Étude des effets induits par la radiation spatial et atmosphérique sur des mémoires électroniques

Analysis of space and atmospheric radiation-induced effects on memory devices

• Auteur / Autrice : Lucas Matana luza
• Direction : Luigi Dilillo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Lionel Torres
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luigi Dilillo, Lionel Torres, Mihalis Psarakis, Luis Entrena Arrontes, Laurent Dusseau, Alberto Bosio, Ernesto Sánchez, Viyas Gupta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mihalis Psarakis, Luis Entrena Arrontes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Mémoires flash

Rayonnement extraterrestre

Mots clés libres

Radiation

Effets singuliers

Dram

Mémoire Flash

Injection de fautes

Réseaux de neurones

Radiation

Single-Event effects

Dram

Flash memory

Fault injection

Neural networks

Résumé

Le rayonnement est défini comme l'émission ou la transmission d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peuvent être ionisantes ou non ionisantes. L'interaction entre le rayonnement et la matière peut générer différentes réactions, qui peuvent varier en fonction des propriétés de la particule (type, énergie cinétique, masse et charge) et de la matière ciblée (semi-conducteurs dans le cadre de cette thèse). L'exposition de composants électroniques à des environnements avec une présence significative de rayonnement peut conduire à ce type d'interaction et, par conséquent, à une variété d'effets qui peuvent affecter considérablement la fiabilité des systèmes électroniques.Lors de la conception de dispositifs et de systèmes électroniques, la prise en compte des effets des rayonnements est fondamentale pour les applications dans des environnements hostiles. Par exemple, dans les systèmes avioniques et spatiaux, ces effets sont largement étudiés pour garantir la haute fiabilité des composants et fournir les informations nécessaires pour les décisions de conception. Les préoccupations liées aux rayonnements ont commencé à être prises en compte au début de l'ère spatiale.Les rayonnements ionisants peuvent induire des effets dans différents dispositifs, et plusieurs travaux ont montré que les mémoires électroniques sont l'une des principales causes d’erreur dans les systèmes. De plus, en raison de leur nature, les mémoires ont la capacité intrinsèque de stocker la trace des fautes induites par les rayonnements, comme le Single-Bit Upset (SBU), ce qui fait de ces dispositifs le meilleur candidat pour étudier les événements singuliers.Le premier sujet introduit par la thèse est une étude sur les effets induits par les ions lourds sur une mémoire Flash de type NAND. Cette étude est basée sur plusieurs campagnes d'irradiation avec une large gamme d'énergies. Les résultats ont révélé différents mécanismes de défaillance, notamment des SBUs, des petits groupes d'erreurs, des fautes dans le registre et des fautes affectant une ou plusieurs colonnes de la mémoire. La section efficace a été calculée pour chaque type de faute, et leurs causes ont été discutées.Ensuite, une étude sur les effets de la radiation neutronique (spectres thermiques et atmosphériques) sur une DRAM auto-rafraîchissante est présentée. Des méthodes de test statique et dynamique ont été utilisées pour définir la réponse du dispositif sous faisceau neutronique. Dans ce manuscrit, les résultats expérimentaux de deux campagnes de tests sont présentés, avec l'identification de différents modèles de faute, comme les SBUs, bits collés et blocs d’erreurs. Ces fautes ont été étudiées et caractérisées avec le calcule de la section efficace, du taux d'erreurs et l’étude des bitmaps. Une analyse du temps de rétention des cellules affectées a été réalisée, montrant une différence d’efficacité entre le mécanisme d'autorafraîchissement et une véritable opération de lecture. De plus, une corrélation du mécanisme de défaillance qui génère à la fois des SBUs et des bits collés est également proposée. Finalement, les effets de réparation du recuit à haute température ont été étudiés dans des tests post irradiation.Après, ce manuscrit présente aussi une étude comparative sur les effets induits par les neutrons sur les SDRAM produites avec trois nœuds technologiques différents. Les résultats ont révélé la présence de SBUs et de bits collés dans les mémoires, montrant une sensibilité plus élevée pour la génération la plus ancienne et des résultats similaires pour les deux autres modèles étudiés.Enfin, une procédure est présentée afin d’évaluer la fiabilité des applications basées sur réseau de neurones convolutifs (CNN). Dans cette optique, cette étude propose d'utiliser des modèles de défauts réalistes extraits des tests de rayonnement comme entrée pour un émulateur logiciel qui effectue l'injection de défauts dans le système informatique dans lequel le CNN est implémenté.

Radiation is defined as the emission or transmission of energy as waves or particles, which can be either ionizing or non-ionizing. The interaction between the radiation and the matter can generate different reactions, which may vary depending on the properties of the particle (type, kinetic energy, mass, and charge), and the target (semiconductors in this thesis scope). The exposition of electronics components to environments with a significant presence of radiation may lead to this kind of interaction and, consequently, to a variety of effects that can drastically affect the reliability of electronic systems.When designing electronic devices and systems, considering radiation effects is fundamental for applications in harsh environments. For instance, in avionics and space systems, these effects are extensively studied to ensure the high reliability of the components and provide the needed insight for design decisions. The concerns related to radiation started to be noted at the beginning of the space era.Ionizing radiation may induce effects in different types of devices, and many works have shown that memories are one of the highest contributors to soft errors in systems. Furthermore, due to their nature, memories have the intrinsic capability of storing radiation-induced fault tracks, e.g., Single-Bit Upsets (SBUs), making these devices the best candidate for studying soft errors.The first topic introduced by the thesis is a study on the heavy-ion induced effects on a Single-Level Cell NAND Flash. This study is based on several irradiation test campaigns with a wide range of heavy-ions energies. The results revealed different failure mechanisms, including Single-Event Upsets, small clusters of errors, data register upsets, and a column-wise failure mode. Cross section was calculated for each of these failure modes, and their causes were discussed.Then, a study on the effects of neutron irradiation (thermal and atmospheric-like spectra) on a self-refresh DRAM is presented. Static and dynamic test methods were used to define the response of the device under irradiation. In this manuscript, experimental results from two different test campaigns are presented, with the identification of SBUs, stuck bits, and block errors. These faults were investigated and characterized by event cross section, soft-error rates, and bitmaps evaluations. An analysis of the damaged cells' retention time was performed, showing a difference between the self-refresh mechanism and a read operation. Additionally, a correlation of the fault mechanism that generates both SBUs and stuck bits under neutron irradiation is also proposed. Furthermore, high-temperature annealing was studied in post-radiation tests.Following, this thesis presents a comparative study on the neutron-induced effects on SDRAMs produced with three different technology nodes. The results revealed the occurrence of SBUs and stuck-bits in the memories, showing higher sensitivity for the oldest generation and similar results for the other two models.Finally, a framework is presented to assess the reliability of Convolutional Neural Network (CNN) applications. In this light, this study proposes using realistic fault models retrieved from radiation tests as input for a software emulator that performs fault injection in the computing system in which the CNN is implemented.