Modeling and design of ring oscillators and their application in radiation environments

Resumen

El hombre ha mirado siempre hacia el cielo, primero lo hizo con misterio y más tarde con curiosidad. Y fue esa curiosidad la que sembró la semilla que nos ha llevado a desear explorar nuevos mundos más allá de nuestras fronteras. Sin embargo, ha sido necesario realizar un gran desarrollo tecnológico a lo largo de muchos años para poder comenzar a explorar los mundos más cercanos. Toda esta tecnología ha sido impulsada en la última mitad del siglo XX por la aparición de los sistemas electrónicos. Al igual que en el resto de las ciencias implicadas en este sueño, el desarrollo de la electrónica no ha sido un camino de rosas, surgiendo muchos problemas desde el inicio de la aplicación de tecnologías maduras en entornos diferentes al presente en la superficie terrestre. Fue entonces, cuando se puso de manifiesto que la composición de los diferentes entornos afectaba directamente a la fiabilidad de los sistemas electrónicos, y en consecuencia, comenzó a tenerse en cuenta a la hora de realizar nuevos diseños destinados a operar en ambientes especialmente hostiles. En particular, la radiación de las partículas presentes fuera de la atmósfera terrestre fueron consideradas una importante fuente de fallos. Debido a la importancia de estos resultados, surgió un nuevo campo de investigación dentro de la electrónica que fue: la caracterización de entornos de radiación y sus efectos en sistemas electrónicos. Los efectos producidos por la radiación, son normalmente clasificados dependiendo del tiempo de exposición a la misma en: efectos a largo plazo y efectos puntuales. Los efectos a largo plazo son generados por la degradación de los dispositivos electrónicos como consecuencia de la exposición. Mientras que los efectos puntuales son producidos por el impacto de una sola partícula. El resultado final de este impacto depende de muchas variables, como por ejemplo, de la protección, la tecnología o el diseño de cada circuito. Para paliar estos efectos y mejorar así la fiabilidad, se han desarrollado dos metodologías diferentes: endurecimiento por proceso (RHBP) y endurecimiento por diseño (RHBD). Al mismo tiempo que la exploración del espacio dependía del desarrollo de la electrónica, la evolución de la industria de semiconductores ha sido "forzada'' a seguir la famosa ley de Moore: "El número de transistores en un circuito integrado se dobla cada dos años aproximadamente''. Esta tendencia ha llevado a desarrollar transistores cada vez mas pequeños hasta llegar a los tamaños actuales de pocas decenas de nanómetros. Sin embargo, este escalado de la tecnología también ha venido acompañado de nuevos retos, y uno de ellos es la aparición de efectos producidos por la radiación de partículas incluso en la superficie terrestre, donde antes estos efectos eran totalmente inapreciables. Por lo tanto, rediseñar los sistemas para evitar estos efectos perniciosos se ha convertido en algo totalmente obligatorio no solo para aquellos sistemas que van a operar en entornos hostiles sino para todos los sistemas. Siendo este el objetivo final, esta Tesis se centra en el estudio y mejora de uno de los circuitos más utilizados a lo largo de la historia, el oscilador en anillo. Los osciladores en anillo son osciladores muy robustos y que oscilan en casi cualquier circunstancia. Ambas características los han convertido en unos dispositivos muy versátiles que se implementan en aplicaciones muy heterogéneas: estructuras de test, PLLs, DLLs o relojes. Así, mejorar el diseño de este dispositivo supone una mejora potencial en cada una de las aplicaciones finales que lo utilizan. En esta Tesis, utilizamos los efectos producidos por la radiación en los osciladores en anillo para llevar a cabo esta tarea. Primero, hemos diseñado un sensor de Dosis Total Absorbida que se beneficia de los efectos producidos por la acumulación de carga. Este sensor presenta las siguientes características: es autotemporizado, tiene una sensibilidad configurable, es digital y su interfaz permite integrarlo en una red de sensores multidisciplinar. Hemos diseñado, implementado y fabricado el sensor en una tecnología comercial de 0,35 um. Y lo hemos medido y caracterizado en términos de radiación hasta 575 krad y de temperatura dese 0 a 50 ºC. El sensor ocupa un área de 0,0047 mm2 y consume 463 pJ por medida. Segundo, hemos propuesto un oscilador en anillo tolerante a efectos puntuales transitorios (SETs) sin penalización de área. Para ello, hemos enmascarado las corrientes inducidas por la radiación mediante la configuración del ciclo de trabajo de la señal de salida del oscilador. Esta configuración se basa en la implementación de etapas asimétricas. La validación de nuestra propuesta se realizó mediante métodos de simulación y emulación. Tercero, hemos desarrollado dos modelos que generalizan el método de configuración del ciclo de trabajo del oscilador en anillo. El primero de estos modelos se basa en el diseño del trazado de cada uno de los transistores, y el segundo se basa en utilizar diferentes esquemas de alimentación. Estos modelos han sido validados con simulaciones de una tecnología comercial de 40 nm. Por último, hemos aplicado los modelos desarrollados para implementar un PUF basado en osciladores en anillo. Estos sistemas son sistemas de seguridad hardware que requieren una gran fiabilidad. Para aumentar la fiabilidad de los sistemas actuales, hemos propuesto medir el ciclo de trabajo en lugar de la frecuencia de salida, consiguiendo mejoras de más del 20% en el peor de los casos.