Methodology for analysis of noise susceptibility and design space exploration of integrated current sensors for detection of transient faults

A indústria de semicondutores tem se desenvolvido desde a década de 1960 de forma notável, seguindo a previsão feita por Gordon Morre naquela época: a densidade espacial de transistores, o componente fundamental dos microchips, dobraria a cada nó de tecnologia de projeto e fabricação. Tal lei somente começou a não mais ser obedecida no momento em que este trabalho é escrito, e levou a impressionantes melhorias de funcionalidade de circuitos integrados. Apesar da revolução causada na vida cotidiana que o avanço da tecnologia de semicondutores traz, várias são as ameaças à funcionalidade dos microchips em tecnologias contemporâneas. Um número de fenômenos físicos e a alta densidade de transistores cotribuem para falhas na operação de circuitos, desta forma, o desenvolvimento de sistemas de detecção de e reação a falhas é de suma importância. Como o aumento nos níveis de ruído são consequência inevitável do avanço da tecnologia de semicondutores, tais sistemas são, eles mesmos, ameaçados por esses sinais indesejados. Neste trabalho, um sistema que detecta correntes induzidas potencialmente capazes deintroduzir erros, chamado mBBICS, foi submetido a ruído em diversas simulações, e seu comportanto, analizado. Dois tipos de ruído são considerados no estudo: ruído de chaveamento e ruído de dispositivo. Ruído de chaveamento é gerado por circuitos digitais e propagado pelo substrato do chip, possivelmente afetando o mBBICS, e é diretamenterelacionado à densidade de transistores na pastilha. Ruído de dispositivo ocorre devido a efeitos quânticos que ocorrem dentro do canal do transistor. Ruído de chaveamento foi verificado, neste trabalho, ser uma ameaça a mBBICS projetados em tecnologia de 90nm, enquanto ruído de dispositivo não tem magnitude suficiente para ameaçar sua funcionalidade. Entretanto, considerando os atuais avanços na tecnologia de semicondutores, existe a possibilidade de que o ruído de dispositivo se torne um problema. A fim de oferecer uma metologia que oferece preparação para essa possibilidade, algunsparâmetros do mBBICS foram modificados e seu comportamento verificado frente à presença de ruído de dispositivo. Mais especificamente, a robustez a ruído do circuito foi analisada. Tal robustez foi mensurada com a forma com a qual um aumento na sensibilidade do mBBICS incorre em susceptibilidade a ruído. Não obstante um aumento na sensibilidade necessariamente causa um aumento na vulnerabilidade a ruído, a metodologia executada resultou na definição de parâmetros elétricos e geométricos ótimos, que favorecem a sensibilidade, enquanto apresentam menor penalidade na susceptibilidade ao ruído. Isso permite um projetista a guiar seu projeto com base nos parâmetros presentes em grupos definidos que são mais promissores a um design robusto.The semiconductor industry is being developed since the decade of 1960 in a remarkable fashion, by being able to follow the prediction that Gordon Moore stated at that time: the spatial density of transistors, the most fundamental components of microchips, would double at each technology node. Such law only began to be inaccurate at the date of thiswriting, and lead to an outstanding enhancement of functionality of integrated circuits. Despite the revolutions in human daily life the technology scaling produces, many are the threats to chips functionality in contemporary technologies. Numerous physical phenomena and very high spatial transistor density contribute to disrupt a circuits operation, so the development of detection and counteraction systems is of utmost importance. Since noise levels increase also accompany technology scaling, such systems are also endangered by those undesired signals.In this work, a system that senses potentially error-causing currents, called the modular Bulk Built-In Current Sensor (mBBICS), is submitted to noise in several simulations, and its behavior is studied. Two types of noise are considered in the study: switching noise and device noise. Switching noise is generated by switching circuits and propagated through the chips Silicon substrate, possibly affecting the mBBICS, and is directly related to the device density in the chip. Device noise takes place due to quantum effects inside the transistors channel. Hereby, switching noise was verified to be a threat to an mBBICS designed in a 90nm technology, whereas device noise is not high enough to pose a threat. However, with technology advancements, there is the possibility that device noise turns into an issue. In order to contribute to this possibility, a few parameters of the mBBICS were adjusted and its behavior in the presence of device noise, verified. More specifically, the circuits robustness to noise was analyzed, which was measured by how a sensitivity increase in the sensor leads also to vulnerability to noise. Nevertheless an increase in sensitivity necessarily causes an increase in susceptibility to noise, the performed methodology lead to optimal dimensional and electrical parameters, that highly favor sensitivity, whilepresenting little penalty in noise susceptibility. This empowers a designer to drive his or her circuit development based on the parameters design space that better leads to a robust behavior