Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems

[ES] La utilización de sistemas empotrados en cada vez más ámbitos de aplicación está llevando a que su diseño deba enfrentarse a mayores requisitos de rendimiento, consumo de energía y área (PPA). Asimismo, su utilización en aplicaciones críticas provoca que deban cumplir con estrictos requisitos de confiabilidad para garantizar su correcto funcionamiento durante períodos prolongados de tiempo. En particular, el uso de dispositivos lógicos programables de tipo FPGA es un gran desafío desde la perspectiva de la confiabilidad, ya que estos dispositivos son muy sensibles a la radiación. Por todo ello, la confiabilidad debe considerarse como uno de los criterios principales para la toma de decisiones a lo largo del todo flujo de diseño, que debe complementarse con diversos procesos que permitan alcanzar estrictos requisitos de confiabilidad. Primero, la evaluación de la robustez del diseño permite identificar sus puntos débiles, guiando así la definición de mecanismos de tolerancia a fallos. Segundo, la eficacia de los mecanismos definidos debe validarse experimentalmente. Tercero, la evaluación comparativa de la confiabilidad permite a los diseñadores seleccionar los componentes prediseñados (IP), las tecnologías de implementación y las herramientas de diseño (EDA) más adecuadas desde la perspectiva de la confiabilidad. Por último, la exploración del espacio de diseño (DSE) permite configurar de manera óptima los componentes y las herramientas seleccionados, mejorando así la confiabilidad y las métricas PPA de la implementación resultante. Todos los procesos anteriormente mencionados se basan en técnicas de inyección de fallos para evaluar la robustez del sistema diseñado. A pesar de que existe una amplia variedad de técnicas de inyección de fallos, varias problemas aún deben abordarse para cubrir las necesidades planteadas en el flujo de diseño. Aquellas soluciones basadas en simulación (SBFI) deben adaptarse a los modelos de nivel de implementación, teniendo en cuenta la arquitectura de los diversos componentes de la tecnología utilizada. Las técnicas de inyección de fallos basadas en FPGAs (FFI) deben abordar problemas relacionados con la granularidad del análisis para poder localizar los puntos débiles del diseño. Otro desafío es la reducción del coste temporal de los experimentos de inyección de fallos. Debido a la alta complejidad de los diseños actuales, el tiempo experimental dedicado a la evaluación de la confiabilidad puede ser excesivo incluso en aquellos escenarios más simples, mientras que puede ser inviable en aquellos procesos relacionados con la evaluación de múltiples configuraciones alternativas del diseño. Por último, estos procesos orientados a la confiabilidad carecen de un soporte instrumental que permita cubrir el flujo de diseño con toda su variedad de lenguajes de descripción de hardware, tecnologías de implementación y herramientas de diseño. Esta tesis aborda los retos anteriormente mencionados con el fin de integrar, de manera eficaz, estos procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño. Primeramente, se proponen nuevos métodos de inyección de fallos que permiten una evaluación de la confiabilidad, precisa y detallada, en diferentes niveles del flujo de diseño. Segundo, se definen nuevas técnicas para la aceleración de los experimentos de inyección que mejoran su coste temporal. Tercero, se define dos estrategias DSE que permiten configurar de manera óptima (desde la perspectiva de la confiabilidad) los componentes IP y las herramientas EDA, con un coste experimental mínimo. Cuarto, se propone un kit de herramientas que automatiza e incorpora con eficacia los procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño semicustom. Finalmente, se demuestra la utilidad y eficacia de las propuestas mediante un caso de estudio en el que se implementan tres procesadores empotrados en un FPGA de Xilinx serie 7.[CA] La utilització de sistemes encastats en cada vegada més àmbits d'aplicació està portant al fet que el seu disseny haja d'enfrontar-se a majors requisits de rendiment, consum d'energia i àrea (PPA). Així mateix, la seua utilització en aplicacions crítiques provoca que hagen de complir amb estrictes requisits de confiabilitat per a garantir el seu correcte funcionament durant períodes prolongats de temps. En particular, l'ús de dispositius lògics programables de tipus FPGA és un gran desafiament des de la perspectiva de la confiabilitat, ja que aquests dispositius són molt sensibles a la radiació. Per tot això, la confiabilitat ha de considerar-se com un dels criteris principals per a la presa de decisions al llarg del tot flux de disseny, que ha de complementar-se amb diversos processos que permeten aconseguir estrictes requisits de confiabilitat. Primer, l'avaluació de la robustesa del disseny permet identificar els seus punts febles, guiant així la definició de mecanismes de tolerància a fallades. Segon, l'eficàcia dels mecanismes definits ha de validar-se experimentalment. Tercer, l'avaluació comparativa de la confiabilitat permet als dissenyadors seleccionar els components predissenyats (IP), les tecnologies d'implementació i les eines de disseny (EDA) més adequades des de la perspectiva de la confiabilitat. Finalment, l'exploració de l'espai de disseny (DSE) permet configurar de manera òptima els components i les eines seleccionats, millorant així la confiabilitat i les mètriques PPA de la implementació resultant. Tots els processos anteriorment esmentats es basen en tècniques d'injecció de fallades per a poder avaluar la robustesa del sistema dissenyat. A pesar que existeix una àmplia varietat de tècniques d'injecció de fallades, diverses problemes encara han d'abordar-se per a cobrir les necessitats plantejades en el flux de disseny. Aquelles solucions basades en simulació (SBFI) han d'adaptar-se als models de