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 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 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 consiste em um estudo acerca dos efeitos da radiação em circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SoC), baseados em FPGAs (Field-Programmable Gate Array). Dentre os diversos efeitos que podem ensejar falhas nos circuitos integrados, destacam-se a ocorrência de Single Event Effects (SEEs), Efeitos Transitórios em tradução livre, e a Dose Total Ionizante, do inglês Total Ionizing Dose (TID). SEEs podem ocorrer em razão da incidência de nêutrons originários de interações de raios cósmicos com a atmosfera terrestre, íons pesados provenientes do espaço e prótons originários do Sol (vento solar) e dos cinturões de Van Allen. A Dose Total Ionizante diz respeito à exposição prolongada de um circuito integrado à radiação ionizante e cuja consequência é a alteração das características elétricas de partes do dispositivo em razão das cargas elétricas induzidas pela radiação e acumuladas nas interfaces dos semicondutores. Dentro desse contexto, este trabalho descreve em detalhes a caracterização do SoC-FPGA baseado em memória FLASH e de sinais mistos SmartFusion A2F200-FG484, da empresa Microsemi, quando exposto à radiação (SEEs e TID) através do uso da técnica de Redundância Diversificada visando a detecção de erros. Também, uma arquitetura que utiliza um esquema baseado em Redundância Modular Tripla e Diversificada é testada através da sua implementação no FPGA baseado em memória SRAM da família Spartan-6, modelo LX45, da empresa Xilinx, visando a detecção e correção de erros causados pela radiação (SEEs). Os resultados obtidos mostram que os diversos blocos funcionais que compõe SoC SmartFusion apresentam diferentes níveis de tolerância à radiação e que o uso das técnicas de Redundância Modular Tripla e Redundância Diversificada em conjunto mostrou-se extremamente eficiente no que se refere a tolerância a SEEs. / This work consists in a study about the radiation effects in programmable circuits and System-on-Chips (SoCs) based on FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays). Single Event Effects (SEEs) and Total Ionizing Dose (TID) are the two main effects caused by the radiation incidence, and both can imply in the occurrence of failures in integrated circuits. SEEs are due to the incidence of neutrons derived from the interaction of the cosmic rays with the terrestrial atmosphere, as well as heavy ions coming from the space and protons provided from the solar wind and the Van Allen belts. Total Ionizing Dose regards the prolonged exposure of an integrated circuit to the ionizing radiation, which deviates the standard electrical characteristics of the device due to radiation-induced electrical charges accumulated in the semiconductors’ interfaces. In this context, this work aims to describe in details the characterization of Microsemi’s mixed-signal SoC-FPGA SmartFusion A2F200-FG484 when exposed to radiation (SEEs and TID), using a Diverse Redundancy approach for error detection. As well, an architecture using a Diversified Triple Modular Redundancy scheme was tested (SEEs) through its implementation in a Xilinx’s Spartan-6 LX45 FPGA, aiming error detection and correction. The results obtained show that several functional blocks from SmartFusion have different radiation tolerance levels and that the use of the Triple Modular Redundancy together with Diversified Redundancy proved to be extremely efficient in terms of SEEs tolerance.

Este trabalho consiste em um estudo acerca dos efeitos da radiação em circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SoC), baseados em FPGAs (Field-Programmable Gate Array). Dentre os diversos efeitos que podem ensejar falhas nos circuitos integrados, destacam-se a ocorrência de Single Event Effects (SEEs), Efeitos Transitórios em tradução livre, e a Dose Total Ionizante, do inglês Total Ionizing Dose (TID). SEEs podem ocorrer em razão da incidência de nêutrons originários de interações de raios cósmicos com a atmosfera terrestre, íons pesados provenientes do espaço e prótons originários do Sol (vento solar) e dos cinturões de Van Allen. A Dose Total Ionizante diz respeito à exposição prolongada de um circuito integrado à radiação ionizante e cuja consequência é a alteração das características elétricas de partes do dispositivo em razão das cargas elétricas induzidas pela radiação e acumuladas nas interfaces dos semicondutores. Dentro desse contexto, este trabalho descreve em detalhes a caracterização do SoC-FPGA baseado em memória FLASH e de sinais mistos SmartFusion A2F200-FG484, da empresa Microsemi, quando exposto à radiação (SEEs e TID) através do uso da técnica de Redundância Diversificada visando a detecção de erros. Também, uma arquitetura que utiliza um esquema baseado em Redundância Modular Tripla e Diversificada é testada através da sua implementação no FPGA baseado em memória SRAM da família Spartan-6, modelo LX45, da empresa Xilinx, visando a detecção e correção de erros causados pela radiação (SEEs). Os resultados obtidos mostram que os diversos blocos funcionais que compõe SoC SmartFusion