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MZ!P/Z/546/f*, M`+$*,*, >&"8h`rd=?+>-4V
1. Introduction `>e>W M, > b > ] W ¡ ¡ W > W¢ ¡ ;£d ¢L h¤ ;¥T¦ M WW M >~M§ ] ¨ ¦ ¨ > £ ¨ >§B ¡ © > © M Wª¦T ¦ M£ MLMW L«D¬© ]M:M§ ]M ¦ MM z ¨ M§k>§ ! ;D>§ { ? M§ M, > ¦ >> ¦Th> ¡W ; '>L§ M§;W> © e '© >§ , ML c § ©W ¦T].>ML] W' ¨ £ ¡ ¨ «B® cM§ > ] MW]sM§ UMMp M§ M, > ¨ > M§ © !© £5M L ;xML§ W¯ © >z © MDM ¦ Q© MW £ « °r±c²9>L§ B M> C > W > M© M ;W> © e ¨ M§9§ § ¡ ¨ M© ¡ MW B9 ¨ LM£ ¦ e <«C³ § a¡¡ © (´ £5¦ a> £5MW]U; © > (` ; ¡ 9> ©,g!© M£> cM^§ p¯ © \ µ< Lµ W W©T > M{M§{M L¶¦+; ¨
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2. Counters ¿ M§ s L> ¨ ©> M§ \ ¡ ] > "À £ {rÁ X ; © > ¨ § W§ ¨ >Y > g )M§ ©,<«"½T© ;>L> M^§ p¯ © 1M§ ; © M M p ©> «À 'kÁ X © > \ M © W M§ U¡T¡ )¦ © UM§ > ]cM^§ p¯ © ¦T;?M M ] ? ;W> © e « ` © ML ¨ LMa ¢ bO ; b£ ¡ <M§ \ ©,{ >§ ' > M ¡ ) M§ M? ML X ¦T © }<Y MWbL] <r M M > < M§ g¡ M#µ? c ¨ e¶%> MB ; C ; © M «
2.1. Binary Counter ³ § À © ML9 >§ ¡ ] Y;b£ ] W9© ; © > «"Á © M gÂeÃÄ?¡ M ¡ B >L§ W¯ © C ¢. M§ À ; © M !© L © > «1®t¡ > ¡ M M§ ³kÅ ¡ £ Å ¡ ¨ 1© c < ;M^> >> «½ © > Ã § ¨ >§ \ © e ¡ ] MW Y³tÅ ¡ £ Å ¡ ¦ ; © ML ¨ e>§ !© ;>L> { p « ³`?¡ p WW °r±c² À © ML t >|W ¡ ;£ ] M mx § ¨
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Proceedings of the International Symposium on Quality Electronic Design (ISQED’02) 0-7695-1561-4/02 $17.00 © 2002 IEEE
PARITY
ENABLE
T
Q
T
TFF
Q
T
TFF
Q
T
TFF
Q TFF
CLOCK
a) Binary Counter using T−Flip Flop T1 T2 T3 T4
PREDICTED PARITY D
Q1 Q2 Q3 Q4
Q
Q’
CLOCK
b) Parity prediction logic
½ <© M Ã<º Binary counter with fault detection using T-Flip flop § ;>§ aM§ ¡ >e M§ ;? M ¨ W § s « ¨ Æ ;r M M§ É Ê}««W« Ì| W ¥ © > Ã<¸ ¦T¹ <psÇBÈbÉ ÇBÈYÊb«W««(ÇYÈYÌ ¦T © M ML; ]!© « ¿ ¦T L >§ ½ © M Ã'½ © > » M W] p 9W ¡ ] MW M§ À ; © MLB; ; ¡ s>§ 9]] ] « M < >x; T >§ ¡ ] > z § ¨ f½ <© M »] M§ c ©,'< )¡ ¡© W UW ¡ Lb > '{p ¢< ) < M ;< ¡T > À ; © ML ¨ M§ Á X ; © > «
] Á X b © ML § < ¦TL f¡ > ¡ > > µ ¡ ¨ L >§ b M> 1¡ >§: Y¦+ z¡ M, > < B »XÄd« >¢:§ ¦+ f bM ¡ >#µB>§ µ sÁ X ; M M >§ {; >;?b ¦ x§ M§ M Mx 6 § ; M ,© > B ¨ >§ £ MWµ?e ¦ x ¼ £ ¾ ,© > Y <M T¡ > ,L © MW x© £ rfÁ X ; g; © >  ¼#Ä5«kÆ ¨ µ< W ¡ ] M Á X ; © M ] x ¡ < kÀ ; © ML L«x®¤ e¥T ] © 9 Wb M^¯ © > M M>] >§ ;? >] >§ ; © > «³ § \ pY ¹ . > ) ¡: ©M©W W k mà ¸ £5¦ec; © > : ;£ ¡
W M§ {¦ >§ ¡ MLµ? ©] M >§ W ;< ¡ L] L« ®) M§ D p ;< ¡ ? ] §<g © ¡ ¢? M§ Á X ; © >B]<M ¡ ¨ L9§ © «g®) § ¨
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overflow
overflow
4 − bit Gray counter
.....
