dependendo da altitude e de características do próprio circuito, podem afetar o seu correto funcionamento. Os FPAAs proporcionam características interessantes aos sistemas analógicos e de sinal misto, como a prototipação rápida e a possibilidade de reconfiguração dinâmica (permitindo a implementação de sistemas de instrumentação e controle adaptativos). Assim, os FPAAs podem ser atrativos aos projetistas de sistemas de aplicação espacial, uma vez que a utilização de componentes comerciais, (COTS - do inglês, Commercial Off-The-Shelf), é uma alternativa para redução de custos do sistema final. Por isso, é necessário classificar estes dispositivos segundo o nível de tolerância à radiação e desenvolver técnicas de proteção contra seus efeitos. Essencialmente, é possível dividir os efeitos da radiação em dois principais grupos: efeitos de dose total ionizante ou TID (do inglês, Total Ionizing Dose) e os eventos singulares (Single Event Effects ou SEEs). Os dois principais eventos singulares que podem perturbar os FPAAs são investigados: os SETs (Single Event Transients) e os SEUs (Single Event Upsets). Os SETs podem gerar pulsos transientes em determinados nós do circuito, e, quando atingem o inversor de controle das portas de transmissão dos bancos de capacitores do dispositivo, podem ocasionar uma redistribuição de carga entre os capacitores do banco, afetando temporariamente o sinal que trafega pelo FPAA. Tais efeitos foram investigados através de simulações spice. Já os SEUs podem afetar os FPAAs que são baseados em memória do tipo SRAM. Para investigar tais efeitos foram realizados experimentos de injeção de falhas do tipo bit-flip (inversão de bit) no bitstream de programação de um FPAA baseado neste tipo de memória. Os experimentos mostraram que a inversão de um único bit pode ser catastrófica para o funcionamento do sistema. Posteriormente, um esquema self-checking (autoverificável) baseado em redundância foi proposto. Tal esquema foi construído com os recursos programáveis do FPAA e é capaz de recuperar os dados originais de programação do dispositivo se um erro for detectado. A capacidade do esquema proposto de detectar desvios funcionais no bloco sob teste e sua confiabilidade quando os seus próprios blocos são afetados por inversão de bits de memória, foram investigadas. Finalmente, os efeitos de dose total sobre dispositivos programáveis foram investigados através de um experimento prático, no qual um FPAA comercial foi bombardeado por radiação gama proveniente de uma fonte de Cobalto-60. Os resultados experimentais mostraramm que as chaves analógicas, que proporcionam a programabilidade do dispositivo, e seus circuitos de controle são os principais responsáveis por degradar o sinal processado pelo FPAA quando determinados níveis de dose total acumulada são atingidos. / In this work the radiation effects on Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) are studied and mitigation techniques are proposed. The main effects induced by radiation sources in electronic circuits operating in space and at high altitudes are SEU (Single Event Upset), SET (Single Event Transient) and TID (Total Ionizing Dose). FPAAs are programmable analog circuits that provide design flexibility and some interesting features for applications such as adaptive control and instrumentation and evolvable analog hardware. These features can be very useful in avionics and space applications, where the system environmental variables can vary significantly in few minutes, being necessary to re-calibrate the sensor conditioning circuits to correct errors or improve system performance, for example. Since the use of commercial off-the-shelf (COTS) components may reduce systems costs in such critical applications, it is very important to develop system-level mitigation techniques (to radiation effects), aiming the increasing of the reliability of commercial available devices (including FPAAs). Some FPAA models are based on SRAM memory cells, which make this kind of device vulnerable to SEU when employed in applications susceptible to radiation incidence. An SEU can affect the programming memory of the FPAA and change the device configuration, modifying the analog circuit behavior. In this work, fault injection experiments were performed in order to investigate the effects of SEU in a commercial FPAA by injecting bit-flips in the FPAA programming bitstream. Then, a self-checking scheme was proposed. This scheme, which is built with the FPAA available programming resources, is able to restore the original programming data if an error is detected. Fault injection was also performed to investigate the reliability of the checker when the bitstream section which controls its own blocks is corrupted due to an SEU. Results indicated a very low aliasing probability due to single faults in the checker (0.24%). Effects of SET were also studied, considering the disturbance of the switches (transmission gates) of the FPAA programmable capacitor banks. Spice simulations showed that transient pulses in the control circuit of the switches may lead to charge redistribution between the capacitors of the bank, affecting the voltage and current of the involved nodes. Finally, total ionizing dose (TID) effects were investigated by means of an irradiation experiment. In such experiment the FPAA was exposed to Cobalt-60 gamma radiation. The experimental results showed that the analog switches of the device as well as their control circuits are the main responsible for degradating the processed signal when certain radiation levels were achieved.

