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The main focus of the presented research is the development and experimental study of radiation-tolerant clock generation circuits intended for applications in high energy physics (HEP). Clock synthesis and the synchronization of systems on the scale of large experimental detectors is an important aspect of their successful implementation and a necessity for achieving their anticipated performance. Developments in this area to increase radiation tolerance and performance are motivated by emerging requirements for clock generation and distribution.
The thesis reviews the requirements of existing and emerging systems with regards to radiation-tolerant clock generation. To characterize clock generation circuits and adequately assess their conformity with the identified requirements in radiation tests, a number of methods and instrumentation setups are developed and characterized. The presented approaches combine aspects of digital programmable logic, analog circuit design and and digital signal processing concepts.
To address design challenges in deep submicron CMOS nodes, the design of radiation-tolerant all-digital PLL and CDR circuits is explored in this thesis. These circuits promise opportunities to improve the radiation tolerance of clock generators, and hence this thesis devises the design of a radiation-tolerant ADPLL/CDR circuit compatible with requirements of high energy physics (HEP) electronics. Using radiation testing, the sensitivity of the circuits is studied and mitigation strategies for identified limitations are discussed. Three such ADPLL/CDR circuits are developed and tested in the form of macro blocks targeting applications in frontend ASICs for high energy physics. The circuits demonstrate jitter performance, power efficiency and radiation tolerance comparable to or better than currently used conventional PLL circuits.
As a final aspect, the improved testing instrumentation and methodology developed within this thesis is applied to uncover a previously unrecognized radiation sensitivity in a conventional, radiation-hardened clock generator circuit. An integrated planar on-chip inductor is experimentally identified as responsible for this sensitivity. Irradiation tests are performed to study and characterize the nature of this sensitivity. The results suggest that energy deposition, likely within dielectric materials surrounding the inductor wiring, alters the inductor's terminal impedance. This stimulates frequency errors with long recovery times in the oscillator. The manifestation of this effect in HEP radiation environments is studied using proton irradiation, where a mitigation strategy is experimentally validated. A reduction of the impact of this sensitivity is demonstrated. To help conclusively identifying the underlying mechanism responsible for the sensitivity within the inductor itself, further research opportunities are suggested.
Scaling minimum features of ICs down to the 10nm- area and below has allowed high integration rates in electronics. Scaling at supply voltages of 1V and below also implies a rising level of stress which drives aging effects that reduce switching speed and the expected life time. Additionally, vulnerability from particle radiation is increased. Hence, fault detection and on-line correction become a must for many applications. However, not only fault tolerance but self-awareness becomes also an advantage. Provided that by being aware of its own healthy state allow optimized configurations regarding system operation modes and configurable hardware mechanism. This paper shows a preliminary work in a configurable circuit and explores its configuration possibilities when integrated into a complete system.
Effiziente Auswahl redundanter Komponenten für Prozessoren zur Kompensation permanenter Fehler
(2014)
Die stetige Skalierung von Fertigungstechnologien sorgte für einen rasanten Anstieg der Komplexität und damit auch der Verarbeitungsleistung von integrierten Schaltungen. Dies führte auch zu höheren Anforderungen an die Entwurfs- und Produktionsprozesse für diese Systeme. Zusätzlich dazu steigern Strukturen im Nanometerbereich die Anfälligkeit gegenüber physikalischen Effekten, welche sich in temporären und zunehmend auch dauerhaften Störungen der Funktionalität äußern können. Der Einsatz von Fehlertoleranz ist für diese komplexen Systeme nicht wegzudenken und wird für zukünftige anfälligere Fertigungstechnologien noch relevanter.