nivell d'implementació, tenint en compte l'arquitectura dels diversos components de la tecnologia utilitzada. Les tècniques d'injecció de fallades basades en FPGAs (FFI) han d'abordar problemes relacionats amb la granularitat de l'anàlisi per a poder localitzar els punts febles del disseny. Un altre desafiament és la reducció del cost temporal dels experiments d'injecció de fallades. A causa de l'alta complexitat dels dissenys actuals, el temps experimental dedicat a l'avaluació de la confiabilitat pot ser excessiu fins i tot en aquells escenaris més simples, mentre que pot ser inviable en aquells processos relacionats amb l'avaluació de múltiples configuracions alternatives del disseny. Finalment, aquests processos orientats a la confiabilitat manquen d'un suport instrumental que permeta cobrir el flux de disseny amb tota la seua varietat de llenguatges de descripció de maquinari, tecnologies d'implementació i eines de disseny. Aquesta tesi aborda els reptes anteriorment esmentats amb la finalitat d'integrar, de manera eficaç, aquests processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny. Primerament, es proposen nous mètodes d'injecció de fallades que permeten una avaluació de la confiabilitat, precisa i detallada, en diferents nivells del flux de disseny. Segon, es defineixen noves tècniques per a l'acceleració dels experiments d'injecció que milloren el seu cost temporal. Tercer, es defineix dues estratègies DSE que permeten configurar de manera òptima (des de la perspectiva de la confiabilitat) els components IP i les eines EDA, amb un cost experimental mínim. Quart, es proposa un kit d'eines (DAVOS) que automatitza i incorpora amb eficàcia els processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny semicustom. Finalment, es demostra la utilitat i eficàcia de les propostes mitjançant un cas d'estudi en el qual s'implementen tres processadors encastats en un FPGA de Xilinx serie 7.[EN] Embedded systems are steadily extending their application areas, dealing with increasing requirements in performance, power consumption, and area (PPA). Whenever embedded systems are used in safety-critical applications, they must also meet rigorous dependability requirements to guarantee their correct operation during an extended period of time. Meeting these requirements is especially challenging for those systems that are based on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), since they are very susceptible to Single Event Upsets. This leads to increased dependability threats, especially in harsh environments. In such a way, dependability should be considered as one of the primary criteria for decision making throughout the whole design flow, which should be complemented by several dependability-driven processes. First, dependability assessment quantifies the robustness of hardware designs against faults and identifies their weak points. Second, dependability-driven verification ensures the correctness and efficiency of fault mitigation mechanisms. Third, dependability benchmarking allows designers to select (from a dependability perspective) the most suitable IP cores, implementation technologies, and electronic design automation (EDA) tools. Finally, dependability-aware design space exploration (DSE) allows to optimally configure the selected IP cores and EDA tools to improve as much as possible the dependability and PPA features of resulting implementations. The aforementioned processes rely on fault injection testing to quantify the robustness of the designed systems. Despite nowadays there exists a wide variety of fault injection solutions, several important problems still should be addressed to better cover the needs of a dependability-driven design flow. In particular, simulation-based fault injection (SBFI) should be adapted to implementation-level HDL models to take into account the architecture of diverse logic primitives, while keeping the injection procedures generic and low-intrusive. Likewise, the granularity of FPGA-based fault injection (FFI) should be refined to the enable accurate identification of weak points in FPGA-based designs. Another important challenge, that dependability-driven processes face in practice, is the reduction of SBFI and FFI experimental effort. The high complexity of modern designs raises the experimental effort beyond the available time budgets, even in simple dependability assessment scenarios, and it becomes prohibitive in presence of alternative design configurations. Finally, dependability-driven processes lack an instrumental support covering the semicustom design flow in all its variety of description languages, implementation technologies, and EDA tools. Existing fault injection tools only partially cover the individual stages of the design flow, being usually specific to a particular design representation level and implementation technology. This work addresses the aforementioned challenges by efficiently integrating dependability-driven processes into the design flow. First, it proposes new SBFI and FFI approaches that enable an accurate and detailed dependability assessment at different levels of the design flow. Second, it improves the performance of dependability-driven processes by defining new techniques for accelerating SBFI and FFI experiments. Third, it defines two DSE strategies that enable the optimal dependability-aware tuning of IP cores and EDA tools, while reducing as much as possible the robustness evaluation effort. Fourth, it proposes a new toolkit (DAVOS) that automates and seamlessly integrates the aforementioned dependability-driven processes into the semicustom design flow. Finally, it illustrates the usefulness and efficiency of these proposals through a case study consisting of three soft-core embedded processors implemented on a Xilinx 7-series SoC FPGA.Tuzov, I. (2020). Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159883TESI

