Diseño y metodologías de validación en sistemas microeléctrónicos tolerantes a fallas inducidas por radiación

Abstract

El presente trabajo de investigación aborda la problemática del daño por radiación en disposi- tivos, ciruitos y sistemas microelectrónicos, situación que se presenta habitualmente cuando los mismos son utilizados en aplicaciones espaciales o nucleares. Durante el desarrollo de la tesis se propone una metodología integrada por diferentes técnicas de diseño que permiten incrementar la tolerancia a este tipo de fallas en los sistemas. Asimismo, se detallan los ensayos de radiación realizados para validar la metodología y las contribuciones aportadas en dichos procedimientos. El material presentado se articula en dos partes, dividiéndose el mismo en función del tipo de fenómeno con el que se pueden asociar los distintos tipos de fallas inducidas por radiación. En la primera parte se presenta el problema de daño acumulativo, mientras que en la segunda se trata el problema de errores producidos por fallas transitorias. En ambas partes se introduce primero la problemática, para luego pasar a detallar lo realizado paracombatir sus efectos y finalmente describir los procedimientos de validación experimental. Temas como tecnología CMOS, entorno de radiación espacial y metodología de seleción de partes para misiones espaciales han sido incor- porados en apéndices, a modo de referencia. La validez de la metodología propuesta se encuentra respaldada con la fabricaión de más de seis ciruitos integrados, donde las implementaciones físicas de los diseños fueron realizadas en diversas tecnologías modernas utilizando las técnicas propuestas. Los resultados experimentales fueron obtenidos durante la realización de diversos ensayos de irradiación en aceleradores de partículas con iones pesados y protones de alta energía.

This research deals with the issues that arise due to radiation damage in microelectronic devices, circuits and systems, a situation that occurs often in nuclear and space applications. Throughout this thesis, a method will be presented that is composed of different design techni- ques that aim to increase the system's tolerance to this type of damage. Furthermore, radiation experiments are presented which serve both to validate this methodology and also provide valua- ble contributions on the subject. The text is presented in two parts, each studying one phenomena that can be associated with acertain type of system failure induced by radiation. The first part introduces the effects ofcumulative damage while the second part deals with errors that occur due to sudden failures or conditions. Each part is structured as follows: the main problem is introduced, the possible solutions are presented and finally the experiments that validate the methods are explained. Complementary data which includes CMOS technology, space radiation environment and part selection methodology for space missions is included in the form of ap- pendixes, to provide background information. The main body of work is validated by the design and fabrication of over six different integrated circuits in several modern technologies using the proposed techniques. The results of several radiation tests were obtained in particle accelerators through the use of heavy ions and high-energy protons.