In dieser Arbeit wird eine skalierbare Architektur zur Kompensation dauerhafter Störungen für beliebige Prozessorkomponenten vorgestellt. Der Einsatz dieser Architektur ist unabhängig von der Fehlerursache und kann sowohl direkt nach der Produktion als auch während des Einsatzes im Zielsystem genutzt werden. Durch die Verwendung dieser Architektur, auf aktiver Hardware-Redundanz basierend, ist eine Steigerung der Zuverlässigkeit, der Lebensdauer aber auch der Produktionsausbeute bei gleichbleibender Funktionalität möglich. Mit der Modellierung in dieser Arbeit wird die Effizienz der vorgestellten Architektur, unter Berücksichtigung der zusätzlichen Hardware für Redundanz und der notwendigen administrativen Komponenten, ermittelt und ermöglicht damit einen zielgerichteten Auswahlprozess für Prozessorkomponenten und die Menge ihrer Redundanz. Somit wird die optimale Redundanz für ein gegebenes System und ein zu erreichendes Ziel bereits im Entwurfsprozess bestimmtund kann damit frühzeitig bei der Umsetzung berücksichtigt werden.
Neben der Beschreibung des Aufbaus der Architektur und ihrer Funktionsweise zeigt diese Arbeit wie sich eine Integration in bestehende Entwurfsprozesse mit gängigen Methoden und Werkzeugen realisieren lässt. Zusätzlich dazu wird die Systemmodellierung zur Realisierung des zielgerichteten Auswahlprozesses beschrieben. Anhand eines Anwendungsbeispiels wird die Möglichkeit der Umsetzung aufgezeigt und die daraus resultierenden Ergebnisse diskutiert.
In dieser Arbeit wird ein neues Konzept für den Entwurf fehlertoleranter digitaler Schaltungen vorgestellt. Die als spezifische Fehlertoleranz bezeichnete Entwurfsmethode erweitert den Stand der Technik um die Möglichkeit, Fehlertoleranz gezielt für gewünschte Ein- und Ausgabezuweisungen einer Schaltung bereitzustellen. Die generell sehr aufwändigen Maßnahmen zur Realisierung von Fehlertoleranz lassen sich so an die tatsächlich vorhandenen Zuverlässigkeitsanforderungen einer gegebenen Anwendung anpassen, was im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zu erheblichen Kosteneinsparungen im Hinblick auf Hardware und Stromverbrauch führt. Die Eingaben einer Schaltung werden dazu mit ihren zugehörigen Ausgaben in kritische und unkritische Signale unterteilt. Für kritische Signale wird das gleiche Maß an Fehlertoleranz bereitgestellt, wie es auch durch das Verfahren der dreifach modularen Redundanz garantiert wird. Unkritische Signale werden nicht fehlertolerant ausgelegt, da das für solche Signale nicht gefordert werden muss. Im Bezug auf kombinatorische Schaltungen wird dieses Grundprinzip auf eine beliebig wählbare Teilmenge aller möglichen Eingaben mit ihren zugehörigen Ausgaben angewendet. Die nicht zu schützenden, unkritischen Signale werden zu Optimierungszwecken genutzt. Genau diese Freiheit im Entwurfsprozess ermöglicht beim Entwurf fehlertoleranter Schaltungen signifikante Kosteneinsparungen, die bislang durch andere Verfahren nicht berücksichtigt wurden. Bei sequentiellen Schaltungen wird das Konzept auf Eingabefolgen und ihre entsprechend zugehörigen Ausgabefolgen abgebildet. Ab einem bestimmten Zustand werden in Schaltungen, die nach diesem Prinzip entworfen wurden, alle als kritisch eingestuften Eingabefolgen fehlertolerant verarbeitet, woraufhin die sequentielle Schaltung entsprechend fehlertolerante Ausgabefolgen liefert. Die Länge der kritischen Eingabefolgen und die Anzahl der Zustände, von denen aus eine fehlertolerante Verarbeitung der Eingaben gefordert wird, ist beliebig wählbar. Neben der Beschreibung des Grundkonzeptes der spezifischen Fehlertoleranz für kombinatorische und sequentielle Schaltungen beinhaltet die Arbeit Erweiterungen, mit denen sich die durch das Verfahren bereitgestellte Fehlertoleranz erhöhen lässt. Es wird zudem erläutert, wie die spezifische Fehlertoleranz ohne besonderen Aufwand mit Hilfe gängiger Werkzeuge im Schaltungsentwurf umgesetzt werden kann. Vom Entwerfer werden dazu keine speziellen Kenntnisse über das eigentliche Verfahren vorausgesetzt. Anhand experimenteller Ergebnisse wird auch gezeigt, welche Einsparungen sich durch die spezifische Fehlertoleranz im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren aus diesem Bereich ergeben. Dazu wurden verschiedene Benchmark-Schaltungen mit der spezifischen Fehlertoleranz implementiert und ihre Gesamtflächen den Flächen entsprechender Schaltungen, die nach dem Prinzip der dreifach modularen Redundanz entworfen wurden, gegenübergestellt.