Re-use of tests and arguments for assesing dependable mixed-critically systems

The safety assessment of mixed-criticality systems (MCS) is a challenging activity due to system heterogeneity, design constraints and increasing complexity. The foundation for MCSs is the integrated architecture paradigm, where a compact hardware comprises multiple execution platforms and communication interfaces to implement concurrent functions with different safety requirements. Besides a computing platform providing adequate isolation and fault tolerance mechanism, the development of an MCS application shall also comply with the guidelines defined by the safety standards. A way to lower the overall MCS certification cost is to adopt a platform-based design (PBD) development approach. PBD is a model-based development (MBD) approach, where separate models of logic, hardware and deployment support the analysis of the resulting system properties and behaviour. The PBD development of MCSs benefits from a composition of modular safety properties (e.g. modular safety cases), which support the derivation of mixed-criticality product lines. The validation and verification (V&V) activities claim a substantial effort during the development of programmable electronics for safety-critical applications. As for the MCS dependability assessment, the purpose of the V&V is to provide evidences supporting the safety claims. The model-based development of MCSs adds more V&V tasks, because additional analysis (e.g., simulations) need to be carried out during the design phase. During the MCS integration phase, typically hardware-in-the-loop (HiL) plant simulators support the V&V campaigns, where test automation and fault-injection are the key to test repeatability and thorough exercise of the safety mechanisms. This dissertation proposes several V&V artefacts re-use strategies to perform an early verification at system level for a distributed MCS, artefacts that later would be reused up to the final stages in the development process: a test code re-use to verify the fault-tolerance mechanisms on a functional model of the system combined with a non-intrusive software fault-injection, a model to X-in-the-loop (XiL) and code-to-XiL re-use to provide models of the plant and distributed embedded nodes suited to the HiL simulator, and finally, an argumentation framework to support the automated composition and staged completion of modular safety-cases for dependability assessment, in the context of the platform-based development of mixed-criticality systems relying on the DREAMS harmonized platform.La dificultad para evaluar la seguridad de los sistemas de criticidad mixta (SCM) aumenta con la heterogeneidad del sistema, las restricciones de diseño y una complejidad creciente. Los SCM adoptan el paradigma de arquitectura integrada, donde un hardware embebido compacto comprende múltiples plataformas de ejecución e interfaces de comunicación para implementar funciones concurrentes y con diferentes requisitos de seguridad. Además de una plataforma de computación que provea un aislamiento y mecanismos de tolerancia a fallos adecuados, el desarrollo de una aplicación SCM además debe cumplir con las directrices definidas por las normas de seguridad. Una forma de reducir el coste global de la certificación de un SCM es adoptar un enfoque de desarrollo basado en plataforma (DBP). DBP es un enfoque de desarrollo basado en modelos (DBM), en el que modelos separados de lógica, hardware y despliegue soportan el análisis de las propiedades y el comportamiento emergente del sistema diseñado. El desarrollo DBP de SCMs se beneficia de una composición modular de propiedades de seguridad (por ejemplo, casos de seguridad modulares), que facilitan la definición de líneas de productos de criticidad mixta. Las actividades de verificación y validación (V&V) representan un esfuerzo sustancial durante el desarrollo