4 − bit Gray counter
overflow
a) Segmented Gray counter using 4−bit Gray counters
ENABLE
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
31
0
0
1
1
0
0
0
32
..... EN 0
EN 1
EN 2
EN 3 0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
... .
CLOCK
b) Output of a Segmented Gray counter
DFF
DFF
BIT 0
DFF
BIT 1
½ © > ¼ º Segmented Gray counter
DFF
BIT 2
BIT 3
½ © > »,º Binary counter using a D-Flip flop
2.2. Gray counter
] £ À ; © > M c © MWµ W µ< g¡ ¨ \ ;W ;cM§> >c © M ¡ 9M MW ¨ § : ¨ e§,£ M< >9MxM§ ;? «U³ § Á X ; © >) ¦T ¨ M£ ¡ ¨ CM§ LMa M e> Å ¡ £ Å ¡ ¨ § h ¨ >§ ' > L«x³ § M ,© ;MW h ¨ e§,£ x >µ? 'M µ< b ¥T ] © U "¡ ¨ L £ M§ © §f >>] > Wb X § µ<]<MM MW L«
3. Fault model and fault sensitivity analysis methodology ½T© ¦Tc¦ > <,W p> ¥ > ; #%;T > !© Y M ©T©W ©T 5 M#3! !© L « > M § 6 ; ,© ?©,! © > { ¨ § ]> !© >Y © >§ B¥ W« · s <)> !© £ W© ' MW M M ¢ l¡ ¨ ]> « ¿ § < ¦TL k § ¨ M§ M, > ! W© > 9,© bM M T W !© r ¾ Äd« Æ ; 6M§ D ©T, ¨ M ; LM > !© « ²,µL C!© Y] WB 9> W !© § µ¦+ > ¡ ¡ t Äd«]½ c>§ ¡ © ¡ ] M§ 9 © ¨ M © >§ kb c¡ M M Ë XÄ ¨ § p§|] p{?
Proceedings of the International Symposium on Quality Electronic Design (ISQED’02) 0-7695-1561-4/02 $17.00 © 2002 IEEE
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BIT0 BIT0 BIT1 BIT1 . . . . BIT3
Logic to generate the bit for next state Similar for other bits
, 43S 43S 03254UT > WVXZY\[] ^ fb M© > 03254 _4 3S z ;> ¡ M } ;]
CLOCK
DFF
DFF
BIT 0
DFF
BIT 1
³ © £ M W > M > , § M W µ p ¨ T © ¡ © W, «s³ § #µL >. %Å ¨ U § M ¨ ' ½ < © ¾ «
DFF
BIT 2
BIT 3
½ © > ´º Implementation of a Gray counter M W M Wµ ]
INPUTS
] ® §
¨ § p§b> M © ; L;MW § s ;£ ¹ O ¸ « « ³ § sM W a ] ¦ 9 ; > ^ © ¡ > © >M Wµ ¦ rº
T « >§ x!© {] ch!© e>µ?
W, ¦+ DMh;< ¡ >x ¨ z ?¡ ; © MbW ¡ £ MW L« ·UL; ¨ >¢  #Ä § \ § ¨ M§ )>§ !© e>µ? gW, s £ ¡T MMp B T,© ; M T W ¦+ ¡ >b D W6 c >§ ² ¿ © L« ]M>W' W >§ M<¦ ¦ e c½T © M ¸ ¹ ¦+ {¡ M ¡ k Ä5«(³ § s Wµ ¦
+
-,/.
