Conception et exploitation d'un banc d'auto-caractérisation pour la prévision de la fiabilité des circuits numériques programmables

Design and operation of an auto-characterization test bench for predicting the reliability of programmable digital circuits.

• Auteur / Autrice : Mohammad Naouss
• Direction : François Marc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 20/10/2016
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Jego
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Jego, Cristell Maneux, Jean-Claude Clement
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Bravaix, Bertrand Granado

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détérioration

Transistors

Fiabilité

Circuits intégrés numériques

Mots clés libres

Fiabilité

NBTI

HCI

CMOS

FPGA

Simulation

Modélisation

VLSI

Transistor

Vieillissement

Caractérisation

Reliability

NBTI

HCI

CMOS

FPGA

Simulation

Modeling

VLSI

Transistor

Aging

Characterization

Résumé

Les circuits logiques programmables (FPGA) bénéficient des technologies les plus avancés de noeuds CMOS, afin de répondre aux demandes croissantes de haute performance et de faible puissance des circuits intégrés numériques. Cela les rend sensibles aux différents mécanismes de dégradations à l'échelle nanométrique. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le vieillissements des tables de correspondances (LUT) sur FPGA. L'utilisation de la dernière technologie d'échelle réduite et la flexibilité de l'architecture du FPGA, permettent de développer un nouveau banc de test à faible coût pour évaluer la fiabilité en fonction de conditions d'utilisations. Ce banc de test peut-être implanté sur plusieurs véhicules du tests et suivis en temps réel par un logiciel de surveillance développé pendant cette thèse. Nous avons caractérisé la dégradation de temps de propagation de la LUT en fonction du rapport cyclique et la fréquence des vecteurs de stress. Nous avons identifié également que le rapport cyclique affecte fortement le temps en descente et modérément le temps en montée de LUT en raison du mécanisme de vieillissement NBTI, tandis que HCI affecte à la fois les deux temps de propagation. En outre, deux modèles semi-empiriques de la dégradation du temps de propagation de la LUT en raison de NBTI et HCI sont proposés dans ce travail. D'autre part, nous avons analysé l'influence de la tension de seuil et la mobilité du transistor sur la dégradation de temps de propagation de la LUT en utilisant le modèle de simulation du transistor. Enfin, un modèle de dégradation de la LUT prenant en compte l'architecture supposée de la LUT est proposé. Ce travail est idéal pour modéliser la dégradation des FPGA au niveau des portes.

Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) benefit from the most advanced CMOS technology nodes, in order to meet the increasing demands of high performance and low power digital integrated cricuits. This makes tem sensible to various aging mechanisms at nanao-scale. In this thesis we focus on aging degradation of the Look-Up Table (LUT) on FPGAs. Benefits from the latest downscaling technology and the flexibility of the FPGAs architecture, allow to develop a new low cost test bench to assess reliabilty depending on the operation condition. This test bench can be implemented on up to 32 FPGAs ans monitored in real time by a supervisory software we developed in this work. We have characterized the delay degradation of LUT depending on the duty cycle and the frequency of stress vectors. We have identified also that the duty cycle affects strongly the fall and moderately the rise delay of LUT due to the NBTI aging mechanisme, while HCI affects both delays. Furthermore, two semiempirical models of the degradation of LUT timing due to NBTI and HCI are proposed in this work. Moreover, we analyzed the influence of threshokd voltage and the mobility of transistor on the timing degradation of LUT using the simulation model of transistor. Finally a model of degradationof LUT taking into account the supposed LUT architecture has been proposed. This work is edeal to model the degradation of FPGA at gate level.