O processo de seleção de um novo padrão para criptografia de dados promovido pelo governo norte-americano, denominado Advanced Encryption Standard - AES, resultou na escolha do algoritmo Rijndael. Este cifrador trabalha com blocos de 128 bits e chave criptográfica de 128, 192 ou 256 bits. Espera-se que este novo padrão seja amplamente adotado pela iniciativa privada, substituindo o Data Encryption Standard - DES - a médio prazo. Neste trabalho é proposta uma arquitetura de um coprocessador dedicado para executar as funções de cifragem e decifragem de acordo com a norma AES, com chave criptográfica de 128 bits. O circuito foi implementado em um dispositivo lógico reconfigurável do tipo Field Programmable Gate Array - FPGA. A arquitetura proposta foi projetada com a finalidade de reduzir a quantidade de recursos utilizados, de forma a ser implementada em um dispositivo de média densidade e baixo custo. Para a etapa de síntese foi utilizado um dispositivo Altera ACEX 1K50. O circuito sintetizado utiliza 1984 elementos lógicos e 6 blocos de memória embarcada, atingindo uma taxa de cifragem estimada de 91,8 megabits por segundo. O funcionamento do coprocessador foi comprovado através de teste funcional, utilizando os vetores de teste fornecidos pela norma.

Confiabilidade é um parâmetro de projeto importante para aplicações criticas tanto na Terra como também no espaço. Os FPGAs baseados em memoria SRAM são atrativos para implementar aplicações criticas devido a seu alto desempenho e flexibilidade. No entanto, estes FPGAs são susceptíveis aos efeitos da radiação tais como os erros transientes na memoria de configuração. Além disso, outros efeitos como o envelhecimento (aging) ou escalonamento da tensão de alimentação (voltage scaling) incrementam a sensibilidade à radiação dos FPGAs. Nossos resultados experimentais mostram que o envelhecimento e o escalonamento da tensão de alimentação podem aumentar ao menos duas vezes a susceptibilidade de FPGAs baseados em SRAM a erros transientes. Estes resultados são inovadores porque estes combinam três efeitos reais que acontecem em FPGAs baseados em SRAM. Os resultados podem guiar aos projetistas a prever os efeitos dos erros transientes durante o tempo de operação do dispositivo em diferentes níveis de tensão. A correção da memoria usando a técnica de scrubbing é um método efetivo para corrigir erros transientes em memorias SRAM, mas este método impõe custos adicionais em termos de área e consumo de energia. Neste trabalho, nos propomos uma nova técnica de scrubbing usando a redundância interna a nível de quadros chamada FLR- scrubbing. Esta técnica possui mínimo consumo de energia sem comprometer a capacidade de correção. Como estudo de caso, a técnica foi implementada em um FPGA de tamanho médio Xilinx Virtex-5, ocupando 8% dos recursos disponíveis e consumindo seis vezes menos energia que um circuito corretor tradicional chamado blind scrubber. Além, a técnica proposta reduz o tempo de reparação porque evita o uso de uma memoria externa como referencia. E como outra contribuição deste trabalho, nos apresentamos os detalhes de uma plataforma de injeção de falhas múltiplas que permite emular os erros transientes na memoria de configuração do FPGA usando reconfiguração parcial dinâmica. Resultados de campanhas de injeção são apresentados e comparados com experimentos de radiação acelerada. Finalmente, usando a plataforma de injeção de falhas proposta, nos conseguimos analisar a efetividade da técnica FLR-scrubbing. Nos também confirmamos estes resultados com experimentos de radiação acelerada. / Reliability is an important design constraint for critical applications at ground-level and aerospace. SRAM-based FPGAs are attractive for critical applications due to their high performance and flexibility. However, they are susceptible to radiation effects such as soft errors in the configuration memory. Furthermore, the effects of aging and voltage scaling increment the sensitivity of SRAM-based FPGAs to soft errors. Experimental results show that aging and voltage scaling can increase at least two times the susceptibility of SRAM-based FPGAs to Soft Error Rate (SER). These findings are innovative because they combine three real effects that occur in SRAM-based FPGAs. Results can guide designers to predict soft error effects during the lifetime of devices operating at different power supply voltages. Memory scrubbing is an effective method to correct soft errors in SRAM memories, but it imposes an overhead in terms of silicon area and energy consumption. In this work, it is proposed a novel scrubbing technique using internal frame redundancy called Frame-level Redundancy Scrubbing (FLRscrubbing) with minimum energy consumption overhead without compromising the correction capabilities. As a case study, the FLR-scrubbing controller was implemented on a mid-size Xilinx Virtex-5 FPGA device, occupying 8% of available slices and consumes six times less energy per scrubbed frame than a classic blind scrubber. Also, the technique reduces the repair time by avoiding the use of an external golden memory for reference. As another contribution, this work presents the details of a Multiple Fault Injection Platform that emulates the configuration memory upsets of an FPGA using dynamic partial reconfiguration. Results of fault injection campaigns are presented and compared with accelerated ground-level radiation experiments. Finally, using our proposed fault injection platform it was possible to analyze the effectiveness of the FLR-scrubbing technique. Accelerated radiation tests confirmed these results.