+
Ì
¨
03254 6 8 7 *Ç ; =< É:9 § > >/?!A >§ > Ç
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PQ RO
103254
03254
J
¸!¼ ¹
£d¦ eC; © ML¹ < M§ ?© ¦TL M§ .© Y¦+ L> «rÇ >§ Wµ ¦
M§9 ^> M !© © ¡ © >§ ¨
1. Create a list of nodes
SPICE wirelist
Ì ¸ ¹ ¸ !#" $%&!(' ¹ ¸7Ã ¹ ¨ § > >§ ] , © w © >> *) É M§ ; L;MW MW]r; < © ;MW | Ê >§ zW > ¢ ) ¦ § ] sMWb;
¸5¾ ¹
> M© ¸Q´ ¹
2. Run SPICE simulations with fault at one node
Inputs (States)
OUTPUTS RELIABILITY
3. Repeat step 2 for various charge generated , inputs (states), time instances
Charge Generated Time instance of fault
( POF, FV ) POWER
4. Compare the outputs to detect errors.
½ <© > ¾,º Tool flow for measuring Reliability and Power
4. Improving fault tolerance of counters
`
,§ © MWµ © W MW s § ¨ M§ \M? TÅ ¨ ¸!½ £ > © ¾ ¹ ¨ LM ¡ >] ]© M§ ¦+#µs] MW ]!© e>µ? rW, bM§ hfëi» °r±c² ¡ M, >« > § M § B M L L M c ; ®UW © LM x < ] £ ¨ > § W ¦ M !© Tr ¡ M g´ £d¦ B; © > > \ # µ > ? ² L µ « L;MW g Lµ p ¨ LM p b; £ ¨ > « ², © W MW > M© >§ {; © > ¨ M§ © ? ¡ MWbWª MW § ¨ ¦ ë
a
` © M À T Á X
± ½ «Ã «
b,
½ ^Ã » ?«
+ «
¨ « <¾» « ¼
³" ¦ ú Comparison of counter without any optimization ³ ¨ ¡ ¡ M § ¨ >s; T > Y CW ¡ >#µ. \!© M L ;k > § ; © M «½ :]M§ µ< µ £ ;< ¡ > > , © M§ 6 © >cM{ ¢<bM§ L
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!© £5M L 1 « ³ § L ];>§ ?¢ O C> <]\ >§ 9¦ , ¢ > ¢ \M§B; © > !© M£>
«
RESET Error Detection Circuit
Counter data
Counter
4.1. Incorporating redundancy in the counters ¿ ~ L B¡ M d¸! M ¹D{> ¡ < 5¸ MW]^¹{> ,© £ ¡ ¡ W M ;W> © e{>t ¢fM§ L !© M£ M L «F® > M ,© ¦+ ¡ ¡ W M
; © £ ML | µL t W ¡ > B¬)©T °' ,© p D·U ,© £ ¸!¬ °:·)¹ ¸½ <© M ¹f ³ > ¡ °' ,© p ·U ,© £ ¸!³ °:·¹ ¨ § > > © : © ML { M >§ ¥ © ¡ © a M§ ) >e µ> M§ ; © £ ML L« r '? ?¡ > M ,© £ ;> < C¡ ¨ `; T© ¡ > 6 < e¥+ {¸ ¦ ]9! ;M<a » ¼ ¹ «
ERROR Counter clock Counter load
OUT1
Counter LOAD DATA
OUT
with enable
Correct Data DATA