Este trabalho consiste no estudo e análise da suscetibilidade a efeitos da radiação em projetos de circuitos gerados por ferramenta de Síntese de Alto Nível para FPGAs (Field Programmable Gate Array), ou seja, circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SOC). Através de um injetor de falhas por emulação usando o ICAP (Internal Configuration Access Port) localizado dentro do FPGA é possível injetar falhas simples ou acumuladas do tipo SEU (Single Event Upset), definidas como perturbações que podem afetar o funcionamento correto do dispositivo através da inversão de um bit por uma partícula carregada. SEU está dentro da classificação de SEEs (Single Event Effects), efeitos transitórios em tradução livre, podem ocorrer devido a penetração de partículas de alta energia do espaço e do sol (raios cósmicos e solares) na atmosfera da Terra que colidem com átomos de nitrogênio e oxigênio resultando na produção de partículas carregadas, na grande maioria nêutrons. Dentro deste contexto além de analisar a suscetibilidade de projetos gerados por ferramenta de Síntese de Alto Nível, torna-se relevante o estudo de técnicas de redundância como TMR (Triple Modular Redundance) para detecção, correção de erros e comparação com projetos desprotegidos verificando a confiabilidade. Os resultados mostram que no modo de injeção de falhas simples os projetos com redundância TMR demonstram ser efetivos. Na injeção de falhas acumuladas o projeto com múltiplos canais apresentou melhor confiabilidade do que o projeto desprotegido e com redundância de canal simples, tolerando um maior número de falhas antes de ter seu funcionamento comprometido. / This work consists of the study and analysis of the susceptibility to effects of radiation in circuits projects generated by High Level Synthesis tool for FPGAs Field Programmable Gate Array (FPGAs), that is, system-on-chip (SOC). Through an emulation fault injector using ICAP (Internal Configuration Access Port), located inside the FPGA, it is possible to inject single or accumulated failures of the type SEU (Single Event Upset), defined as disturbances that can affect the correct functioning of the device through the inversion of a bit by a charged particle. SEU is within the classification of SEEs (Single Event Effects), can occur due to the penetration of high energy particles from space and from the sun (cosmic and solar rays) in the Earth's atmosphere that collide with atoms of nitrogen and oxygen resulting in the production of charged particles, most of them neutrons. In this context, in addition to analyzing the susceptibility of projects generated by a High Level Synthesis tool, it becomes relevant to study redundancy techniques such as TMR (Triple Modular Redundancy) for detection, correction of errors and comparison with unprotected projects verifying the reliability. The results show that in the simple fault injection mode TMR redundant projects prove to be effective. In the case of accumulated fault injection, the multichannel design presented better reliability than the unprotected design and with single channel redundancy, tolerating a greater number of failures before its operation was compromised.

Este trabalho estuda os efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs, do inglês, Field Programmable Analog Arrays) e técnicas de proteção que podem ser aplicadas para mitigar tais efeitos. Circuitos operando no espaço ou em altitudes elevadas, como, por exemplo, em satélites e aeronaves, recebem doses de radiação e impacto de íons e outras partículas que, dependendo da altitude e de características do próprio circuito, podem afetar o seu correto funcionamento. Os FPAAs proporcionam características interessantes aos sistemas analógicos e de sinal misto, como a prototipação rápida e a possibilidade de reconfiguração dinâmica (permitindo a implementação de sistemas de instrumentação e controle adaptativos). Assim, os FPAAs podem ser atrativos aos projetistas de sistemas de aplicação espacial, uma vez que a utilização de componentes comerciais, (COTS - do inglês, Commercial Off-The-Shelf), é uma alternativa para redução de custos do sistema final. Por isso, é necessário classificar estes dispositivos segundo o nível de tolerância à radiação e desenvolver técnicas de proteção contra seus efeitos. Essencialmente, é possível dividir os efeitos da radiação em dois principais grupos: efeitos de dose total ionizante ou TID (do inglês, Total Ionizing Dose) e os eventos singulares (Single Event Effects ou SEEs). Os dois principais eventos singulares que podem