Os Sistemas Digitais de Múltiplas Tensões exploram o conceito de dimensionamento da tensão de alimentação através da aplicação de diferentes fontes para regiões específicas do chip. Cada uma destas regiões pertence a um domínio de energia e pode ter duas ou mais configurações de voltagens. Independentemente dos distintos níveis de energia em diferentes domínios de tensão, os blocos devem processar sinais com níveis lógicos coerentes. Nestes sistemas, os Conversores de Nível (LS do inglês Level Shifters) são componentes essenciais que atuam como interfaces de escalonamento da tensão entre domínios de energia, garantindo a correta transmissão dos sinais. Com a apropriada interface de escalonamento de tensão e sua correta implementação, pode-se evitar o consumo excessivo de potência dinâmica e estática. Portanto, a concepção e implementação de conversores de nível deve ser um processo consciente que garanta o menor sobrecusto no tamanho, consumo de energia, e tempo de atraso. Neste trabalho estudam-se as principais características das interfaces de escalonamento de tensão e se introduce um conversor de tensão com eficiência energética e área reduzida, adequado para a conversão de baixo a alto nível. Apresentam-se os conversores de nível com o melhor desempenho encontrados na literatura, os quais são categorizados em dois principais grupos: Dois trilhos (Dual-rail) e Único trilho (Single-rail), de acordo ao número de linhas de alimentação necessárias. O circuito proposto foi comparado com a topologia tradicional de cada grupo, o Differential Cascode Voltage Switch (DCVS) e o conversor de Puri respectivamente. Simulações na tecnologia CMOS 130nm da IBMTM mostram que a topologia proposta requer até 93,79% menos energia em determinadas condições. Esta apresentou 88,03% menor atraso e uma redução de 39,6% no Produto Potência-Atraso (PDP), quando comparada com a topologia DCVS. Em contraste com o conversor Puri, obteve-se uma redução de 32,08% no consumo de energia, 13,26% diminuição no atraso e 15,37% inferior PDP. Além disso, o conversor de nível proposto foi o único capaz de trabalhar a 35% da tensão nominal de alimentação. / Multiple Voltage Digital Systems exploit the concept of voltage scaling by applying different supplies to particular regions of the chip. Each of those regions belongs to a power domain and may have two or more supply voltage configurations. Regardless of distinct energy levels on different power domains, the blocks shall process signals with coherent logic levels. In these systems, the Level Shifters (LS) are essential components that act as voltage scaling interfaces between power domains, guaranteeing the correct signal transmission. With the appropriate voltage scaling interface and its proper implementation, we can avoid excessive static and dynamic power consumption. Therefore, the design and implementation of level shifters should be a conscientious process and must guarantee the lowest overhead in size, energy consumption, and delay time. In this work, we study the main characteristics of voltage scaling interfaces and introduce an energy-efficient level shifter with reduced area, and suitable for low-to-high level conversion. We present the level shifters with the best performance that we found in the literature and categorize them into two main groups: Dual-rail and Single-rail, according to the number of power rails required. The proposed circuit was compared to the traditional topology of each group, Differential Cascode Voltage Switch (DCVS) and Puri’s level shifter respectively. Simulations on an IBMTM 130nm CMOS technology show that the proposed topology requires up to 93.79% less energy under certain conditions. It presented 88.03% smaller delay and 39.6% less Power-Delay Product (PDP) when compared to the DCVS topology. In contrast with the Puri’s level shifter, we obtained a reduction of 32.08% in power consumption, 13.26% smaller delay and 15.37% lower PDP. Besides, our level shifter was the only one capable of working at 35% of the nominal supply voltage.