de aplicaciones basadas en electrónica confiable. En la evaluación de la seguridad de un SCM el propósito de las actividades de V&V es obtener las evidencias que apoyen las aseveraciones de seguridad. El desarrollo basado en modelos de un SCM incrementa las tareas de V&V, porque permite realizar análisis adicionales (por ejemplo, simulaciones) durante la fase de diseño. En las campañas de pruebas de integración de un SCM habitualmente se emplean simuladores de planta hardware-in-the-loop (HiL), en donde la automatización de pruebas y la inyección de faltas son la clave para la repetitividad de las pruebas y para ejercitar completamente los mecanismos de tolerancia a fallos. Esta tesis propone diversas estrategias de reutilización de artefactos de V&V para la verificación temprana de un MCS distribuido, artefactos que se emplearán en ulteriores fases del desarrollo: la reutilización de código de prueba para verificar los mecanismos de tolerancia a fallos sobre un modelo funcional del sistema combinado con una inyección de fallos de software no intrusiva, la reutilización de modelo a X-in-the-loop (XiL) y código a XiL para obtener modelos de planta y nodos distribuidos aptos para el simulador HiL y, finalmente, un marco de argumentación para la composición automatizada y la compleción escalonada de casos de seguridad modulares, en el contexto del desarrollo basado en plataformas de sistemas de criticidad mixta empleando la plataforma armonizada DREAMS.Kritikotasun nahastuko sistemen segurtasun ebaluazioa jarduera neketsua da beraien heterogeneotasuna dela eta. Sistema hauen oinarria arkitektura integratuen paradigman datza, non hardware konpaktu batek exekuzio plataforma eta komunikazio interfaze ugari integratu ahal dituen segurtasun baldintza desberdineko funtzio konkurrenteak inplementatzeko. Konputazio plataformek isolamendu eta akatsen aurkako mekanismo egokiak emateaz gain, segurtasun arauek definituriko jarraibideak jarraitu behar dituzte kritikotasun mistodun aplikazioen garapenean. Sistema hauen zertifikazio prozesuaren kostua murrizteko aukera bat plataformetan oinarritutako garapenean (PBD) datza. Garapen planteamendu hau modeloetan oinarrituriko garapena da (MBD) non modeloaren logika, hardware eta garapen desberdinak sistemaren propietateen eta portaeraren aurka aztertzen diren. Kritikotasun mistodun sistemen PBD garapenak etekina ateratzen dio moduluetan oinarrituriko segurtasun propietateei, adibidez: segurtasun kasu modularrak (MSC). Modulu hauek kritikotasun mistodun produktu-lerroak ere hartzen dituzte kontutan. Berifikazio eta balioztatze (V&V) jarduerek esfortzu kontsideragarria eskatzen dute segurtasun-kiritikoetarako elektronika programagarrien garapenean. Kritikotasun mistodun sistemen konfiantzaren ebaluazioaren eta V&V jardueren helburua segurtasun eskariak jasotzen dituzten frogak proportzionatzea da. Kritikotasun mistodun sistemen modelo bidezko garapenek zeregin gehigarriak atxikitzen dizkio V&V jarduerari, fase honetan analisi gehigarriak (hots, simulazioak) zehazten direlako. Bestalde, kritikotasun mistodun sistemen integrazio fasean, hardware-in-the-loop (Hil) simulazio plantek V&V iniziatibak sostengatzen dituzte non testen automatizazioan eta akatsen txertaketan funtsezko jarduerak diren. Jarduera hauek frogen errepikapena eta segurtasun mekanismoak egiaztzea ahalbidetzen dute. Tesi honek V&V artefaktuen berrerabilpenerako estrategiak proposatzen ditu, kritikotasun mistodun sistemen egiaztatze azkarrerako sistema mailan eta garapen prozesuko azken faseetaraino erabili daitezkeenak. Esate baterako, test kodearen berrabilpena akats aurkako mekanismoak egiaztatzeko, modelotik X-in-the-loop (XiL)-ra eta kodetik XiL-rako konbertsioa HiL simulaziorako eta argumentazio egitura bat DREAMS Europear proiektuan definituriko arkitektura estiloan oinarrituriko segurtasun kasu modularrak automatikoki eta gradualki sortzeko

