Analyse de fiabilité face aux radiations des systèmes basés sur FPGA : méthodologies de test et approches analytiques

This work focuses on testing methodologies to analyze the radiation sensitivity of FPGA-based systems. Due to their flexibility, the reliability analysis on these components is a challenging task as the radiation sensitivity is entirely conditioned by the implemented system. Indeed, it depends on the one hand on the intrinsic sensitivity of the component (to both TID and SEEs) and, on the other hand, on the way the different induced perturbations can impact the operation of the implemented system. State-of-the-art methodologies have shown a number of limitations in bridging the intrinsic sensitivity of the FPGA and the one of the implemented systems. The objective of this thesis is to improve radiation testing methodologies to overcome these limitations.Concerning TID effects, a new testing methodology is proposed. Its main contribution is to extend the evaluation of parametric degradations to all logical and routing resources of the component. For this purpose, specific benchmarking structures have been developed to measure the propagation delay deviation of each type of logical and routing resource. A new technique to measure the propagation delay in real time and with limited external instrumentation is also proposed. X-ray radiation tests have been performed on three FPGA families to highlight the benefits of this methodology.As for SEE, the proposed testing methodology lies between the two traditional accelerated particle beam testing approaches (primitive level testing and final application testing) by proposing a sensitivity evaluation at a higher level of granularity. The basic idea is to instantiate a set of dedicated benchmarking structures, simple enough to provide a good testability (low error masking, traversable state spaces) while sufficiently complex to provide a good representativity of the circuits effectively implemented on FPGAs. The benchmarks selected in this study are based on arithmetic operations. By using different implementations of the same arithmetic functions with a large diversity in the circuit parameters, and in the use of resources, the radiation tests fulfill a multifaceted purpose. First, the test results provide extensive information to identify and understand the different failure mechanisms and their predominance; second, it allows to qualitatively evaluate the impact of different types of resources on the global system sensitivity and to quantitatively compare the sensitivity of different implementations of the same logic function and the effectiveness of mitigation solutions. Finally, it provides a set of guidelines for designers to improve the reliability of FPGA-based systems. Several neutron and proton beam tests have been performed to demonstrate the advantages of this approach.The main limitation of radiation testing lies with the difficulty to extrapolate the results of tests performed with a given implemented circuit to estimate the sensitivity of any other circuit. To address these limitations, a new software-based approach has been developed to estimate the susceptibility of circuits implemented on SRAM based FPGA to configuration memory corruptions. This analytical approach uses the physical netlist of the circuit and explores the different nodes and logical resources that compose it to extract all the configuration bits that are critical for the system operation. The main contribution of this approach is to take into account the workload of the circuit, extracted from logic simulation, to analyze the propagation of errors and thus filter among the set of potentially critical configuration bits, those that actually modify the output signals of the system. The efficiency of this approach is validated through fault injection and proton experiment.Ce travail se focalise sur les méthodologies de test pour analyser la sensibilité aux radiations des systèmes basés sur FPGA. De par leur flexibilité, l'analyse de fiabilité sur ces composants est une tâche complexe, car leur sensibilité aux radiations est entièrement conditionnée par le système implémenté. En effet, leur sensibilité dépend à la fois de la sensibilité intrinsèque du composant (aux effets de doses et aux effets singuliers) et de la manière dont les perturbations induites peuvent impacter le fonctionnement du système. Les méthodologies actuelles ont montré certaines difficultés pour faire le lien entre la sensibilité intrinsèque du FPGA et celle du système implémenté. L'objectif de cette thèse est d'améliorer les méthodologies de test radiations pour surmonter ces limitations.Au niveau des effets de dose, une nouvelle méthodologie est proposée. Sa principale contribution est d'étendre l'évaluation des dégradations paramétriques à toutes les ressources logique et de routage du composant. Dans ce but, des structures spécifiques ont été développées pour mesurer la dégradation du temps de propagation de chaque type de ressource. Des tests aux rayons-X ont été réalisés sur trois familles de FPGA pour mettre en évidence les bénéfices de cette approche. Au niveau des effets singuliers, la méthodologie proposée se situe entre les deux approches traditionnelles pour les tests sous faisceau de particules (tests au niveau des primitives et test de l'application finale), en proposant une évaluation de la sensibilité à un niveau plus élevé de granularité. Le principe est d'utiliser un benchmark : un ensemble de structures, suffisamment simples pour fournir une bonne testabilité (faible taux de masquage d'erreur) et suffisamment complexes pour être représentatif des applications réelles. Ce benchmark s'articule autour des opérateurs arithmétiques. En utilisant différentes implémentations de la même fonction avec une forte diversité dans les paramètres des circuits et dans l'utilisation des ressources, les tests de radiations remplissent un objectif multiple. Premièrement, les résultats de tests fournissent des informations essentielles pour identifier et comprendre les différents mécanismes de défaillances et leur prédominance ; deuxièmement, cette méthodologie permet d'évaluer qualitativement l'impacte des différents types de ressources instanciées sur la sensibilité global du système et de comparer quantitativement la sensibilité entre différentes implémentations et avec différentes solutions de mitigation pour la même fonction logique. Enfin, elle fournit aux designers des recommandations pour améliorer la fiabilité de leurs systèmes basés sur FPGA. Des tests neutron et proton ont été réalisés pour démontrer les avantages apportés par cette approche.La principale limitation des tests radiation repose sur la difficulté à extrapoler les résultats de tests réalisés avec un circuit donné pour estimer la sensibilité de n'importe quel autre circuit. Pour aborder cette limitation, une nouvelle approche logicielle a été développée pour estimer la susceptibilité des circuits implémentés sur FPGA aux corruptions de la mémoire de configuration. Cette approche analytique se base sur la netlist physique du circuit. Le principe est d'explorer les différents nœuds du circuit et les différentes ressources logiques qui le composent pour extraire l'ensemble des bits de configuration qui sont critiques pour le fonctionnement du système. La principale contribution de cette approche est de prendre en compte la charge de travail du circuit pour analyser la propagation des erreurs et ainsi filtrer parmi l'ensemble des bits de configuration utilisé, ceux qui modifient réellement la réponse du système. L'efficacité de cette approche est évaluée par injection de fautes et par test protons