Primitivas criptografias assimétricas são essenciais para conseguir comunicação segura numa rede ou meio público. Essas primitivas podem ser instaladas como bibliotecas de software ou como coprocessadores de hardware. Coprocessadores de hardware são muito utilizados em cenários como Systems on Chip (SoC), dispositivos embarcados ou servidores de aplicações específicas. Coprocessadores existentes baseados em RSA ou curvas ellipticas (ECC) fazem um processamento intenso por causa da aritmética modular de grande precisão, portanto não estão disponíveis em plataformas com quantidade de energia mais restrita. Para prover primitivas assimétricas para esses dispositivos, será avaliado um esquema de cifração assimétrica que utiliza artimética de pequena precisão, chamado McEliece. McEliece foi proposto com códigos de Goppa binários durante o mesmo ano que o RSA, porém com chaves públicas 50 vezes maiores. Por causa de chaves tão grandes ele não ganhou muita atenção como RSA e ECC. Com a adoção de códigos Quase-Diádicos de Goppa binários é possível obter níveis de segurança práticos com chaves relativamente pequenas. Para avaliar uma implementação em hardware para esse esquema, foi proposto uma arquitetura escalável que pode ser configurada de acordo com os requisitos do projeto. Essa arquitetura pode ser utilizada em todos os níveis de segurança, de 80 até 256 bits de segurança, da menor unidade até as maiores. Nossa arquitetura foi implementada na família de FPGAs Spartan 3 para códigos de Goppa binários, onde foi possível decifrar em 5854 ciclos com 4671 Slices, enquanto que na literatura os melhores resultados obtidos são de 10940 ciclos para 7331 Slices. / Asymmetric cryptographic primitives are essential to enable secure communications on public networks or public mediums. These cryptographic primitives can be deployed as software libraries or hardware coprocessors. Hardware coprocessors are mostly employed in Systems on Chip (SoC) scenarios, embedded devices, or application-specific servers. Available solutions based on RSA or Elliptic Curve Cryptography (ECC) are highly processing intensive because of the underlying extended precision modular arithmetic, and hence they are not available on the most energy constrained platforms. To provide asymmetric primitives in those restricted devices, we evaluate another asymmetric encryption scheme implementable with lightweight arithmetic, called McEliece. McEliece was proposed with binary Goppa codes during same year of RSA with public keys 50 times larger. Because of such large keys it has not gained as much attention as RSA or ECC. With the adoption of binary Quasi- Dyadic Goppa (QD-Goppa) codes it is possible to attain practical security levels with reasonably small keys. To evaluate a hardware implementation of this scheme, we investigate a scalable architecture that can be reconfigured according to project requirements. This architecture is suitable for all usual security levels, from 80 to 256-bit security, from the smallest unit to bigger ones. With our architecture implemented on a Spartan 3 FPGA for binary Goppa codes it is possible to decrypt in 5854 cycles with 4671 Slices, whilst in literature best results were in 10940 cycles with 7331 Slices.

A geração de testes para circuitos combinacionais com fan-outs recovergentes é um problema NP-completo. Com o rápido crescimento da complexidade dos circuitos fabricados, a geração de testes passou a ser um sério problema para a indústria de circuitos integrados. Muitos algoritmos de ATPG (Automatic Test Pattern Generation) baseados no algoritmo D, usam heurísticas para guiar o processo de tomada de decisão na propagação n e na justificação das constantes de forma a aumentar sua eficiencia. Existem heurísticas baseadas em medidas funcionais, estruturais e probabilísticas. Estas medidas são normalmente referidas como observabilidade e controlabilidade que fazem parte de um conceito mais geral, a testabilidade. As medidas que o algoritmo utiliza podem ser calculadas apenas uma vez, durante uma etapa de pré-processamento (medidas de testabilidade estáticas - STM's), ou dinamicamente, recalculando estas medidas durante o processamento sempre que elas forem necessárias (medidas de testabilidade dinâmicas — DTM's). Para alguns circuitos, o use de medidas dinâmicas ao invés de medidas estáticas diminui o número de backtrackings pcir vetor gerado. Apesar disto, o tempo total de CPU por vetor aumenta. Assim, as DTM's só devem ser utilizadas quando as STM's não apresentam uma boa performance. Isto pode ser feito utilizando-se as medidas estáticas ate um certo número de backtrackings. Se o padrão de teste não for encontrado, então medidas dinâmicas são utilizadas. Entretanto, a necessário ainda buscar formas de melhorar o processo dinâmico, diminuindo o custo computacional. A proposta original do calculo das DTM's apresenta algumas técnicas, baseadas em selective tracing, com o objetivo de reduzir o custo computacional. Este trabalho analisa o use combinado de heurísticas e propõe técnicas alternativas, na forma das heurísticas de recalculo parcial e recalculo de linhas não free, que visam