Total ionizing dose (TID) radiation effects modeling and simulation on digital, analog and mixed signal systems remains a significant bottle neck in the development of radiation-hardened electronics. Unverified modeling techniques and the very high computational cost with today's commercial simulation tools are among the primary hindrances to the timely hardened IC design, particularly to the design in commercially available processes. SPICE-based methods have been used for total dose radiation degradation simulations. While SPICE is effective in predicting the circuit behavior under circumstances when the electrical parameters stay constant during operation, it's not effective predicting aging behavior with gradual change with time. Behavioral modeling language, such as VHDL-AMS is needed to effectively capture the time-dependent degradation in these parameters in response to environmental stresses, such as TID radiation.This dissertation describes a method for accurate and rapid TID effect simulation of complex mixed-signal circuits. The method uses a hierarchical structure where small sub-circuits, such as voltage comparators, references, etc. are simulated using SPICE. These SPICE simulations of small circuits for multiple radiation doses are used to tune behavioral VHDL-AMS models for the sub-circuits. The created behavioral models therefore contain the electrical circuit behavior combined with the radiation response. The entire combined system is then simulated using VHDL-AMS.In a simulation experiment that was used to validate the speed and accuracy of the new method, a commercial 8-bit sub-ranging analog to digital converter netlist containing more than 2000 MOS transistors was simulated with TID models using a contemporary SPICE-based method and the new method. The new method shortened the simulation time by three orders of magnitude, while accuracy remained within reasonable limits compared to the SPICE-based method. Moreover, the automated procedures for circuit node bias monitoring, TID model replacement and result collection that are included in the simulation code of the new method decreased the "hands-on" engineering work significantly. Results from an experiment where the new TID effect simulation method was used as a hardness assurance test procedure for integrated circuits designed to be operated in radiation-harsh environments are also included in this dissertation.

Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2010

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À l'ère de systèmes électroniques intégrés, les ingénieurs font face au défi de concevoir et de tester des systèmes hétérogènes contenant des parties analogiques, numériques, mécaniques et même du logiciel embarqué. Cela reste très difficile car il n'y a pas d'outil unifiant ces différents domaines de l’ingénierie. Ces systèmes, dits hétérogènes, ont leur comportement exprimées et spécifiés par plusieurs formalismes, chacun particulier à son domaine d'expertise (diagramme de machines à état pour les circuits de contrôle numérique, équations différentielles pour les modèles mécaniques, ou bien des réseaux de composants pour les circuits analogiques). Les outils de conception existants sont destinés à traiter des systèmes homogènes en utilisant un seul formalisme à la fois. Dans l'état actuel, l'industrie se bat avec des problèmes d'intégration à chaque étape de la conception, à savoir la spécification, la simulation, la validation et le déploiement. L'absence d'une approche qui comprend les spécifications des interfaces inter-domaines est souvent la cause des problèmes d'intégration de différentes parties d'un système hétérogène. Cette thèse propose une approche pour faire face à l'hétérogénéité en utilisant SysML comme outil fédérateur. Notre proposition repose sur la définition d'une sémantique explicite pour les diagrammes SysML ainsi que des éléments d'adaptation sémantiques capables d'enlever les ambiguïtés dans les interfaces multi-domaines. Pour démontrer l'efficacité de ce concept, un ensemble d'outils basés sur l'ingénierie dirigé par les modèles a été construit pour générer du code exécutable automatiquement à partir des spécifications. / In the era of highly integrated electronics systems, engineers face the challenge of designing and testing multi-faceted systems with single-domain tools. This is difficult and error-prone. These so called heterogeneous systems have their operation and specifications expressed by several formalisms, each one particular to specific domains or engineering fields (software, digital hardware, analog, etc.). Existing design tools are meant to deal with homogeneous designs using one formalism at a time. In the current state, industry is forced to battle with integration issues at every design step, i.e. specification, simulation, validation and deployment. Common divide-to-conquer approaches do not include cross-domain interface specification from the beginning of the project. This lack is often the cause of issues and rework while trying to connect parts of the system that were not designed with the same formalism. This thesis proposes an approach to deal with heterogeneity by embracing it from the beginning of the project using SysML as the unifying tool. Our proposal hinges on the assignment of well-defined semantics to SysML diagrams, together with semantic adaptation elements. To demonstrate the effectiveness of this concept, a toolchain is built and used to generate systems simulation executable code automatically from SysML specifications for different target languages using model driven engineering techniques.

