Robust design of deep-submicron digital circuits

Avec l'augmentation de la probabilité de fautes dans les circuits numériques, les systèmes développés pour les environnements critiques comme les centrales nucléaires, les avions et les applications spatiales doivent être certifies selon des normes industrielles. Cette thèse est un résultat d'une cooperation CIFRE entre l'entreprise Électricité de France (EDF) R&D et Télécom Paristech. EDF est l'un des plus gros producteurs d'énergie au monde et possède de nombreuses centrales nucléaires. Les systèmes de contrôle-commande utilisé dans les centrales sont basés sur des dispositifs électroniques, qui doivent être certifiés selon des normes industrielles comme la CEI 62566, la CEI 60987 et la CEI 61513 à cause de la criticité de l'environnement nucléaire. En particulier, l'utilisation des dispositifs programmables comme les FPGAs peut être considérée comme un défi du fait que la fonctionnalité du dispositif est définie par le concepteur seulement après sa conception physique. Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la conception de nouvelles méthodes d'analyse de la fiabilité aussi bien que des méthodes d'amélioration de la fiabilité d'un circuit numérique.The design of circuits to operate at critical environments, such as those used in control-command systems at nuclear power plants, is becoming a great challenge with the technology scaling. These circuits have to pass through a number of tests and analysis procedures in order to be qualified to operate. In case of nuclear power plants, safety is considered as a very high priority constraint, and circuits designed to operate under such critical environment must be in accordance with several technical standards such as the IEC 62566, the IEC 60987, and the IEC 61513. In such standards, reliability is treated as a main consideration, and methods to analyze and improve the circuit reliability are highly required. The present dissertation introduces some methods to analyze and to improve the reliability of circuits in order to facilitate their qualification according to the aforementioned technical standards. Concerning reliability analysis, we first present a fault-injection based tool used to assess the reliability of digital circuits. Next, we introduce a method to evaluate the reliability of circuits taking into account the ability of a given application to tolerate errors. Concerning reliability improvement techniques, first two different strategies to selectively harden a circuit are proposed. Finally, a method to automatically partition a TMR design based on a given reliability requirement is introduced