Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

Www.hib.no 1 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet 27-28. Mars 2008 Radiation Effects in FPGAs & SEU Modeling Methodology Ketil Røed Høgskolen i Bergen.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "Www.hib.no 1 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet 27-28. Mars 2008 Radiation Effects in FPGAs & SEU Modeling Methodology Ketil Røed Høgskolen i Bergen."— Utskrift av presentasjonen:

1 1 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Radiation Effects in FPGAs & SEU Modeling Methodology Ketil Røed Høgskolen i Bergen

2 2 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Topics Radiation effects in the programmable logic –What is the problem / challange? –Key words: SEU rate in CERN ALICE TPC FEE FPGA Experimental work –Why?  FPGA acceptance study –How?  Accelarated beam testing –Results System design solution for radiation tolerant electronics Simulation work –Why?  Predict SEU rate –How?  Monte Carlo based physics simulation –Results

3 3 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Problemstilling: Elektronikk i strålingsmiljø Bly Hvordan oppfører elektronikk seg i et slikt miljø?

4 4 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Field Programmable Gate Array, FPGA Enkel sammenligning: –ASIC /Full Custom –Application Specific Integrated Circuit –FPGA –Field Programmable Gate Array

5 5 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Field Programmable Gate Array, FPGA En FPGA er laget av flere predefinerte elementer som kan konfigureres Konfigurasjons- data lagres i SRAM => Rekonfigurerbar

6 6 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Field Programmable Gate Array, FPGA Transistor

7 7 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Og problemet var? Single Event Upset (SEU) Transistor

8 8 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Aksepttest: Arbeidsflyt Kartlegge Strålingsmiljø Analyse Utvikle testmetoder Utføre strålingstester

9 9 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Irradiation Test Facilities The Svedberg Laboratory, TSL –38 & 180 MeV protons –90 MeV neutrons – p/cm 2 s & n/cm 2 s –Beam spot radius 2 & 15 cm The Oslo Cyclotron, OCL –29 MeV protons – p/cm 2 s –Beam spot radius: 2 cm

10 10 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 SEU Cross Section Result (Xilinx Virtex II Pro) + Using an SEUPI: Single Event Upset Probability Impact = 10 Lesea et. al. The Rosetta Experiment, IEEE TRANS. ON DEVICE AND MATERIALS RELIABILITY, V 5, N3, 2005 * Fasso et. at, Radiation in the ALICE TPC detector, ALICE internal Note-TRD 2003 TSL (180 MeV p):σ = 2.14 x cm 2 / bit OCL (29 MeV p):σ = 2.11 x cm 2 / bit Independent experiment by Xilinx (atmospheric neutron spectra) –Rosetta + σ = 2.98 x cm 2 / bit Scaled to the ALICE TPC radiation environment –Simulated* hadron flux h/cm 2 s –Results per 216 FPGA / 4 hr unit Run # SEU ~120 # functional failures + ~12 Conservative numbers

11 11 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Alternativt 1 feil / ~4000 timer 1 feil / ~400 timer 1 feil / ~100 timer 1 feil / ~0.5 timer 1 feil / ~sekunder Kontoret Fly (12000m) 1 FPGA CERN 216 FPGA CERN 1 FPGA OCL Resultatet er i overkant av hva som kan tolereres

12 12 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Systemløsning: Kontrollert rekonfigurering Fails during run

13 13 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Komplisert resultat No action Readback and Correction enabled Triple Modular Redundancy turned enabled 1.Configuration memory is read back and bit-flips are corrected 2.The FPGA firmware design can be protected Hamming bits Triple Mode Redundancy 1+2: Reduces the functional failures to an acceptable level Test flux: p/cm 2 s TPC flux: h/cm 2 s ~ factor 10 4 lower flux 11+2

14 14 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Enklere versjon % Feil under test Ingen beskyttelse Rekonfigurasjon + TMR Kombinasjonen har vist gode resultater i strålingstester <10< 5

15 15 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Next step: SEU Monte Carlo simulation Physics Software Tools Semiconductor device technology SEU SIMULATION General tools –FLUKA –GEANT4 Dedicated tool –SEMM2 (IBM) Not plug and play! Utfordring: Tilpassing til vårt bruk Model the physical processes responsible for causing SEUs

16 16 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Reasearch Visit at IBM 7 months research visit at IBM T.J. Watson Research Center, NY, USA (NFR Leiv Eiriksson mobilitetsstipend) –To learn the business of SEU modeling methodology

17 17 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Modeling Methodology Describe physical processes Inelastic and elastic Interactions Nuclear fragmentation Transportation Target information Technology Layout Material Radiation environment Particle type Energy & flux Modelling Software Tool Radiation event generator Charge transport & collection < Critical Charge SEU

18 18 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 The Physics of SEU Basic mechanism –Charge particle depositing energy in a device through ionization – If Q dep > Q crit => SEU TPC radiation environment* –Energetic Hadrons (E > 20 MeV) –Nuclear Interaction Short range recoil-ion, Typically E < 10 MeV P substrate Drain Gate Source N+ + - Si(p,p α)Mg * Fasso et. at, Radiation in the ALICE TPC detector, ALICE internal Note-TRD 2003 α Mg p p Q dep

19 19 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Target Device Information FIB: Focused Ion Beam Investiagated using Focused Ion Beam tool (FIB)

20 20 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Target Device Information: FIB Images Si substrate ~850 um ~5 um Device layer (90 nm transitors) Cu interconnet layer (0.4 um) FIB images are used to build a geometry model of our device

21 21 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Radiation environment Run new simulations –Add FEE geometry (C++ class in Aliroot) –SEU dedicated scoring regions

22 22 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 SEMM2 Methodology Physics Radiation environment Target information Modeling software H.Tang, SEMM-2: ”A new generation of single-event-effect modeling tools”,IBM Journal of Research and Development V5 No3 2008

23 23 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Adapt to CERN FPGA case H.Tang, SEMM-2: ”A new generation of single-event-effect modeling tools”,IBM Journal of Research and Development V5 No Dedicated Post-processing FEOL FPGA geometry BEOL FPGA geometry CERN Radiation field Xilinx Qcrit information

24 24 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Ongoing work and outlook (I) Comparison study (Fluka, GEANT4, NUSPA) –Particle production from nuclear reactions Thin Si target Beam Si Alpha Recoil ion P,n,d

25 25 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Ongoing work and outlook (II) Comparison study (Fluka, GEANT4, NUSPA) Konklusjon: Modellene er forskjellige! –Men: Ingen overraskelse

26 26 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Comparison study (Fluka, GEANT4, NUSPA) Preparing simulation case study of FPGA –Compare with experimental results to validate method Improve simulations of the radiation environment –Add more detailed geometry of electronics rack *Rodbell et al, Low-energy Proton induced Single Event Upsets in 65 nm…, Presented at NSREC July 2007 Ongoing work and outlook (III)

27 27 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet Mars 2008 Eksperimentelt arbeid foreløpig ferdig og aksepttest med tilhørende løsning godkjent Mye spennende arbeid gjenstår Tverrfaglig innsats Strålingsproblematikken er forventent og tilta etter hvert som teknologien nedskaleres *Rodbell et al, Low-energy Proton induced Single Event Upsets in 65 nm…, Presented at NSREC July 2007 Konklusjon


Laste ned ppt "Www.hib.no 1 Ketil Røed Studentkonferanse Fjordslottet 27-28. Mars 2008 Radiation Effects in FPGAs & SEU Modeling Methodology Ketil Røed Høgskolen i Bergen."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google