Soft Errors in Advanced Computer Systems Robert Baumann (IEEE Design & Test of Computers, May-June 2005)

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1 Soft Errors in Advanced Computer Systems Robert Baumann (IEEE Design & Test of Computers, May-June 2005)

2 2 Introdução Aumento da integração, aumento da sensibilidade dos dispositivos Fenômenos observados por duas décadas: Partículas-alfa: U e To Nêutrons de alta energia: radiação cósmica Interação nêutrons de baixa energia: 10 B (borophosphosilicate glass – BPSG) Erros não esperados em tecnologias >65ηm

3 3 Geração de cargas A magnitude da perturbação de um íon depende de sua Linear Transfer Energy (LET), medida em [MeVcm²/mg] – depende da massa e da energia da partícula e do material pelo qual ela está passando Em um substrato de Si, cada 3.6 eV de energia produz um par elétron-buraco

4 4 LET x Distância

5 5 Geração de cargas Quão mais longe da junção NP, menor a carga coletada (Q coll ) e menor a chance de causar um erro Hoje nodos não isolados – mar de nodos, próximos uns dos outros causam o compartilhamento das cargas e ação bipolar parasita entre as junções Pode influenciar o montante Q coll, além do tamanho e localização de erros de V e I

6 6 Magnitude de Q coll Depende de: tamanho do dispositivo biasing dos nodos do circuito estrutura do substrato dopagem tipo do íon (energia, trajetória e ocorrência) estado do dispositivo Mas, Q coll é a metade da história...

7 7 Magnitude de Q coll Sensibilidade depende dos seguintes fatores: capacitância dos nodos tensão de operação resistência dos transistores Todos estes fatores influenciam Q crit : montante de carga necessário para disparar e alterar um estado de um nodo

8 8 Magnitude de Q crit A resposta do dispositivo à injeção de cargas é dinâmica e depende da magnitude do pulso de radiação e de características temporais Por isso, o efeito é difícil de ser modelado para a determinação de Q crit, que não é constante Q coll >> Q crit : soft error induzido Q coll < Q crit : soft error não ocorre

9 9 Soft Error Rate – SER Medida para determinar a taxa de existência de erros ocorridos num dado dispositivo Failure in Time – FIT: um erro a cada 10 9 horas de operação Grande preocupação quando não corrigidos: a taxa de erros supera as características de mecanismos confiáveis

10 10 Memory SER DRAM bit SER diminuiu cerca de 1000x em 7 gerações, mas DRAM system SER permanece + ou - constante SRAM bit SER e SRAM system SER diminuíram pelo não-uso do BPSG aumento da densidade de SRAM: a saturação SRAM bit SER não traduz em SRAM system SER

11 11 Memory SER

12 12 Mitigating Soft Errors Duas causas de soft errors são facilmente contornáveis: Partículas-alfa: purificando o processo Interação nêutrons de baixa energia: evitando o uso do BPSG Porém, uma causa não é contornável: Nêutrons de alta energia: radiação cósmica sempre há em qualquer lugar Esta última, é determinante do SER

13 13 Suavização de erros Modificações no processo e ajustes na tecnologia disponível: isolamento por poços e guard rings; processos caros Simplificações no projeto ou ajustes do layout: aumentar Q crit sem alterar Q coll ; aumento do atraso e área utilizada Detecção e correção de erros: paridade e SEC/DED; alta complexidade e latência introduzida

14 14 Suavização de erros Design and layout tricks: redundância e votador; custo de área pode ser contornado com um votador multiplexado no tempo Redundância de todo o sistema: replicação completa, execução em paralelo; reinício da execução ou votador (+ caro, mas a taxa de erros cai a praticamente zero)

15 15 Perspectivas 1 FIT = 1 erro por bilhão de horas de operação 50k FIT para SRAM de alguns Mb (estimado) 1 erro a cada dois anos de operação A quantidade de erros cresce conforme a quantidade de chips no sistema O nível aceitável de erros para atender as expectativas de confiabilidade do consumidor depende muito mais da aplicação final que dos componentes utilizados nos dispositivos