minimizar o overhead do calculo das DTM's. E proposta ainda a técnica de Pré-implicação que transfere a complexidade do algoritmo para a memória. Isto é feito através de um preprocessamento que armazena informações necessárias para a geração de todos os vetores de teste. De outra forma estas informações teriam de ser calculadas na geração de cada um destes vetores. A implementação do algoritmo D com as várias heurísticas permitiu a realização de um experimento pratico. Isto possibilitou a análise quantitativa da performance do algoritmo D para vários tipos de circuitos e demonstrou a eficiência de uma das heurísticas propostas neste trabalho. / The test generation for combinational circuits that contain reconvergence is a NP-complete problem. With the rapid increase in the complexity of the fabricated circuits, the generation of test patterns poses a serious problem to the IC industry. A number of existing ATPG algorithms based on the D algorithm use heuristics to guide the decision process in the D-propagation and justification to improve the efficiency. The heuristics used by ATPG algorithm are based on structural, functional and probabilistics measures. These measures are commonly referred to as line controllability and observability and they are combined under the , more general notion of testability. The measures used by ATPG algorithms can be computed only once, during a preprocessing stage (static testability measures - STM's) or can be calculated dinamically, updating the testability measures during the test generation process (dymanic testability measures - DTM's). For some circuits, replacing STM's by DTM's decreases the average number of backtrackings per generated vector. Despite these decrease, the total CPU time per generated vector is greater when using DTM's instead of STM's. So, DTM's only must be used if the STM's don't present a good performance. This can be done by STM's until a certain number of backtrackings. If a test pattern has still not been found, then DTM's are used. Therefore, it is yet necessary to search for ways to improve the dynamic process and decrease the CPU time requirements. In the original approach some techniques for reducing the computational overhead of DTM's based on the well-know technique of selective path tracing are presented. In this work, the combined use of heuristics are analised and alternative techniques — the heuristics of partial recalculus and not free lines recalculus — are proposed. These alternative techniques were developed in order to minimize the overhead of the DTM's calculus. It is yet proposed the pre-implication technique which transfers to memory the algorithm complexity. It includes a preprocessing stage which storages all necesary informations to the generation of all test vectors. So, these informations don't need be computed in the generation of each test vector. The implementation of the D-Algorithm with diferent heuristics has possibilited a practical experiment. It was possible to analise the performance of the D-Algorithm on diferent circuit types and to demonstrate the efficiency of one of the proposed heuristics.

Confiabilidade é um parâmetro de projeto importante para aplicações criticas tanto na Terra como também no espaço. Os FPGAs baseados em memoria SRAM são atrativos para implementar aplicações criticas devido a seu alto desempenho e flexibilidade. No entanto, estes FPGAs são susceptíveis aos efeitos da radiação tais como os erros transientes na memoria de configuração. Além disso, outros efeitos como o envelhecimento (aging) ou escalonamento da tensão de alimentação (voltage scaling) incrementam a sensibilidade à radiação dos FPGAs. Nossos resultados experimentais mostram que o envelhecimento e o escalonamento da tensão de alimentação podem aumentar ao menos duas vezes a susceptibilidade de FPGAs baseados em SRAM a erros transientes. Estes resultados são inovadores porque estes combinam três efeitos reais que acontecem em FPGAs baseados em SRAM. Os resultados podem guiar aos projetistas a prever os efeitos dos erros transientes durante o tempo de operação do dispositivo em diferentes níveis de tensão. A correção da memoria usando a técnica de scrubbing é um método efetivo para corrigir erros transientes em memorias SRAM, mas este método impõe custos adicionais em termos de área e consumo de energia. Neste trabalho, nos propomos uma nova técnica de scrubbing usando a redundância interna a nível de quadros chamada FLR- scrubbing. Esta técnica possui mínimo consumo de energia sem comprometer a capacidade de correção. Como estudo de caso, a técnica foi implementada em um FPGA de tamanho médio Xilinx Virtex-5, ocupando 8% dos recursos disponíveis e consumindo seis vezes menos energia que um circuito corretor tradicional chamado blind scrubber. Além, a técnica proposta reduz o tempo de reparação porque evita o uso de uma memoria externa como referencia. E como outra contribuição deste trabalho, nos apresentamos os detalhes de uma plataforma de injeção de falhas múltiplas que permite emular os erros transientes na memoria de configuração do FPGA usando reconfiguração parcial dinâmica. Resultados de