Bλάβες, ελαττώματα και. Δημήτρης Νικολός, Τμήμα Μηχ. Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής, Παν. Πατρών

Transcript

1 Bλάβες, ελαττώματα και μοντέλα σφαλμάτων

2 Περίγραμμα ργρ παρουσίασης Βλάβες (Failures) Ελαττώματα (Defects) Μοντέλα σφαλμάτων (Fault models) Μοντέλο σφαλμάτων μόνιμης μης τιμής (Stuck-at faults Βραχυκυκλώματα (Bridging faults) Short and open faults Προσωρινά σφάλματα (Temporary faults) 2

3 Ορολογία Βλάβες (Failures) Ελαττώματα (Defects) ή φυσικές βλάβες (physical failures) Σφάλματα (Faults) Βλάβη: το σύστημα δεν λειτουργεί σύμφωνα με τις προδιαγραφές του η βλάβη προκαλείται από ένα ελάττωμα το οποίο μοντελοποιείται με ένα σφάλμα 3

4 Ταξινόμηση βλαβών Ταξινόμηση βάσει της αιτίας Ταξινόμηση βάσει της διάρκειας 4

5 Ταξινόμηση βλαβών ανάλογα της αιτίας που τις προκάλεσε βλάβες που προκλήθηκαν κατά τη διαδικασία δ κατασκευής του ολοκληρωμένου κυκλώματος» κομμένες γραμμές» βραχυκύκλωμα τα» κλπ βλάβες λόγω γήρανσης» hot carriers degradation» oxide breakdown» Electromigration» κλπ 5

6 Ταξινόμηση βλαβών ανάλογα της Μόνιμες βλάβες» κομμένες γραμμές» βραχυκύκλωματα» κλπ διάρκειας προσωρινές βλάβες (temporary)» μεταβατικές βλάβες (σφάλματα λόγω ακτινοβολίας, θορύβου ή διακυμάνσεων της στάσης τροφοδοσίας)» διαλείπουσες (Intermittent) βλάβες (caused by marginal design parameters such as timing problems that result from races, hazards, skew, or signal integrity problems caused by crosstalk, ground bounce, and other factors) 6

7 Ταξινόμηση η βλαβών β βλάβες ελαττωματική κατασκευή γήρανση αιτία διάρκεια μόνιμες (permanent or hard) προσωρινές Temporary or soft μεταβατικές, transient t διαλείπουσες, intermittent 7

8 Αριθμός βλαβών και χρόνος ζωής mfs <mfs <mfs 8

9 Ελαττώματα η φυσικές βλάβες Παραδείγματα» Επιπλέον υλικό η έλλειψη υλικού (Extra and missing material)» Διάτρηση του οξειδίου (Oxide breakdown)» Electromigration 9

10 Παραδείγματα (a) (b) (c) (α) κόψιμο γραμμής (β) βραχυκύκλωμα μεταξύ δύο γραμμών που βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο (γ) βραχυκύκλωμα μεταξύ δύο γραμμών δύο γειτονικών επιπέδων 10

11 Μοντέλα σφαλμάτων δ.1 Απλά σφάλματα μόνιμης τιμής (Single Stuck-at Faults, SSA): Mία γραμμή παίρνει μόνιμα τη λογική τιμή 0 η 1. Πολλαπλά σφάλματα μόνιμης τιμής (Multiple Stuck-at Faults): Δύο ή περισσότερες γραμμές του κυκλώματος έχουν σταθερές τιμές, όχι αναγκαία τις ίδιες. Σφάλματα βραχυκυκλώματος (Bridging Faults): Δύο ή περισσότερες γραμμές, οι οποίες κανονικά είναι ανεξάρτητες, συνδέονται ηλεκτρικά. 11

12 Μοντέλα σφαλμάτων δ.2 Τρανζίστορ που μόνιμα δεν άγει (Stuck-Open Fault,SOP) Τρανζίστορ που άγει μόνιμα (Stuck-On Faults,SOΝ) Σφάλματα καθυστέρησης: Τα σφάλματα αυτά έχουν ως συνέπεια αύξηση της καθυστέρησης του κυκλώματος Δημήτρης Νικολός, Τμήμα Μχ. Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής, Παν. Πατρών 12