perturbar os FPAAs são investigados: os SETs (Single Event Transients) e os SEUs (Single Event Upsets). Os SETs podem gerar pulsos transientes em determinados nós do circuito, e, quando atingem o inversor de controle das portas de transmissão dos bancos de capacitores do dispositivo, podem ocasionar uma redistribuição de carga entre os capacitores do banco, afetando temporariamente o sinal que trafega pelo FPAA. Tais efeitos foram investigados através de simulações spice. Já os SEUs podem afetar os FPAAs que são baseados em memória do tipo SRAM. Para investigar tais efeitos foram realizados experimentos de injeção de falhas do tipo bit-flip (inversão de bit) no bitstream de programação de um FPAA baseado neste tipo de memória. Os experimentos mostraram que a inversão de um único bit pode ser catastrófica para o funcionamento do sistema. Posteriormente, um esquema self-checking (autoverificável) baseado em redundância foi proposto. Tal esquema foi construído com os recursos programáveis do FPAA e é capaz de recuperar os dados originais de programação do dispositivo se um erro for detectado. A capacidade do esquema proposto de detectar desvios funcionais no bloco sob teste e sua confiabilidade quando os seus próprios blocos são afetados por inversão de bits de memória, foram investigadas. Finalmente, os efeitos de dose total sobre dispositivos programáveis foram investigados através de um experimento prático, no qual um FPAA comercial foi bombardeado por radiação gama proveniente de uma fonte de Cobalto-60. Os resultados experimentais mostraramm que as chaves analógicas, que proporcionam a programabilidade do dispositivo, e seus circuitos de controle são os principais responsáveis por degradar o sinal processado pelo FPAA quando determinados níveis de dose total acumulada são atingidos. / In this work the radiation effects on Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) are studied and mitigation techniques are proposed. The main effects induced by radiation sources in electronic circuits operating in space and at high altitudes are SEU (Single Event Upset), SET (Single Event Transient) and TID (Total Ionizing Dose). FPAAs are programmable analog circuits that provide design flexibility and some interesting features for applications such as adaptive control and instrumentation and evolvable analog hardware. These features can be very useful in avionics and space applications, where the system environmental variables can vary significantly in few minutes, being necessary to re-calibrate the sensor conditioning circuits to correct errors or improve system performance, for example. Since the use of commercial off-the-shelf (COTS) components may reduce systems costs in such critical applications, it is very important to develop system-level mitigation techniques (to radiation effects), aiming the increasing of the reliability of commercial available devices (including FPAAs). Some FPAA models are based on SRAM memory cells, which make this kind of device vulnerable to SEU when employed in applications susceptible to radiation incidence. An SEU can affect the programming memory of the FPAA and change the device configuration, modifying the analog circuit behavior. In this work, fault injection experiments were performed in order to investigate the effects of SEU in a commercial FPAA by injecting bit-flips in the FPAA programming bitstream. Then, a self-checking scheme was proposed. This scheme, which is built with the FPAA available programming resources, is able to restore the original programming data if an error is detected. Fault injection was also performed to investigate the reliability of the checker when the bitstream section which controls its own blocks is corrupted due to an SEU. Results indicated a very low aliasing probability due to single faults in the checker (0.24%). Effects of SET were also studied, considering the disturbance of the switches (transmission gates) of the FPAA programmable capacitor banks. Spice simulations showed that transient pulses in the control circuit of the switches may lead to charge redistribution between the capacitors of the bank, affecting the voltage and current of the involved nodes. Finally, total ionizing dose (TID) effects were investigated by means of an irradiation experiment. In such experiment the FPAA was exposed to Cobalt-60 gamma radiation. The experimental results showed that the analog switches of the device as well as their control circuits are the main responsible for degradating the processed signal when certain radiation levels were achieved.

