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

Resumen

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). Como resultado del estudio, se determinaron condiciones críticas en el rango industrial de temperatura de trabajo en función del riesgo de metaestabilidad. El MTBF de los sincronizadores varió con la temperatura de operación y lo hizo de manera diferente para cada tecnología. Para garantizar un MTBF superior a 100 años y una fiabilidad superior al 90% en 10 años en el rango industrial de temperatura de trabajo, la máxima frecuencia de reloj permisible del circuito resultó mayor para Cyclone III que para Cyclone V.