13 Απλά σφάλματα μόνιμης τιμής: παράδειγμα 1 A B Z είσοδοι απόκριση απόκριση με σφάλμα AB χωρίς σφάλμα A/0 B/0 Z/0 A/1 B/1 Z/

14 Απλά σφάλματα μόνιμης τιμής: παράδειγμα 2 A B Z είσοδοι απόκριση Απόκριση με σφάλμα AB χωρίς σφάλμα A/0 B/0 Z/0 A/1 B/1 Z/

15 Ιδιότητες σφαλμάτων Θεωρήστε τα σφάλματα φ1 και φ2 με σύνολα δοκιμής Τ1 και Τ2 αντίστοιχα: Ισοδυναμία (Equivalence):» Το σφάλμα φ1 είναι ισοδύναμο του σφάλματος φ2 εάν Τ1 =Τ2, δηλαδή, κάθε διάνυσμα δοκιμής το οποίο ανιχνεύει το φ1 ανιχνεύει επίσης το φ2 και αντίστροφα Κυριαρχία (Dominance):» Το σφάλμα φ1 κυριαρχεί του σφάλματος φ2 εάν το σύνολο δοκιμής Τ2 είναι υποσύνολο του συνόλου δοκιμής Τ1» Σ' αυτή την περίπτωση ένα διάνυσμα δοκιμής το οποίο ανιχνεύει το σφάλμα φ2 θα ανιχνεύει επίσης το σφάλμα φ1.» Η σχέση δεν είναι συμμετρική 15

16 Μείωση του πλήθους των σφαλμάτων για τα οποία πρέπει να εξάγουμε διανύσματα δοκιμής (Fault Collapsing) παράδειγμα δ.11 A B H C F G Z D E V 16

17 παράδειγμα δ.2 1. {A/0, B/0, H/0} A 2. {C/1, D/1, F/1} B H 3. {F/1, G/0} 4. {E/0, G/0,, V/0} } 5. {H/1, V/1, Z/1} 6. {F/0, G/1} C D F E G V Z 17

18 παράδειγμα δ.3 Z C F G 1 {A/0, B/0, H/0} D 234{C/1 2,3,4 {C/1, D/1, F/1, G/0, E/0, V/0} V E 5 {H/1, V/1, Z/1} 6 {F/0, G/1} 7 A/1 H/1,, έτσι το A/1 μπορεί να αντιπροσωπεύσει το H/1 και όλα τα ισοδύναμά του σφάλματα στην κλάση ισοδυναμίας 5 8 B/1 H/1 9 C/0 F/0, έτσι το C/0 μπορεί να αντιπροσωπεύσει το F/0 και όλα τα ισοδύναμά του σφάλματα στην κλάση ισοδυναμίας 6 10 D/0 F/0 11 E/1 V/1 12 G/1 V/1 13 V/0 Z/0, αλλά το V/0 ανήκει στην κλάση ισοδυναμίας 2,3,4. οποιοδήποτε σφάλμα από αυτή την κλάση ισοδυναμίας κυριαρχείται από το σφάλμα Z/0. {A/0, A/1, B/1, C/0, C/1, D/0, E/1} A B H 18

19 Σύνολο δοκιμής κυκλώματος χωρίς κόμβους διακλάδωσης (Testing g fan-out-free circuits) ) Σ ένα κύκλωμα, το οποίο οο δεν έχει κόμβους διακλάδωσης, οποιοδήποτε σύνολο δοκιμής ανιχνεύει τα απλά σφάλματα μόνιμης μης τιμής στις εισόδους του κυκλώματος, ανιχνεύει επίσης οποιοδήποτε σφάλμα απλής μόνιμης τιμής σε οποιοδήποτε κόμβο του κυκλώματος 19

20 Σύνολο δοκιμής κυκλώματος με κόμβους διακλάδωσης Σ ένα συνδυαστικό κύκλωμα, το οποίο δεν έχει πλεονασμούς, ένα σύνολο δοκιμής το οποίο ανιχνεύει οποιοδήποτε απλό σφάλμα μόνιμης τιμής σε κάποια από τις κύριες εισόδους του κυκλώματος και σε οποιαδήποτε γραμμή διακλάδωσης, ανιχνεύει επίσης κάθε απλό σφάλμα μόνιμης τιμής σε οποιοδήποτε άλλο κόμβο του κυκλώματος A C S D E B F G Z 20