campanhas de injeção são apresentados e comparados com experimentos de radiação acelerada. Finalmente, usando a plataforma de injeção de falhas proposta, nos conseguimos analisar a efetividade da técnica FLR-scrubbing. Nos também confirmamos estes resultados com experimentos de radiação acelerada. / Reliability is an important design constraint for critical applications at ground-level and aerospace. SRAM-based FPGAs are attractive for critical applications due to their high performance and flexibility. However, they are susceptible to radiation effects such as soft errors in the configuration memory. Furthermore, the effects of aging and voltage scaling increment the sensitivity of SRAM-based FPGAs to soft errors. Experimental results show that aging and voltage scaling can increase at least two times the susceptibility of SRAM-based FPGAs to Soft Error Rate (SER). These findings are innovative because they combine three real effects that occur in SRAM-based FPGAs. Results can guide designers to predict soft error effects during the lifetime of devices operating at different power supply voltages. Memory scrubbing is an effective method to correct soft errors in SRAM memories, but it imposes an overhead in terms of silicon area and energy consumption. In this work, it is proposed a novel scrubbing technique using internal frame redundancy called Frame-level Redundancy Scrubbing (FLRscrubbing) with minimum energy consumption overhead without compromising the correction capabilities. As a case study, the FLR-scrubbing controller was implemented on a mid-size Xilinx Virtex-5 FPGA device, occupying 8% of available slices and consumes six times less energy per scrubbed frame than a classic blind scrubber. Also, the technique reduces the repair time by avoiding the use of an external golden memory for reference. As another contribution, this work presents the details of a Multiple Fault Injection Platform that emulates the configuration memory upsets of an FPGA using dynamic partial reconfiguration. Results of fault injection campaigns are presented and compared with accelerated ground-level radiation experiments. Finally, using our proposed fault injection platform it was possible to analyze the effectiveness of the FLR-scrubbing technique. Accelerated radiation tests confirmed these results.

Os Sistemas Digitais de Múltiplas Tensões exploram o conceito de dimensionamento da tensão de alimentação através da aplicação de diferentes fontes para regiões específicas do chip. Cada uma destas regiões pertence a um domínio de energia e pode ter duas ou mais configurações de voltagens. Independentemente dos distintos níveis de energia em diferentes domínios de tensão, os blocos devem processar sinais com níveis lógicos coerentes. Nestes sistemas, os Conversores de Nível (LS do inglês Level Shifters) são componentes essenciais que atuam como interfaces de escalonamento da tensão entre domínios de energia, garantindo a correta transmissão dos sinais. Com a apropriada interface de escalonamento de tensão e sua correta implementação, pode-se evitar o consumo excessivo de potência dinâmica e estática. Portanto, a concepção e implementação de conversores de nível deve ser um processo consciente que garanta o menor sobrecusto no tamanho, consumo de energia, e tempo de atraso. Neste trabalho estudam-se as principais características das interfaces de escalonamento de tensão e se introduce um conversor de tensão com eficiência energética e área reduzida, adequado para a conversão de baixo a alto nível. Apresentam-se os conversores de nível com o melhor desempenho encontrados na literatura, os quais são categorizados em dois principais grupos: Dois trilhos (Dual-rail) e Único trilho (Single-rail), de acordo ao número de linhas de alimentação necessárias. O circuito proposto foi comparado com a topologia tradicional de cada grupo, o Differential Cascode Voltage Switch (DCVS) e o conversor de Puri respectivamente. Simulações na tecnologia CMOS 130nm da IBMTM mostram que a topologia proposta requer até 93,79% menos energia em determinadas condições. Esta apresentou 88,03% menor atraso e uma redução de 39,6% no Produto Potência-Atraso (PDP), quando comparada com a topologia DCVS. Em contraste com o conversor Puri, obteve-se uma redução de 32,08% no consumo de energia, 13,26% diminuição no atraso e 15,37% inferior PDP. Além disso, o conversor de nível proposto foi o único capaz de trabalhar a 35% da tensão nominal de alimentação. / Multiple Voltage Digital Systems exploit the concept of voltage scaling by applying different supplies to particular regions of the chip. Each of those regions belongs to a power domain and may have two or more supply voltage configurations. Regardless of distinct energy levels on different power domains, the blocks shall process signals with coherent logic levels. In these systems, the Level Shifters (LS) are essential components that act as voltage scaling interfaces between power domains, guaranteeing the correct signal transmission. With the appropriate voltage scaling interface and its proper implementation, we can avoid excessive static and dynamic power consumption. Therefore, the