Towards Accurate Estimation of Error Sensitivity in Computer Systems

Fault injection is an increasingly important method for assessing, measuringand observing the system-level impact of hardware and software faults in computer systems. This thesis presents the results of a series of experimental studies in which fault injection was used to investigate the impact of bit-flip errors on program execution. The studies were motivated by the fact that transient hardware faults in microprocessors can cause bit-flip errors that can propagate to the microprocessors instruction set architecture registers and main memory. As the rate of such hardware faults is expected to increase with technology scaling, there is a need to better understand how these errors (known as ‘soft errors’) influence program execution, especially in safety-critical systems.Using ISA-level fault injection, we investigate how five aspects, or factors, influence the error sensitivity of a program. We define error sensitivity as the conditional probability that a bit-flip error in live data in an ISA-register or main-memory word will cause a program to produce silent data corruption (SDC; i.e., an erroneous result). We also consider the estimation of a measure called SDC count, which represents the number of ISA-level bit flips that cause an SDC.The five factors addressed are (a) the inputs processed by a program, (b) the level of compiler optimization, (c) the implementation of the program in the source code, (d) the fault model (single bit flips vs double bit flips) and (e)the fault-injection technique (inject-on-write vs inject-on-read). Our results show that these factors affect the error sensitivity in many ways; some factors strongly impact the error sensitivity or SDC count whereas others show a weaker impact. For example, our experiments show that single bit flips tend to cause SDCs more than double bit flips; compiler optimization positively impacts the SDC count but not necessarily the error sensitivity; the error sensitivity varies between 20% and 50% among the programs we tested; and variations in input affect the error sensitivity significantly for most of the tested programs

Contributions to the detection and diagnosis of soft errors in radiation environments