21 Κυκλώματα με πλεονασμό (Redundant circuits) Ένα κύκλωμα χωρίς πλεονασμό είναι η υλοποίηση μιας λογικής συνάντησης που δεν περιέχει πλεονασματικές μεταβλητές ή όρους 21

22 Αιχμές (Static hazards) A C S D E B F Z AB S G

23 Αιχμές A F C Z S D E G AB S B

24 Παράδειγμα Πλεονασμού A C F Z S D E G B Q/0 πλεονασματική πύλη 24

25 Σχέση κυριαρχίας και πλεονασμού είσοδοι υπόλοιπο κύκλωμα A B D C έξοδοι Υπόθεση Οι ακόλουθοι συνδυασμοί δεν εφαρμόζονται στις εισόδους της πύλης AND A/1 D/1 B/1 D/1 C/1 D/1 25

26 Πολλαπλά σφάλματα μόνιμης τιμής Συνδυασμός μ απλών σφαλμάτων σε Ν γραμμές: 2 μ CN (, μ) όπου CN (, μ ) = N! μ!( N μ )! 26

27 Πλήθος σφαλμάτων μόνιμης τιμής με πολλαπλότητα μ ως συνάρτηση του μ πλήθος σφαλμάτων πλήθος κόμβων του κυκλώματος απλά σφάλματα μόνιμης τιμής διπλά σφάλματα μόνιμης Τριπλά τιμής σφάλματα μόνιμης τιμής Ν 2 Ν 4 C(N, 2) 8 C(N, 3) > >

28 Σφάλματα βραχυκυκλώματος (Bridging Faults) Ι ; 28

29 Σφάλματα βραχυκυκλώματος (Bridging Faults) ΙΙ Z Z A C A C B D B D Z=(AB + CD) Z = [(A+C)(B+D)] 29

30 Ελαττώματα σε CMOS τεχνολογία Τρανζίστορ που άγει μόνιμα Τρανζίστορ που δεν άγει ποτέ Ανοικτή γραμμή διασύνδεσης με πύλη (Open-on gate), καταβόθρα αβόθρα (drain) ή πηγή (source) Βραχυκύκλωμα μεταξύ δύο εκ των ακροδεκτών πύλης, πηγής και καταβόθρας 30

31 Τρανζίστορ που δεν άγει ποτέ V dd δεν άγει το δεν άγει το A Z PMOS NMOS τρανζίστορ τρανζίστορ 0 1 Q 1 A Z Q Gnd 31

32 Τρανζίστορ ρ που άγει μόνιμα μ A V dd Χωρίς το PMOS το ΝMOS A ελάτ- τωμα Z τρανζίστορ άγει μόνιμα τρανζίστορ άγει μόνιμα Ι Z 1 0 Ι 0 Gnd 32

33 Ανοικτή γραμμή διασύνδεσης με πύλη (open-on on gate), πηγή (source) ή καταβόθρα (drain) 6 X V dd A Z Q Q Q Q A X X X X X 4 3 Z 1 0 Q Q Q Q 1 X Gnd 33

34 Βραχυκύκλωμα μεταξύ δύο εκ των ακροδεκτών πύλης, πηγής και καταβόθρας V dd V dd 4 Τ 1,1 Τ 2,1 2 A Z I I I I Β A 5 Z 6 Τ 1,2 3 Τ 2,2 1 Βραχυκυκλώματα χωρίς ωμική αντίσταση Gnd Gnd 34

35 Σφάλματα καθυστέρησης (Delay Faults) Το μοντέλο σφαλμάτων μετάβασης (Transition faults) Το μοντέλο σφαλμάτων καθυστέρησης πύλης (Gate delay fault model) Αγνοεί τις αθροιστικές συνέπειες της καθυστέρησης περισσοτέρων της μιας πυλών Αγνοεί την καθυστέρηση των μονοπατιών διασύνδεσης Το μοντέλο σφαλμάτων καθυστέρησης μονοπατιών (Path delay fault model) 35

36 Μόνιμα και προσωρινά ρ σφάλματα Προσωρινά σφάλματα εμφανίζονται πιο συχνά στο πεδίο της εφαρμογής είναι δύσκολο να βρούμε την αιτία τους 36