À l'ère de systèmes électroniques intégrés, les ingénieurs font face au défi de concevoir et de tester des systèmes hétérogènes contenant des parties analogiques, numériques, mécaniques et même du logiciel embarqué. Cela reste très difficile car il n'y a pas d'outil unifiant ces différents domaines de l’ingénierie. Ces systèmes, dits hétérogènes, ont leur comportement exprimées et spécifiés par plusieurs formalismes, chacun particulier à son domaine d'expertise (diagramme de machines à état pour les circuits de contrôle numérique, équations différentielles pour les modèles mécaniques, ou bien des réseaux de composants pour les circuits analogiques). Les outils de conception existants sont destinés à traiter des systèmes homogènes en utilisant un seul formalisme à la fois. Dans l'état actuel, l'industrie se bat avec des problèmes d'intégration à chaque étape de la conception, à savoir la spécification, la simulation, la validation et le déploiement. L'absence d'une approche qui comprend les spécifications des interfaces inter-domaines est souvent la cause des problèmes d'intégration de différentes parties d'un système hétérogène. Cette thèse propose une approche pour faire face à l'hétérogénéité en utilisant SysML comme outil fédérateur. Notre proposition repose sur la définition d'une sémantique explicite pour les diagrammes SysML ainsi que des éléments d'adaptation sémantiques capables d'enlever les ambiguïtés dans les interfaces multi-domaines. Pour démontrer l'efficacité de ce concept, un ensemble d'outils basés sur l'ingénierie dirigé par les modèles a été construit pour générer du code exécutable automatiquement à partir des spécifications. / In the era of highly integrated electronics systems, engineers face the challenge of designing and testing multi-faceted systems with single-domain tools. This is difficult and error-prone. These so called heterogeneous systems have their operation and specifications expressed by several formalisms, each one particular to specific domains or engineering fields (software, digital hardware, analog, etc.). Existing design tools are meant to deal with homogeneous designs using one formalism at a time. In the current state, industry is forced to battle with integration issues at every design step, i.e. specification, simulation, validation and deployment. Common divide-to-conquer approaches do not include cross-domain interface specification from the beginning of the project. This lack is often the cause of issues and rework while trying to connect parts of the system that were not designed with the same formalism. This thesis proposes an approach to deal with heterogeneity by embracing it from the beginning of the project using SysML as the unifying tool. Our proposal hinges on the assignment of well-defined semantics to SysML diagrams, together with semantic adaptation elements. To demonstrate the effectiveness of this concept, a toolchain is built and used to generate systems simulation executable code automatically from SysML specifications for different target languages using model driven engineering techniques.

La conception assistée par ordinateur (CAO) est largement utilisée dans l’industrie des semi-conducteurs pour la conception et l’analyse des différents composants dont l’étude consiste à résoudre l'équation de dérive-diffusion et l’équation de Poisson. La caractéristique non linéaire de ces équations demande des solutions numériques interactives. Le schéma de Scharfetter-Gummel est utilisé classiquement pour discrétiser l'équation de dérive-diffusion non dégénérée (ou équation de Schockley) pour simuler les phénomènes de transport des particules «électrons et trous» dans un semi-conducteur. Initialement cette méthode a été appliquée à un domaine unidimensionnel. Par la suite, cette méthode a été étendue au problème bidimensionnel sur la base d'un maillage rectangulaire. L’objectif donc de cette thèse serait d’implanter un modèle de diode par VHDL-AMS basé sur la discrétisation selon la méthode Scharfetter-Gummel. Le langage VHDL-AMS (Hardware Description Language – Analog Mixed Signal) est un langage de description comportemental pour les circuits analogiques et mixtes. Inspiré de son équivalent pour les circuits logiques, le VHDL, VHDL-AMS serait donc une extension. Etant donné que le langage VHDL-AMS est de haut niveau, ceci nous permettra de modéliser le comportement de systèmes physiques, électriques, mécaniques ou autres. Parallèlement VHDL-AMS permet de créer des modules, appelés « entités ». Ceux-ci sont définis par leurs ports externes (qui sont une interface avec les autres architectures ou entités) et par des équations mathématiques. La possibilité d’utiliser directement des relations mathématiques lors de la description du modèle nous donne une grande souplesse d’utilisation. Comme tous les langages de description comportementale analogique, VHDL-AMS est initialement dédié à la modélisation de type « haut niveau », tel que la modélisation d’un système électronique complet. L’utilisation d’un tel langage afin de réaliser un modèle de diode, constitue donc une alternative de ce dernier. En raison du grand nombre de nœud il est nécessaire de générer le code VHDL-AMS à partir d'une interface de type java. Les résultats obtenus par cette méthode seront comparés avec d'autres obtenus par différents autres logiciels. Le modèle à concevoir aura comme objectif : - Correspondre aux spécifications initialement tracés par les concepteurs et ceci afin de leur permettre de mettre en évidence les différentes caractéristiques des modules. - Simuler facilement l'intégration et/ou l'adéquation du composant dans un système donné - être conçus de sorte qu'il soit utilisé dans des composants plus complexes. / Computer-aided design (CAD) is widely used in the semiconductor industry for the design and analysis of individual components whose study is to solve the drift-diffusion equation and the Poisson equation. The nonlinear characteristic of these equations request interactive digital solutions. The diagram Scharfetter-Gummel is conventionally used to discretize the non-degenerate drift-diffusion equation (or equation Schockley) to simulate particle transport phenomena "electrons and holes" in a semiconductor. Initially this method was applied to a one-dimensional domain. Subsequently, this method was extended to the two-dimensional problem on the basis of a rectangular mesh. So the aim of this thesis is to implement a VHDL-AMS diode model based on the discretization using the Scharfetter-Gummel method. The VHDL-AMS (Hardware Description Language - Analog Mixed Signal) is a behavioral description language for analog and mixed circuits. Inspired by its equivalent for logic circuits, VHDL, VHDL-AMS would be an extension. Since the VHDL-AMS is high level, this will allow us to model the behavior of physical systems, electrical, mechanical or otherwise. Meanwhile VHDL-AMS can create modules, called "entities". These are defined by their external ports (which are an interface with other architectures or entities) and by mathematical equations. The ability to use mathematical relationships directly in the description of the model gives us great flexibility. Like all analog behavioral description languages, VHDL-AMS is initially dedicated to the modeling of the type "high level" as the modeling of complete electronic systems. The use of such a language in order to achieve a diode model thus constitutes an alternative to the latter. Due to the large number of node it is necessary to generate the VHDL-AMS code from a Matlab-based interface. The results obtained by this method will be compared with others from various softwares. The model design will aim: - Match the specifications originally drawn by designers and in order to allow them to highlight the different characteristics of the modules. - Easily Simulate integration and / or the component adequacy in a given system - Be designed so that it is used in more complex components. -Finally We plan to conduct experimental measures in order to verify the accuracy of our model.