Texto completo descargado desde Teseo1. Introducción Los efectos de la radiación ionizante sobre dispositivos semiconductores es objeto de estudio desde la invención del transistor bipolar en 1947. El espacio es un entorno de alta radiación, como pusieron de manifiesto los primeros satélites puestos en órbita, y fue durante la carrera espacial de los años 50 cuando se impulsó el estudio de errores generados en componentes electrónicos críticos a bordo de las primeras misiones espaciales. La necesidad de robustecer la electrónica frente a la radiación ha estado siempre presente en el sector aeroespacial, además, el progresivo escalado de las tecnologías microelectrónicas, hace que el problema sea cada vez más acuciante, afectando incluso a dispositivos que operan a nivel del mar. El advenimiento de tecnologías nanométricas augura que serán necesarias nuevas y más eficaces técnicas de robustecimiento que garanticen la fiabilidad de equipos electrónicos críticos en sectores tan importantes como la aviación, automoción o energía nuclear. Existen dos métodos de robustecimiento para los dispositivos electrónicos, por proceso y por diseño. En el primer caso, el circuito integrado es fabricado en una tecnología que presenta baja sensibilidad a los efectos de la radiación, como la ampliamente utilizada SOI (Silicon On Insulator). En el segundo caso, el circuito presenta topologías en su diseño que mitigan en mayor o menor grado el daño por radiación. La efectividad de cualquier medida de protección debe ser validada en el correspondiente ensayo de radiación de acuerdo a los estándares vigentes (ESA, NASA, JEDEC, AEC,...). Existen varios tipos de daño por radiación, asociados a dosis acumulada (TID) y a eventos únicos (SEE), fundamentalmente. Estos últimos están asociados al paso de una única partícula energética a través del dispositivo, que genera una estela de carga y puede dar lugar a respuestas eléctricas no deseadas, como conmutación 2 2 Antecedentes de biestables, enclavamiento de un bit o excursiones de voltaje transitorias. A su vez, dentro de los errores asociados a eventos únicos se puede distinguir entre daños físicos, que pueden destruir el dispositivo de manera irreversible, y errores lógicos o soft errors que conllevan la corrupción del estado de un circuito digital, por ejemplo por la conmutación del valor lógico de un biestable. Los tests en aceleradores de partículas o con fuentes radiactivas, se consideran los ensayos más representativos para conocer la inmunidad de un componente frente al daño de tipo SEE. Sin embargo, la complejidad de estos ensayos dificulta la observabilidad experimental y la interpretación de los resultados obtenidos. En particular los tests dinámicos, que implican que el chip esté operando durante la irradiacón, comportan una dificultad añadida a la hora de interpretar los errores observados en las salidas del circuito. El test dinámico de radiación es el más realista, ya que introduce la variable temporal en el experimento y da lugar a efectos reales que no son reproducibles en condiciones estáticas, como el evento único transitorio (SET). El trabajo a realizar durante esta tesis pretende aportar una metodología de test que mejore la observabilidad de errores lógicos en un test dinámico de radiación de circuitos digitales mediante detección y diagnóstico en tiempo real. 2. Antecedentes La experiencia investigadora del grupo al que pertenece el autor de esta tesis en el campo de los efectos de la radiación sobre dispositivos electrónicos, ha puesto de manifiesto la necesidad de establecer una metodología que permita el diagnóstico de los errores observados en un componente electrónico sometido a radiación ionizante. Generalmente, no es posible correlacionar con certeza el efecto (anomalía detectada en los puertos de salida) con la causa del mismo. La complejidad inherente a la instrumentación de un ensayo de radiación en un acelerador 3 3 Hipótesis y Objetivos de partículas, así como la propia comlejidad del circuito bajo estudio, requieren algún criterio de clasificación de los errores observados que pueden ser de muy diversa naturaleza. Algunos autores han aportado técnicas que combinan inyección de fallos dinámica con test en acelerador estáticos para estimar la probabilidad de fallo real del circuito, salvando la complejidad del test de radiación dinámico. La protección selectiva, consistente en adoptar topologías de diseño robustas en ¿puntos calientes¿ o críticos del circuito, requiere técnicas de ensayo que permita el diagnóstico y localización del daño por radiación. El uso de microsondas nucleares permite la focalización de un haz de iones en una región relativamente pequeña, facilitando el diagnóstico. La disponibilidad de uso de la microsonda nuclear en el Centro Nacional de Aceleradores puede contribuir al desarrollo de la técnica de detección y diagnóstico que es objeto de esta tesis. La curva de sección eficaz de fallo SEE es la forma más extendida de representación de resultados de experimentación. Estas curvas representan una colección de datos experimentales que deben ser minuciosamente clasificados. Lo mismo ocurre en los tests destinados a evaluar la tasa de errores lógicos en tiempo real (RTSER). En este sentido, la norma JEDEC JESD89-1A recomienda que se sigan ¿criterios de fallo¿ para la correcta identificación de los errores detectados a la salida de un circuito en tests de radiación. 