abstract: The space environment comprises cosmic ray particles, heavy ions and high energy electrons and protons. Microelectronic circuits used in space applications such as satellites and space stations are prone to upsets induced by these particles. With transistor dimensions shrinking due to continued scaling, terrestrial integrated circuits are also increasingly susceptible to radiation upsets. Hence radiation hardening is a requirement for microelectronic circuits used in both space and terrestrial applications. This work begins by exploring the different radiation hardened flip-flops that have been proposed in the literature and classifies them based on the different hardening techniques. A reduced power delay element for the temporal hardening of sequential digital circuits is presented. The delay element single event transient tolerance is demonstrated by simulations using it in a radiation hardened by design master slave flip-flop (FF). Using the proposed delay element saves up to 25% total FF power at 50% activity factor. The delay element is used in the implementation of an 8-bit, 8051 designed in the TSMC 130 nm bulk CMOS. A single impinging ionizing radiation particle is increasingly likely to upset multiple circuit nodes and produce logic transients that contribute to the soft error rate in most modern scaled process technologies. The design of flip-flops is made more difficult with increasing multi-node charge collection, which requires that charge storage and other sensitive nodes be separated so that one impinging radiation particle does not affect redundant nodes simultaneously. We describe a correct-by-construction design methodology to determine a-priori which hardened FF nodes must be separated, as well as a general interleaving scheme to achieve this separation. We apply the methodology to radiation hardened flip-flops and demonstrate optimal circuit physical organization for protection against multi-node charge collection. Finally, the methodology is utilized to provide critical node separation for a new hardened flip-flop design that reduces the power and area by 31% and 35% respectively compared to a temporal FF with similar hardness. The hardness is verified and compared to other published designs via the proposed systematic simulation approach that comprehends multiple node charge collection and tests resiliency to upsets at all internal and input nodes. Comparison of the hardness, as measured by estimated upset cross-section, is made to other published designs. Additionally, the importance of specific circuit design aspects to achieving hardness is shown. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2015

Este trabalho consiste no estudo e análise da suscetibilidade a efeitos da radiação em projetos de circuitos gerados por ferramenta de Síntese de Alto Nível para FPGAs (Field Programmable Gate Array), ou seja, circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SOC). Através de um injetor de falhas por emulação usando o ICAP (Internal Configuration Access Port) localizado dentro do FPGA é possível injetar falhas simples ou acumuladas do tipo SEU (Single Event Upset), definidas como perturbações que podem afetar o funcionamento correto do dispositivo através da inversão de um bit por uma partícula carregada. SEU está dentro da classificação de SEEs (Single Event Effects), efeitos transitórios em tradução livre, podem ocorrer devido a penetração de partículas de alta energia do espaço e do sol (raios cósmicos e solares) na atmosfera da Terra que colidem com átomos de nitrogênio e oxigênio resultando na produção de partículas carregadas, na grande maioria nêutrons. Dentro deste contexto além de analisar a suscetibilidade de projetos gerados por ferramenta de Síntese de Alto Nível, torna-se relevante o estudo de técnicas de redundância como TMR (Triple Modular Redundance) para detecção, correção de erros e comparação com projetos desprotegidos verificando a confiabilidade. Os resultados mostram que no modo de injeção de falhas simples os projetos com redundância TMR demonstram ser efetivos. Na injeção de falhas acumuladas o projeto com múltiplos canais apresentou melhor confiabilidade do que o projeto desprotegido e com redundância de canal simples, tolerando um maior número de falhas antes de ter seu funcionamento comprometido. / This work consists of the study and analysis of the susceptibility to effects of radiation in circuits projects generated by High Level Synthesis tool for FPGAs Field Programmable Gate Array (FPGAs), that is, system-on-chip (SOC). Through an emulation fault injector using ICAP (Internal Configuration Access Port), located inside the FPGA, it is possible to inject single or accumulated failures of the type SEU (Single Event Upset), defined as disturbances that can affect the correct functioning of the device through the inversion of a bit by a charged particle. SEU is within the classification of SEEs (Single Event Effects), can occur due to the penetration of high energy particles from space and from the sun (cosmic and solar rays) in the Earth's atmosphere that collide with atoms of nitrogen and oxygen resulting in the production of charged particles, most of them neutrons. In this context, in addition to analyzing the susceptibility of projects generated by a High Level Synthesis tool, it becomes relevant to study redundancy techniques such as TMR (Triple Modular Redundancy) for detection, correction of errors and comparison with unprotected projects verifying the reliability. The results show that in the simple fault injection mode TMR redundant projects prove to be effective. In the case of accumulated fault injection, the multichannel design presented better reliability than the unprotected design and with single channel redundancy, tolerating a greater number of failures before its operation was compromised.