apresentam diferentes níveis de tolerância à radiação e que o uso das técnicas de Redundância Modular Tripla e Redundância Diversificada em conjunto mostrou-se extremamente eficiente no que se refere a tolerância a SEEs. / This work consists in a study about the radiation effects in programmable circuits and System-on-Chips (SoCs) based on FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays). Single Event Effects (SEEs) and Total Ionizing Dose (TID) are the two main effects caused by the radiation incidence, and both can imply in the occurrence of failures in integrated circuits. SEEs are due to the incidence of neutrons derived from the interaction of the cosmic rays with the terrestrial atmosphere, as well as heavy ions coming from the space and protons provided from the solar wind and the Van Allen belts. Total Ionizing Dose regards the prolonged exposure of an integrated circuit to the ionizing radiation, which deviates the standard electrical characteristics of the device due to radiation-induced electrical charges accumulated in the semiconductors’ interfaces. In this context, this work aims to describe in details the characterization of Microsemi’s mixed-signal SoC-FPGA SmartFusion A2F200-FG484 when exposed to radiation (SEEs and TID), using a Diverse Redundancy approach for error detection. As well, an architecture using a Diversified Triple Modular Redundancy scheme was tested (SEEs) through its implementation in a Xilinx’s Spartan-6 LX45 FPGA, aiming error detection and correction. The results obtained show that several functional blocks from SmartFusion have different radiation tolerance levels and that the use of the Triple Modular Redundancy together with Diversified Redundancy proved to be extremely efficient in terms of SEEs tolerance.

Este trabalho consiste em um estudo acerca dos efeitos da radiação em circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SoC), baseados em FPGAs (Field-Programmable Gate Array). Dentre os diversos efeitos que podem ensejar falhas nos circuitos integrados, destacam-se a ocorrência de Single Event Effects (SEEs), Efeitos Transitórios em tradução livre, e a Dose Total Ionizante, do inglês Total Ionizing Dose (TID). SEEs podem ocorrer em razão da incidência de nêutrons originários de interações de raios cósmicos com a atmosfera terrestre, íons pesados provenientes do espaço e prótons originários do Sol (vento solar) e dos cinturões de Van Allen. A Dose Total Ionizante diz respeito à exposição prolongada de um circuito integrado à radiação ionizante e cuja consequência é a alteração das características elétricas de partes do dispositivo em razão das cargas elétricas induzidas pela radiação e acumuladas nas interfaces dos semicondutores. Dentro desse contexto, este trabalho descreve em detalhes a caracterização do SoC-FPGA baseado em memória FLASH e de sinais mistos SmartFusion A2F200-FG484, da empresa Microsemi, quando exposto à radiação (SEEs e TID) através do uso da técnica de Redundância Diversificada visando a detecção de erros. Também, uma arquitetura que utiliza um esquema baseado em Redundância Modular Tripla e Diversificada é testada através da sua implementação no FPGA baseado em memória SRAM da família Spartan-6, modelo LX45, da empresa Xilinx, visando a detecção e correção de erros causados pela radiação (SEEs). Os resultados obtidos mostram que os diversos blocos funcionais que compõe SoC SmartFusion apresentam diferentes níveis de tolerância à radiação e que o uso das técnicas de Redundância Modular Tripla e Redundância Diversificada em conjunto mostrou-se extremamente eficiente no que se refere a tolerância a SEEs. / This work consists in a study about the radiation effects in programmable circuits and System-on-Chips (SoCs) based on FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays). Single Event Effects (SEEs) and Total Ionizing Dose (TID) are the two main effects caused by the radiation incidence, and both can imply in the occurrence of failures in integrated circuits. SEEs are due to the incidence of neutrons derived from the interaction of the cosmic rays with the terrestrial atmosphere, as well as heavy ions coming from the space and protons provided from the solar wind and the Van Allen belts. Total Ionizing Dose regards the prolonged exposure of an integrated circuit to the ionizing radiation, which deviates the standard electrical characteristics of the device due to radiation-induced electrical charges accumulated in the semiconductors’ interfaces. In this context, this work aims to describe in details the characterization of Microsemi’s mixed-signal SoC-FPGA SmartFusion A2F200-FG484 when exposed to radiation (SEEs and TID), using a Diverse Redundancy approach for error detection. As well, an architecture using a Diversified Triple Modular Redundancy scheme was tested (SEEs) through its implementation in a Xilinx’s Spartan-6 LX45 FPGA, aiming error detection and correction. The results obtained show that several functional blocks from SmartFusion have different radiation tolerance levels and that the use of the Triple Modular Redundancy together with Diversified Redundancy proved to be extremely efficient in terms of SEEs tolerance.