3. Hipótesis y Objetivos El grupo de investigación al que pertenece el doctorando, posee una contrastada experiencia en el uso de emuladores hardware para la evaluación temprana de la robustez de diseños digitales ante errores lógicos. Estos emuladores inyectan fallos en la netlist de un diseño digital y estudian la evolución del estado del circuito durante la ejecución de un conjunto de estímulos. La principal ventaja de estas herramientas frente a la simulación, radica en la aceleración hardware de los 4 3 Hipótesis y Objetivos tests que permite la finalización de campañas de inyección masivas en un tiempo relativamente corto. Las campañas masivas o sistemáticas de inyección de fallos permiten comprobar de forma exhaustiva la respuesta de un diseño digital a un entorno de alta radiación. Estas campañas arrojan una ingente cantidad de información acerca de las vulnerabilidades del diseño que debe ser procesada generalmente de forma estadística. La correlación entre el instante y lugar de inyección del fallo emulado y la respuesta del mismo, sería una información que permitiría establecer la causa de un error (comportamiento anómalo) observado durante un test de radiación, donde generalmente sólo están accesibles las salidas del dispositivo. Los resultados de una campaña de inyección dependen, además del diseño bajo test, del conjunto de estímulos aplicado (workload). A partir de los resultados de la campaña de inyección masiva, se puede realizar un estudio estadístico que determine la calidad de los vectores de test desde el punto de vista del diagnóstico. Es de esperar que diferentes fallos inyectados compartan la misma firma, de manera que en caso de obtener dicha firma en un test de radiación, sea imposible determinar exactamente el punto de inyección del fallo. A la hora de preparar un test de radiación, es recomendable emplear vectores de test que garanticen que la certidumbre del diagnóstico sea máxima, lo cual es un aporte adicional de la tesis. Esta tesis pretende establecer un procedimiento que permita obtener ¿diccionarios de fallos¿ en los que se establece una correlación entre el punto de inyección y la respuesta del circuito codificada en una firma de pocos bytes. Durante un test de radiación se pueden obtener en tiempo real las firmas generadas por el circuito, que servirán para diagnosticar en cada caso el origen del daño empleando los diccionarios de fallos previamente generados en un emulador hardware. En el supuesto de que la firma generada durante la irradiación no estuviera contenida en un diccionario exhaustivo, se puede decir que el error no ha sido originado por el 5 4 Metodología y Trabajo Realizado modelo de fallo empleado en la generación del diccionario, debiéndose por tanto a un tipo de daño no contemplado (por ejemplo daño físico). La culminación de la tesis es el test de radiación en un acelerador de partículas. La Universidad de Sevilla cuenta con las instalaciones del Centro Nacional de Aceleradores, que puede ser un banco de pruebas idóneo para comprobar la validez de la metodología y comprobar las ventajas e inconvenientes de la misma. 4. Metodología y Trabajo Realizado El plan de trabajo incluyó los siguientes hitos en el orden expuesto: Estudio de la base de conocimiento genérica relacionada con los efectos de la radiación en circuitos electrónicos Análisis del Estado del Arte en técnicas de inyección de fallos en circuitos digitales. Recopilación de normas y estándares relacionados con los test radiación de componentes electrónicos. Estudio simulado de bajo nivel de los efectos de la radiación en tecnologías submicrométricas. Selección de un módulo adecuado para creación de firmas a partir de las salidas de un circuito digital. Adecuación del emulador hardware FT-UNSHADES para la generación de firmas durante las campañas de inyección. Selección de un vehículo de test para el experimento en la microsonda nuclear del CNA. 6 4 Metodología y Trabajo Realizado Realización de campañas de inyección masivas para la generación de diccionarios de fallos sobre diseños digitales y análisis de resultados. Preparación del setup experimental para el acelerador de partículas. Experimento en la microsonda nuclear del CNA y análisis de resultados. El estudio bibliográfico de la base de conocimiento en el campo de los efectos de la radiación sobre circuitos electrónicos ha sido fundamental para poder establecer el ámbito de aplicación de la tesis. El papel de la emulación hardware para inyección de fallos en esta investigación fue crítica y ha sido necesario un estudio de las plataformas existentes para entender qué puede aportar cada herramienta. Para acabar con la documentación, es necesario además recopilar las normas y estándares relacionados con test de radiación de circuitos electrónicos. La simulación de bajo nivel de los efectos de la radiación sobre una determinada tecnología engloba herramientas como SPICE, SRIM y TCAD. Estas simulaciones permiten estimar cuales deben ser las características del haz de iones empleado en un futuro ensayo en el acelerador de partículas. Los resultados de estas simulaciones fueron discutidos con los técnicos del acelerador para estudiar la viabilidad de los parámetros deseados. Un elemento clave en la metodología fue el bloque que debe generar las firmas a partir de las salidas del circuito digital. Es deseable que se trate de un módulo sencillo y que pueda ser implementado en un dispositivo programable sin suponer un consumo excesivo de recursos. El emulador FT-UNSHADES fue adaptado par incorporar el módulo de firmas. Se dispuso de un circuito integrado que servió vehículo de test para un experimento en el CNA. Es necesaria además la descripción VHDL del mismo para su emulación en FT-UNSHADES. No es objeto de esta tesis el desarrollo de este componente, su diseño y fabricación está fuera del alcance de esta tesis. Se gener- 7 4 Metodología y Trabajo Realizado aron diccionarios de fallos del vehículo de tests y de otros diseños digitales y, a partir de estos diccionarios, se han confeccionado estudios estadísticos de diagnóstico. En una fase ulterior, se desarrolló el hardware necesario para el setup experimental. Todo el hardware se probó en el laboratorio, antes de acudir al CNA. El resultado de esta etapa es la configuración del equipamiento de test automático (ATE) que se encargó de introducir estímulos en el chip y monitorizarlo durante el experimento en el acelerador de partículas. Finalmente, se llevó a cabo un experimento en el Centro Nacional de Aceleradores sobre el vehículo de test elegido para completar una prueba de concepto de la metodología propuesta.