design and implementation of level shifters should be a conscientious process and must guarantee the lowest overhead in size, energy consumption, and delay time. In this work, we study the main characteristics of voltage scaling interfaces and introduce an energy-efficient level shifter with reduced area, and suitable for low-to-high level conversion. We present the level shifters with the best performance that we found in the literature and categorize them into two main groups: Dual-rail and Single-rail, according to the number of power rails required. The proposed circuit was compared to the traditional topology of each group, Differential Cascode Voltage Switch (DCVS) and Puri’s level shifter respectively. Simulations on an IBMTM 130nm CMOS technology show that the proposed topology requires up to 93.79% less energy under certain conditions. It presented 88.03% smaller delay and 39.6% less Power-Delay Product (PDP) when compared to the DCVS topology. In contrast with the Puri’s level shifter, we obtained a reduction of 32.08% in power consumption, 13.26% smaller delay and 15.37% lower PDP. Besides, our level shifter was the only one capable of working at 35% of the nominal supply voltage.

A geração de testes para circuitos combinacionais com fan-outs recovergentes é um problema NP-completo. Com o rápido crescimento da complexidade dos circuitos fabricados, a geração de testes passou a ser um sério problema para a indústria de circuitos integrados. Muitos algoritmos de ATPG (Automatic Test Pattern Generation) baseados no algoritmo D, usam heurísticas para guiar o processo de tomada de decisão na propagação n e na justificação das constantes de forma a aumentar sua eficiencia. Existem heurísticas baseadas em medidas funcionais, estruturais e probabilísticas. Estas medidas são normalmente referidas como observabilidade e controlabilidade que fazem parte de um conceito mais geral, a testabilidade. As medidas que o algoritmo utiliza podem ser calculadas apenas uma vez, durante uma etapa de pré-processamento (medidas de testabilidade estáticas - STM's), ou dinamicamente, recalculando estas medidas durante o processamento sempre que elas forem necessárias (medidas de testabilidade dinâmicas — DTM's). Para alguns circuitos, o use de medidas dinâmicas ao invés de medidas estáticas diminui o número de backtrackings pcir vetor gerado. Apesar disto, o tempo total de CPU por vetor aumenta. Assim, as DTM's só devem ser utilizadas quando as STM's não apresentam uma boa performance. Isto pode ser feito utilizando-se as medidas estáticas ate um certo número de backtrackings. Se o padrão de teste não for encontrado, então medidas dinâmicas são utilizadas. Entretanto, a necessário ainda buscar formas de melhorar o processo dinâmico, diminuindo o custo computacional. A proposta original do calculo das DTM's apresenta algumas técnicas, baseadas em selective tracing, com o objetivo de reduzir o custo computacional. Este trabalho analisa o use combinado de heurísticas e propõe técnicas alternativas, na forma das heurísticas de recalculo parcial e recalculo de linhas não free, que visam minimizar o overhead do calculo das DTM's. E proposta ainda a técnica de Pré-implicação que transfere a complexidade do algoritmo para a memória. Isto é feito através de um preprocessamento que armazena informações necessárias para a geração de todos os vetores de teste. De outra forma estas informações teriam de ser calculadas na geração de cada um destes vetores. A implementação do algoritmo D com as várias heurísticas permitiu a realização de um experimento pratico. Isto possibilitou a análise quantitativa da performance do algoritmo D para vários tipos de circuitos e demonstrou a eficiência de uma das heurísticas propostas neste trabalho. / The test generation for combinational circuits that contain reconvergence is a NP-complete problem. With the rapid increase in the complexity of the fabricated circuits, the generation of test patterns poses a serious problem to the IC industry. A number of existing ATPG algorithms based on the D algorithm use heuristics to guide the decision process in the D-propagation and justification to improve the efficiency. The heuristics used by ATPG algorithm are based on structural, functional and probabilistics measures. These measures are commonly referred to as line controllability and observability and they are combined under the , more general notion of testability. The measures used by ATPG algorithms can be computed only once, during a preprocessing stage (static testability measures - STM's) or can be calculated dinamically, updating the testability measures during the test generation process (dymanic testability measures - DTM's). For some circuits, replacing STM's by DTM's decreases the average number of backtrackings per generated vector. Despite these decrease, the total CPU time per generated vector is greater when using DTM's instead of STM's. So, DTM's only must be used if the STM's don't present a good performance. This can be done by STM's until a certain number of backtrackings. If a test pattern has still not been found, then DTM's are used. Therefore, it