½ <© M ,º Architecture of time redundant counter ` © ML ® > · © À ³ WbB·U ,© T À ® M ·U ,© T ³ ]B· ,©
ERROR
CLOCK
2:1 MUX
Error Detection Circuit
2−1 MUX
Control Logic
CLOCK
CLOCK RESET
OUT Regi− ster
LOAD
³a?¡ T Á X Á X
¨ «WÃÃ^»¼ « »<» « « »¼
` © > ` © ML ` © ML ` © M
³" ¦ »,º Power comparison of area and time redundant counters
OUT2
Redundant Counter
4.2. Circuit-level fault tolerance ½ <© M
º
Architecture of area redundant (DMR)
counter ¡ > ¡ ]Mz ¡ < M 5/]I
M$#*,%$+4 >§ ; © M L«o³ § k¡ ¡ > § W]e § ¨ M}#µ>§ Mz> © ; h¡ ¨ ]; M© ¡ MW « ¿ © /;I
M$#*,%$#T >L§ W¯ © LM Y © ¡ © b >L ¡ © > 'g ML ¡ M>L#µ >¤> W !© « ½ © > WW© > M © `W ¡ ] MW >§ /;I
M$#*,%$#T ML§ W¯ © « ¬© > <M ¡ L MW >§ ; © Ma © ¡ © ` a M<M x ¦ > ML « ¿ LM> >§ ¡ MLµ.W ©TW £ M<M >M^µ W© ( < >M§ b; © M «³ § Y © ML) >§ : µ< ' ,¢DM M^;< ¡© M>§ ? > «O³ § < MW § ¨ >sM£ ¯ © > W© 9 ¦ M > © M ¡ ;, ; >M T W <6T ,¢ <p« ¨ a > µ DLM>B>L#µL f p ©T >> § ¦+ D ML;M «(³ § © >§ >L§ W¯ © \ s¡ ¡ > ¡ > M © M £ ¨ ¡ ¨ D ¨ ¡ L <M ; , M L« ½ !© M T MW]t> © rM^§,£ p ¯ © c ©M z ¦+#µB> M© \ à > ¦ «c³ § ¡ ¨ s; M© ] ¦ M§ W ¡ L] MW § ¨ ¦ » «
® © >(; c C bL] ] )¸/Å ¡ £ Å ¡ ¹ ¨ § p§D§ p >§ 9 © >> M\ >§ 9; © > p ¨ § p§ ;MLM] >§ . Ms¦ < >§ ¡ >;£ µ? © > « ²? Å ¡ £ Å ¡ >¦ ¦ c Lb M§ >gb<M e>µ<6>z> M§ M§ W < M « Æ ; ?
MM ¡ gM}M < ; © MD; ¡ § © p{ M M<F>§ Å ¡ £ Å ¡«`®j³ T W (© p ³ £ § ¸!³ `³ ¹ ¡ M ¡ ÂeÃ<ÃÄ ¦+ ©T M W ¡ M#µ<`>§ !© aM ;s M§ Å ¡ £ Å ¡ § ; M§b © ML « ·U;W> © e\§ W¡ ¥ >> © )M§§ § >L¯ © > W L¸½ © M <¹ « ²?LµL ·Ukµ © ¨ LM § © m¸ { > ¾ £ » ¾ ¶T£ ¼ ¶a¹M xM§ ;¶%L;` ³ a³ ]!© £5M L ; ]¡ ¨ ¸!³" ¦ ¼ ¹ « ·U M© 6 § ¨ M§ ¨ e>§ ;> < { M ¡ e M§D> ¦ M§ g; © Mb ;> < B M§g M k¡ ¨ L ¸½ © M zmà ¹ «k³ § < MLM M ¦ e § ¨ LµL M © > ¦+ © à § 6?Q© >§ s> ; M )> M© e> ¡ ¨ U; « ®) >§ rM^§ p¯ © ¨ § p§j] §. ¡ >#µ. W ¡ >#µ;£ ] B z!© M£> M{ ;> < M§ Wª] M £ M< rÂeÃX»^Ä5« ¿ ;> < >§ Wª: M§ zM M<6>;£ ,© >§ e © b >§ ¶ ; ]µ b M§
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.
.
.