Este trabalho estuda os efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs, do inglês, Field Programmable Analog Arrays) e técnicas de proteção que podem ser aplicadas para mitigar tais efeitos. Circuitos operando no espaço ou em altitudes elevadas, como, por exemplo, em satélites e aeronaves, recebem doses de radiação e impacto de íons e outras partículas que, dependendo da altitude e de características do próprio circuito, podem afetar o seu correto funcionamento. Os FPAAs proporcionam características interessantes aos sistemas analógicos e de sinal misto, como a prototipação rápida e a possibilidade de reconfiguração dinâmica (permitindo a implementação de sistemas de instrumentação e controle adaptativos). Assim, os FPAAs podem ser atrativos aos projetistas de sistemas de aplicação espacial, uma vez que a utilização de componentes comerciais, (COTS - do inglês, Commercial Off-The-Shelf), é uma alternativa para redução de custos do sistema final. Por isso, é necessário classificar estes dispositivos segundo o nível de tolerância à radiação e desenvolver técnicas de proteção contra seus efeitos. Essencialmente, é possível dividir os efeitos da radiação em dois principais grupos: efeitos de dose total ionizante ou TID (do inglês, Total Ionizing Dose) e os eventos singulares (Single Event Effects ou SEEs). Os dois principais eventos singulares que podem perturbar os FPAAs são investigados: os SETs (Single Event Transients) e os SEUs (Single Event Upsets). Os SETs podem gerar pulsos transientes em determinados nós do circuito, e, quando atingem o inversor de controle das portas de transmissão dos bancos de capacitores do dispositivo, podem ocasionar uma redistribuição de carga entre os capacitores do banco, afetando temporariamente o sinal que trafega pelo FPAA. Tais efeitos foram investigados através de simulações spice. Já os SEUs podem afetar os FPAAs que são baseados em memória do tipo SRAM. Para investigar tais efeitos foram realizados experimentos de injeção de falhas do tipo bit-flip (inversão de bit) no bitstream de programação de um FPAA baseado neste tipo de memória. Os experimentos mostraram que a inversão de um único bit pode ser catastrófica para o funcionamento do sistema. Posteriormente, um esquema self-checking (autoverificável) baseado em redundância foi proposto. Tal esquema foi construído com os recursos programáveis do FPAA e é capaz de recuperar os dados originais de programação do dispositivo se um erro for detectado. A capacidade do esquema proposto de detectar desvios funcionais no bloco sob teste e sua confiabilidade quando os seus próprios blocos são afetados por inversão de bits de memória, foram investigadas. Finalmente, os efeitos de dose total sobre dispositivos programáveis foram investigados através de um experimento prático, no qual um FPAA comercial foi bombardeado por radiação gama proveniente de uma fonte de Cobalto-60. Os resultados experimentais mostraramm que as chaves analógicas, que proporcionam a programabilidade do dispositivo, e seus circuitos de controle são os principais responsáveis por degradar o sinal processado pelo FPAA quando determinados níveis de dose total acumulada são atingidos. / In this work the radiation effects on Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) are studied and mitigation techniques are proposed. The main effects induced by radiation sources in electronic circuits operating in space and at high altitudes are SEU (Single Event Upset), SET (Single Event Transient) and TID (Total Ionizing Dose). FPAAs are programmable analog circuits that provide design flexibility and some interesting features for applications such as adaptive control and instrumentation and evolvable analog hardware. These features can be very useful in avionics and space applications, where the system environmental variables can vary significantly in few minutes, being necessary to re-calibrate the sensor conditioning circuits to correct errors or improve system performance, for example. Since the use of commercial off-the-shelf (COTS) components may reduce systems costs in such critical applications, it is very important to develop system-level mitigation techniques (to radiation effects), aiming the increasing of the reliability of commercial available devices (including FPAAs). Some FPAA models are based on SRAM memory cells, which make this kind of device vulnerable to SEU when employed in applications susceptible to radiation incidence. An SEU can affect the programming memory of the FPAA and change the device configuration, modifying the analog circuit behavior. In this work, fault injection experiments were performed in order to investigate the effects of SEU in a commercial FPAA by injecting bit-flips in the FPAA programming bitstream. Then, a self-checking scheme was proposed. This scheme, which is built with the FPAA available programming resources, is able to restore the original programming data if an error is detected. Fault injection was also performed to investigate the reliability of the checker when the bitstream section which controls its own blocks is corrupted due to an SEU. Results indicated a very low aliasing probability due to single faults in the checker (0.24%). Effects of SET were also studied, considering the disturbance of the switches (transmission gates) of the FPAA programmable capacitor banks. Spice simulations showed that transient pulses in the control circuit of the switches may lead to charge redistribution between the capacitors of the bank, affecting the voltage and current of the involved nodes. Finally, total ionizing dose (TID) effects were investigated by means of an irradiation experiment. In such experiment the FPAA was exposed to Cobalt-60 gamma radiation. The experimental results showed that the analog switches of the device as well as their control circuits are the main responsible for degradating the processed signal when certain radiation levels were achieved.

En la presente tesis se propone una metodología de desarrollo de estrategias híbridas para la mitigación de fallos inducidos por radiación en los sistemas empotrados modernos. La propuesta se basa en los principios del co-diseño de sistemas y consiste en la combinación selectiva, incremental y flexible de enfoques de tolerancia a fallos basados en hardware y software. Es decir, la exploración del espacio de soluciones se fundamenta en una estrategia híbrida de grano fino. El flujo de diseño está guiado por los requisitos de la aplicación. Esta metodología se ha denominado: co-endurecimiento. De esta forma, es posible diseñar sistemas embebidos confiables a bajo coste, donde no sólo se satisfagan los requisitos de confiabilidad y las restricciones de diseño, sino que también se evite el uso excesivo de costosos mecanismos de protección (hardware y software).

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