is yet necessary to search for ways to improve the dynamic process and decrease the CPU time requirements. In the original approach some techniques for reducing the computational overhead of DTM's based on the well-know technique of selective path tracing are presented. In this work, the combined use of heuristics are analised and alternative techniques — the heuristics of partial recalculus and not free lines recalculus — are proposed. These alternative techniques were developed in order to minimize the overhead of the DTM's calculus. It is yet proposed the pre-implication technique which transfers to memory the algorithm complexity. It includes a preprocessing stage which storages all necesary informations to the generation of all test vectors. So, these informations don't need be computed in the generation of each test vector. The implementation of the D-Algorithm with diferent heuristics has possibilited a practical experiment. It was possible to analise the performance of the D-Algorithm on diferent circuit types and to demonstrate the efficiency of one of the proposed heuristics.

Os Sistemas Digitais de Múltiplas Tensões exploram o conceito de dimensionamento da tensão de alimentação através da aplicação de diferentes fontes para regiões específicas do chip. Cada uma destas regiões pertence a um domínio de energia e pode ter duas ou mais configurações de voltagens. Independentemente dos distintos níveis de energia em diferentes domínios de tensão, os blocos devem processar sinais com níveis lógicos coerentes. Nestes sistemas, os Conversores de Nível (LS do inglês Level Shifters) são componentes essenciais que atuam como interfaces de escalonamento da tensão entre domínios de energia, garantindo a correta transmissão dos sinais. Com a apropriada interface de escalonamento de tensão e sua correta implementação, pode-se evitar o consumo excessivo de potência dinâmica e estática. Portanto, a concepção e implementação de conversores de nível deve ser um processo consciente que garanta o menor sobrecusto no tamanho, consumo de energia, e tempo de atraso. Neste trabalho estudam-se as principais características das interfaces de escalonamento de tensão e se introduce um conversor de tensão com eficiência energética e área reduzida, adequado para a conversão de baixo a alto nível. Apresentam-se os conversores de nível com o melhor desempenho encontrados na literatura, os quais são categorizados em dois principais grupos: Dois trilhos (Dual-rail) e Único trilho (Single-rail), de acordo ao número de linhas de alimentação necessárias. O circuito proposto foi comparado com a topologia tradicional de cada grupo, o Differential Cascode Voltage Switch (DCVS) e o conversor de Puri respectivamente. Simulações na tecnologia CMOS 130nm da IBMTM mostram que a topologia proposta requer até 93,79% menos energia em determinadas condições. Esta apresentou 88,03% menor atraso e uma redução de 39,6% no Produto Potência-Atraso (PDP), quando comparada com a topologia DCVS. Em contraste com o conversor Puri, obteve-se uma redução de 32,08% no consumo de energia, 13,26% diminuição no atraso e 15,37% inferior PDP. Além disso, o conversor de nível proposto foi o único capaz de trabalhar a 35% da tensão nominal de alimentação. / Multiple Voltage Digital Systems exploit the concept of voltage scaling by applying different supplies to particular regions of the chip. Each of those regions belongs to a power domain and may have two or more supply voltage configurations. Regardless of distinct energy levels on different power domains, the blocks shall process signals with coherent logic levels. In these systems, the Level Shifters (LS) are essential components that act as voltage scaling interfaces between power domains, guaranteeing the correct signal transmission. With the appropriate voltage scaling interface and its proper implementation, we can avoid excessive static and dynamic power consumption. Therefore, the design and implementation of level shifters should be a conscientious process and must guarantee the lowest overhead in size, energy consumption, and delay time. In this work, we study the main characteristics of voltage scaling interfaces and introduce an energy-efficient level shifter with reduced area, and suitable for low-to-high level conversion. We present the level shifters with the best performance that we found in the literature and categorize them into two main groups: Dual-rail and Single-rail, according to the number of power rails required. The proposed circuit was compared to the traditional topology of each group, Differential Cascode Voltage Switch (DCVS) and Puri’s level shifter respectively. Simulations on an IBMTM 130nm CMOS technology show that the proposed topology requires up to 93.79% less energy under certain conditions. It presented 88.03% smaller delay and 39.6% less Power-Delay Product (PDP) when compared to the DCVS topology. In contrast with the Puri’s level shifter, we obtained a reduction of 32.08% in power consumption, 13.26% smaller delay and 15.37% lower PDP. Besides, our level shifter was the only one capable of working at 35% of the nominal supply voltage.