The reliability of interconnects on integrated circuits (IC) has become a major problem in recent years because of the rise of complexity, the low-k-insulating material with reduced stability, and wear-out-effects from high current densities. The total reliability of a system on a chip is increasingly influenced by the reliability of the interconnections, which is caused by increased communication from the elevated number of integrated functional units. In recent years, studies have predicted that static faults will occur more often decreasing the reliability and the mean time to failure. The most published solutions aim to prevent dynamic faults and to correct transient faults. However, built-in self-repair (BISR) as a solution for static faults has not previously been discussed along with the other possible solutions. Theoretically, BISR can lead to higher reliability and lifetime. This is my motivation to implement BISR for integrated interconnects. Because BISR cannot repair transient and dynamic faults, I combine BISR with other approved solutions in this thesis. The results show that the combination leads to higher reliability and lifetime with less area and static power overhead compared to the existing solutions.
In this work a compact, monolithically integrated, high frequency sigma-delta phase-locked loops (PLLs) designed in 0.13 μm CMOS technology are investigated. The research focuses on the analysis of PLL spurious performance degradation caused by the integrated digital sigma-delta modulator, design and optimization of compact sigma-delta modulators with improved tonal and switching noise performance. The main achievements of this work include: 1. An implementation of MASH (multistage) modulator in the dual edge triggered style is proposed. The implementation offers two advantages over conventional MASH when integrated into the same die with a fractional-N PLL: 1) the modulator’s area is reduced by 15–20%; 2) the switching noise power is distributed in such a manner, that the first reference spur of a synthesizer is not degraded; instead, the glitch energy is shifted to the second multiple of reference frequency; in the work a benefit of such reference spur power distribution is demonstrated. Proposed implementation does not affect logical behavior of the MASH modulator. 2. MASH 1-1-1 (three stages of first order each) sigma-delta modulator with DC dithering used for frequency synthesis applications is investigated. At the expense of minimum additional hardware such dithering topology allows to shift tones to the low frequencies and decrease their power. 3. An oscillator-based dither generator is proposed for the use in MASH 1-1-1 modulator. The generator consumes less current and area, produces much less supply switching noise than a conventional pseudo-random dither generator while keeping modulator’s output free of tones. An empirical study of oscillator-based dither generator is presented. 4. MASH 1-1-1 modulator with direct feedback dithering is investigated. Such dithering topology requires no additional hardware to be implemented. Among the disadvantages of the direct feedback dithering is the addition of small DC offset to the output of MASH modulator and presence of some low power tones in amplitude spectrum. Two fully integrated 11 GHz sigma-delta PLLs incorporating single- and dual edge triggered MASH modulators with different dithering topologies were fabricated in 0.13 μm CMOS process. Spurious, as well as phase noise performance of the PLLs for different modulator topologies was compared. The PLL controlled by the integrated dual edge triggered MASH 1-1-1 modulator exhibited first reference spur below –66 dBc over the whole locking range and fractional spurs power not exceeding –70 dBc within 70% of the division ratio range.