Metodología de diseño lógico redundante para escenarios con ruido extremadamente alto y bajo voltaje de alimentación

Abstract

In future scenarios of low power and low voltage the electronic systems will present a high error ratio or voltage fluctuations due to dramatically signal to noise ratio. These transient errors can affect the logical results in a permanent way. In this thesis it has shown a new logic based on multiple redundant lines for each logical node as an alternative to strategies based on triple redundancy (TMR) within a fault-tolerant stage.
 The probability distribution of voltages in a noisy digital node can be described, as the union of two Gaussian distributions centred on the 0-and 1-logical, in terms of voltage are 0 and VDD, respectively. A digital circuit has an error when a logical value is misinterpreted, that is, when a 1-logic is interpreted as a 0-logical and viceversa, this is defined by the error probability Pe. One possible way to reduce the error probability for a noisy digital node is by increasing the number of ports n times that in this thesis is called as port redundancy PR-N). In a scenario with a very high noise level, for example for an SNR of -3 dB, conventional logic has a reliability loss of approximately 50%. Based on the reliability analysis in this work thesis, a new design paradigm named Turtle Logic, which is based on the complementary redundancy lines for each logical node, is presented.
 In this thesis it was demonstrated that an appropriate relationship between redundancy, complexity and hardware penalty is that all ports of the circuits make use of a redundant one in their ports (PR-1). Based on PR-1 the design methodology used in this thesis is the analysis of the logical coherence between the signals replicated by their true and complementary logical ports, either a logic gate, combinational circuit, circuit sequential or processor. Logical coherence or consistency is the logical values of each input and output always have complementary logical values, otherwise means has at least one error occurred. This logical concept is called Turtle logic because it's mimics the behaviour of the turtles in the wild life. This is when the turtles are in a dangerous situation; they remain in a state of self-protection. When the threat has disappeared turtles continue their normal life. Following this analogy when there is noise that causes incoherence values on complementary redundant signals, then the device (gate, combinational circuit, sequential element or processor) maintains its correct previous output logic values, and when the noise has a magnitude that does not cause an inconsistency in some of the complementary inputs, then the devices turtle continue their normal logic operation for which they were designed.
 Any logic function can be implemented following the methodology of Turtle logic design (PR1 and logical coherence). In order to build the basic logic elements by Turtle logic principles were built NOT, NAND2, NOR2 and XOR2 gates. 
 According to the works of reliability based on the Turtle logic proposal and worked in this thesis, you have all the elements that integrate logic design any logic gate, combinational circuit, sequential circuit and processor, which exhibit high reliability in high noise scenarios and low supply voltage regarding versus Markov random fields, Triple redundancy, C-element and a standard logic methodologies. El multiplicador Baugh-Wooley es implementado por medio de cuatro estados pipeline. Cada estado pipeline procesa 4 bits de la operación de multiplicación. Dos metodologías son probadas mediante el multiplicador Baugh-Wooley, la convencional y Lógica Tortuga. Los multiplicadores bajo prueba se implementan en las mismas condiciones ya que permite una comparación directa en términos de fiabilidad: * Dos procesadores de ayuda, el primero suministra los datos de entrada al multiplicador bajo prueba, y el segundo es el que recibe los datos procesados por el mismo multiplicador. * Un protocolo de comunicación Handshake, basado en dos señales de control, Req y Ack. * Cuatro estados pipeline, en donde cada estado procesa 4 bits de la operación de multiplicación. * Tecnología CMOS de 90nm. * En el primer experimento se inyectan espurios a las líneas primarias de entrada de los dos multiplicadores. * En el segundo experimento se inyecta ruido aleatorio en los nodos internos de la segunda etapa pipeline de ambos multiplicadores. Se inyectan espurios en las líneas del bit menos y más significativo del primer y segundo nivel pipeline de ambos multiplicadores. * Cada experimento implica 1,000 muestras discrepantes simples para ambos multiplicadores y sólo para el multiplicador Tortuga, 1000 muestras discrepantes dobles. El tiempo inicial de cada discrepancia simple y doble, esta localizado de forma aleatoria dentro del periodo T. Las discrepancias inyectadas en el bit menos significativo (LSB) y en el bit más significativo (MSB) son independientes y en instantes de tiempo distintos. Para el caso del multiplicador Tortuga son considerados dos diferentes casos; en el primer caso la discrepancia es inyectada en sólo una de las líneas (línea verdadera del dato) y en el segundo caso la discrepancia es inyectada en ambas líneas del dato. Cada discrepancia es generada con el mismo principio de aleatoriedad y con independencia probabilística, por lo tanto, las señales discrepantes dobles son no correladas. Un severo modelo de ruido ha sido usado en los experimentos aplicado a una implementación de un multiplicador 8x8-bits pipelined Baugh-Wooley complemento a dos. Los experimentos revelan una tolerancia perfecta para el caso de discrepancias en líneas sencillas (sin errores a la salida de todos los casos) para ambos nodos primarios e internos con un costo de perdida de relojes, entre un 6% y un 25% para el ruido inyectado en los experimentos. Esto significa que las prestaciones del sistema disminuyen sin embargo mantiene un alto nivel de fiabilidad. Para el mismo experimento, un multiplicador convencional exhibe una alta relación de error entre un 6% y un 48%. La relación de error para la implementación lógica Tortuga propuesta con doble discrepancia en ambas líneas verdadera y complementaria, es menor que el 0.1% cuando el ruido afecta nodos de entrada primarios y es menor al 0.9% cuando el ruido afecta a nodos internos. Sólo discrepancias simultaneas para ambas líneas pueden generar un error. De acuerdo a los trabajos de fiabilidad con base a la lógica Tortuga , se obtuvieron todos los elementos de diseño lógico que permiten integrar cualquier puerta lógica, circuito combinacional, circuito secuencial y procesador.