Confiabilidade é um parâmetro de projeto importante para aplicações criticas tanto na Terra como também no espaço. Os FPGAs baseados em memoria SRAM são atrativos para implementar aplicações criticas devido a seu alto desempenho e flexibilidade. No entanto, estes FPGAs são susceptíveis aos efeitos da radiação tais como os erros transientes na memoria de configuração. Além disso, outros efeitos como o envelhecimento (aging) ou escalonamento da tensão de alimentação (voltage scaling) incrementam a sensibilidade à radiação dos FPGAs. Nossos resultados experimentais mostram que o envelhecimento e o escalonamento da tensão de alimentação podem aumentar ao menos duas vezes a susceptibilidade de FPGAs baseados em SRAM a erros transientes. Estes resultados são inovadores porque estes combinam três efeitos reais que acontecem em FPGAs baseados em SRAM. Os resultados podem guiar aos projetistas a prever os efeitos dos erros transientes durante o tempo de operação do dispositivo em diferentes níveis de tensão. A correção da memoria usando a técnica de scrubbing é um método efetivo para corrigir erros transientes em memorias SRAM, mas este método impõe custos adicionais em termos de área e consumo de energia. Neste trabalho, nos propomos uma nova técnica de scrubbing usando a redundância interna a nível de quadros chamada FLR- scrubbing. Esta técnica possui mínimo consumo de energia sem comprometer a capacidade de correção. Como estudo de caso, a técnica foi implementada em um FPGA de tamanho médio Xilinx Virtex-5, ocupando 8% dos recursos disponíveis e consumindo seis vezes menos energia que um circuito corretor tradicional chamado blind scrubber. Além, a técnica proposta reduz o tempo de reparação porque evita o uso de uma memoria externa como referencia. E como outra contribuição deste trabalho, nos apresentamos os detalhes de uma plataforma de injeção de falhas múltiplas que permite emular os erros transientes na memoria de configuração do FPGA usando reconfiguração parcial dinâmica. Resultados de campanhas de injeção são apresentados e comparados com experimentos de radiação acelerada. Finalmente, usando a plataforma de injeção de falhas proposta, nos conseguimos analisar a efetividade da técnica FLR-scrubbing. Nos também confirmamos estes resultados com experimentos de radiação acelerada. / Reliability is an important design constraint for critical applications at ground-level and aerospace. SRAM-based FPGAs are attractive for critical applications due to their high performance and flexibility. However, they are susceptible to radiation effects such as soft errors in the configuration memory. Furthermore, the effects of aging and voltage scaling increment the sensitivity of SRAM-based FPGAs to soft errors. Experimental results show that aging and voltage scaling can increase at least two times the susceptibility of SRAM-based FPGAs to Soft Error Rate (SER). These findings are innovative because they combine three real effects that occur in SRAM-based FPGAs. Results can guide designers to predict soft error effects during the lifetime of devices operating at different power supply voltages. Memory scrubbing is an effective method to correct soft errors in SRAM memories, but it imposes an overhead in terms of silicon area and energy consumption. In this work, it is proposed a novel scrubbing technique using internal frame redundancy called Frame-level Redundancy Scrubbing (FLRscrubbing) with minimum energy consumption overhead without compromising the correction capabilities. As a case study, the FLR-scrubbing controller was implemented on a mid-size Xilinx Virtex-5 FPGA device, occupying 8% of available slices and consumes six times less energy per scrubbed frame than a classic blind scrubber. Also, the technique reduces the repair time by avoiding the use of an external golden memory for reference. As another contribution, this work presents the details of a Multiple Fault Injection Platform that emulates the configuration memory upsets of an FPGA using dynamic partial reconfiguration. Results of fault injection campaigns are presented and compared with accelerated ground-level radiation experiments. Finally, using our proposed fault injection platform it was possible to analyze the effectiveness of the FLR-scrubbing technique. Accelerated radiation tests confirmed these results.