Análisis de la metaestabilidad en sincronizadores de dos etapas sintetizados en FPGA Cyclone III y Cyclone V

La metaestabilidad es un fenómeno probabilístico que provoca fallos en sistemas digitales. Ocurre con mayor probabilidad cuando un circuito recibe una señal asincrónica o se intercambian señales entre sistemas sincrónicos con dominios de reloj no relacionados. Para reducir el riesgo de propagación de la metaestabilidad a través de un circuito, se recomienda el empleo de sincronizadores, cuya efectividad puede expresarse mediante el parámetro MTBF (Mean Time Between Failure). Además, el desarrollo tecnológico que ha permitido disminuir las dimensiones de los dispositivos CMOS hacia escalas nanométricas, propicia la aparición de efectos que impactan en la metaestabilidad. Es una necesidad que los diseñadores de circuitos electrónicos conozcan estos riesgos y tomen acciones para contrarrestarlos. El objetivo de este trabajo es analizar el comportamiento de la metaestabilidad en sincronizadores de dos etapas desarrollados sobre FPGA del fabricante Intel-Altera, de las familias Cyclone III (65 nm) y Cyclone V (28 nm). Se obtuvieron curvas que permiten determinar las condiciones críticas en el rango industrial de temperatura de trabajo en función del riesgo de metaestabilidad y de criterios de fiabilidad. El MTBF de los sincronizadores varió con la temperatura de operación y lo hizo de manera diferente para cada tecnología. En el Cyclone III se observó un cambio de comportamiento a -40 [degrees]C, que se atribuyó a la ocurrencia de la inversión de la dependencia con la temperatura (ITD). En el dispositivo Cyclone V se observó el fenómeno ITD en todo el rango estudiado. Palabras claves: metaestabilidad, FPGA, sincronizadores Metastability is a probabilistic phenomenon that causes failures in digital systems. It most likely occurs when a circuit receives an asynchronous signal or signals are exchanged between synchronous circuits with unrelated clock domains. To reduce the risk of metastability spreading across a circuit, it is recommended to use synchronizers. The effectiveness of synchronizers can be expressed by means of the MTBF (Mean Time Between Failure) parameter. Furthermore, the technological development that has allowed the decrease of CMOS devices dimensions towards nanometer scale, favors the appearance of effects that impact metastability. It is necessary that electronic circuits designers know such risks and take actions to reduce them. This work aims to analyze the behavior of metastability in two-stage synchronizers developed on Intel-Altera FPGA,