+
0.075
Clk
0.07
Clk
Power consumed (in mW)
R,C
Clk R,C
Binary Counter Gray Counter
0.065 0.06 0.055 0.05 0.045 0.04 0.035
Clk
½ <© M
º Transient Pulse Tolerant Latch (TPTL)
± ½ «Ã «ÃX¾» «Ã ¼ «Ã « « » « .¾¼ « .¾»
b,
½ ^à » ?« à « ¼ « ,ë « #´« ´« »,«
+
+
+
¨ « <¾<» « <¾ « ¾ « ¼ « ¼ « ´<´ « <¾ Ã « Ã
³1 ¦ ¼º Comparison of counters using various resistance values
10 Resistance (in K−ohms)
15
20
Binary Counter Gray Counter 120 110 100 90 80 70
0
5
10 Resistance (in K−ohms)
15
>
M » 6«
` © M > À T » ´ > Á X » ´
± ½ «Ã «ÃL´ « « ´ « « .¾¾ « .» « Ã^¾
\+
b,
½ Xà » ?« Ã<Ãë ´«i» ¼<¼ « « « ¼ ¼ «i» » ë ¼
+
+
¨ « <¾<» « « » « « ¼ « <¾<¾ « » «
%+
³" ¦ ´º
Comparison of counters using various transistor sizes
·U M© B § ¨ >§ 9>§ > ¦ M§ D; © >9 £ ;> < ¨ M§B M ( M§ Wª( M§ `M T > . M§ b; ) M g¡ ¨ L ¸!½ © > YÃÃBhÃ^» ¹ «U® < e¥+ < M ¦ e <¦ >µ z M§ ªL M§\MMp T Lµ.p; M « ¿ M§ Wª Lµ?W Q© MM§ L M M ¦ e ¨ ¡ >#µY¦ © ce\b §. ;W C>9 M M§ ªLs M§ Lµ?W (¦T ¡ ¨ Ox ¦+ h M k W]e «:® ªL {! >Y ¦+ MM£ ] ¦ >§ ¡ ¨ B¦ ©T, YM§ , ML ¸ M§B;W> © e¹ «
130
Fault Vulnerability
5
½ <© > Ã º Effect of resistance on power
` © > M < À ¾ § à § » ¢§ <M Á X ¾ § à § » ¢§
60
0
20
+
½ © M º Effect of resistance on reliability M W M§ © ¡ >#µ M ¦ e <« ± Wr L> § § W T MWµ z § ©W ¦+}> ªL M| ¡ >#µ M§ !© M£> ¨ e>§ © \ ;> < >§ > x < ¥ £ <« `MMp T ¨ > Wª ¦ B! > 1» £ M§ L]¶+^ }!© £5M L ; l¡ ¨ ¨ b © W ¸!³" ¦ ´ ¹ «b³ § >L§ W¯ © ]> M© > fk > x¡ T
5. Conclusions and Future work ½ M<w>§ ¨ <M¢ ¨ ; W© ]M§ µ > ¨ £ ¡ ¨ L !© £5M ; < >L§ p¯ © s M f¸!½ © > Ã^¼ ¹ ] <© 6m #µ< ;£ < M^§ p¯ © a M>L¯ © W> M M M ¦+>§x¦ L>µ< © L ©MW«:® Y>§ >§e>L © > Lµ 5/]D M$#*,TI $+4 § © p ¦+h ¡ ¨ §>µL ¡ M W¦ f>mb£ ¡ >#µYM§ !© £5M L ; >§ , ML « ¿ ¨ \ § ¨ M§ \MWbb> ,© T U>L§ p¯ © T:© ¡ M© ] 6© ¡
Proceedings of the International Symposium on Quality Electronic Design (ISQED’02) 0-7695-1561-4/02 $17.00 © 2002 IEEE
© W MW ¨ W § ¡ ¢? M§ 'TW? 6 ¦ p ;W> © e «k³ ¡ > >§ ©T,f bb L T]Q© © M)ML§ M§ LM `9 M µ< ¡]!© ] p` W M M^§ «O®Up ? M§ © M £ ¨ ¡ ¨ M, > ; x!© M£ MWµ\b, £ < ;W © ]T § ;g] ¡ M bM ¡ > W] p © W ]e, £ ;W> © e «
140 Binary Counter Gray Counter
Fault Vulerability
120
100
80
60
³ § ¨ >¢ ¨
©¡ ¡ <> Acknowledgment: ¡ U¦ ²?§ ¡ `< ¡ > «
40
20
1
2
3 4 Size (time original size)
5
6
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Power Consumed (in mW)
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0.08 0.07
0.05
0.04 0.03
1
2
3 4 Size (times original size)
5
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6X Size
0.08
Binary Counter Gray Counter
6X Size
0.075
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10K Res
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Normal
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0.04 0.035
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0.06
30
40
50
60
70 80 90 Fault Vulnerability
100
110
120
130
½ © > ÃL¼º Power and reliability trade off M ¼< ¾ F >U¡ ¨ L ; ¡ M M6M§ > > ,© T M^§ p¯ © «}³ ¨ z ?¡ ;W> © >L§ p¯ © ¨ > £ ©> kkg L f 9 ¡ <M >§ BML§ W¯ © ¨ ]MWµ > « `W> © b>L§ W¯ © xW ¨ ¡ ¨ M£5> ¦ M L¶ O ¦+ © ¾ §D] M© > « ½© © > ¨ <M¢' µ µ< \ µ< ¡ 6 #µ © cM^§,£ p ¯ © ¨ § p§ M M ¦TM§M§ ¨ £ ¡ ¨ L
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