Methodology to accelerate diagnostic coverage assessment: MADC

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2016.Os veículos da atualidade vêm integrando um número crescente de eletrônica embarcada, com o objetivo de permitir uma experiência mais segura aos motoristas. Logo, a garantia da segurança física é um requisito que precisa ser observada por completo durante o processo de desenvolvimento. O padrão ISO 26262 provê medidas para garantir que esses requisitos não sejam negligenciados. Injeção de falhas é fortemente recomendada quando da verificação do funcionamento dos mecanismos de segurança implementados, assim como sua capacidade de cobertura associada ao diagnóstico de falhas existentes. A análise exaustiva não é obrigatória, mas evidências de que o máximo esforço foi feito para acurar a cobertura de diagnóstico precisam ser apresentadas, principalmente durante a avalição dos níveis de segurança associados a arquitetura implementada em hardware. Estes níveis dão suporte às alegações de que o projeto obedece às métricas de segurança da integridade física exigida em aplicações automotivas. Os níveis de integridade variam de A à D, sendo este último o mais rigoroso. Essa Tese explora o estado-da-arte em soluções de verificação, e tem por objetivo construir uma metodologia que permita acelerar a verificação da cobertura de diagnóstico alcançado. Diferentemente de outras técnicas voltadas à aceleração de injeção de falhas, a metodologia proposta utiliza uma plataforma de hardware dedicada à verificação, com o intuito de maximizar o desempenho relativo a simulação de falhas. Muitos aspectos relativos a ISO 26262 são observados de forma que a presente contribuição possa ser apreciada no segmento automotivo. Por fim, uma arquitetura OpenRISC é utilizada para confirmar os resultados alcançados com essa solução proposta pertencente ao estado-da-arte.Abstract : Modern vehicles are integrating a growing number of electronics to provide a safer experience for the driver. Therefore, safety is a non-negotiable requirement that must be considered through the vehicle development process. The ISO 26262 standard provides guidance to ensure that such requirements are implemented. Fault injection is highly recommended for the functional verification of safety mechanisms or to evaluate their diagnostic coverage capability. An exhaustive analysis is not required, but evidence of best effort through the diagnostic coverage assessment needs to be provided when performing quantitative evaluation of hardware architectural metrics. These metrics support that the automotive safety integrity level ? ranging from A (lowest) to D (strictest) levels ? was obeyed. This thesis explores the most advanced verification solutions in order to build a methodology to accelerate the diagnostic coverage assessment. Different from similar techniques for fault injection acceleration, the proposed methodology does not require any modification of the design model to enable acceleration. Many functional safety requisites in the ISO 26262 are considered thus allowing the contribution presented to be a suitable solution for the automotive segment. An OpenRISC architecture is used to confirm the results achieved by this state-of-the-art solution

A Scalable and Adaptive Network on Chip for Many-Core Architectures

In this work, a scalable network on chip (NoC) for future many-core architectures is proposed and investigated. It supports different QoS mechanisms to ensure predictable communication. Self-optimization is introduced to adapt the energy footprint and the performance of the network to the communication requirements. A fault tolerance concept allows to deal with permanent errors. Moreover, a template-based automated evaluation and design methodology and a synthesis flow for NoCs is introduced

A Holistic Approach to Functional Safety for Networked Cyber-Physical Systems

Functional safety is a significant concern in today's networked cyber-physical systems such as connected machines, autonomous vehicles, and intelligent environments. Simulation is a well-known methodology for the assessment of functional safety. Simulation models of networked cyber-physical systems are very heterogeneous relying on digital hardware, analog hardware, and network domains. Current functional safety assessment is mainly focused on digital hardware failures while minor attention is devoted to analog hardware and not at all to the interconnecting network. In this work we believe that in networked cyber-physical systems, the dependability must be verified not only for the nodes in isolation but also by taking into account their interaction through the communication channel. For this reason, this work proposes a holistic methodology for simulation-based safety assessment in which safety mechanisms are tested in a simulation environment reproducing the high-level behavior of digital hardware, analog hardware, and network communication. The methodology relies on three main automatic processes: 1) abstraction of analog models to transform them into system-level descriptions, 2) synthesis of network infrastructures to combine multiple cyber-physical systems, and 3) multi-domain fault injection in digital, analog, and network. Ultimately, the flow produces a homogeneous optimized description written in C++ for fast and reliable simulation which can have many applications. The focus of this thesis is performing extensive fault simulation and evaluating different functional safety metrics, \eg, fault and diagnostic coverage of all the safety mechanisms

Enhancing Real-time Embedded Image Processing Robustness on Reconfigurable Devices for Critical Applications

Nowadays, image processing is increasingly used in several application fields, such as biomedical, aerospace, or automotive. Within these fields, image processing is used to serve both non-critical and critical tasks. As example, in automotive, cameras are becoming key sensors in increasing car safety, driving assistance and driving comfort. They have been employed for infotainment (non-critical), as well as for some driver assistance tasks (critical), such as Forward Collision Avoidance, Intelligent Speed Control, or Pedestrian Detection. The complexity of these algorithms brings a challenge in real-time image processing systems, requiring high computing capacity, usually not available in processors for embedded systems. Hardware acceleration is therefore crucial, and devices such as Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) best fit the growing demand of computational capabilities. These devices can assist embedded processors by significantly speeding-up computationally intensive software algorithms. Moreover, critical applications introduce strict requirements not only from the real-time constraints, but also from the device reliability and algorithm robustness points of view. Technology scaling is highlighting reliability problems related to aging phenomena, and to the increasing sensitivity of digital devices to external radiation events that can cause transient or even permanent faults. These faults can lead to wrong information processed or, in the worst case, to a dangerous system failure. In this context, the reconfigurable nature of FPGA devices can be exploited to increase the system reliability and robustness by leveraging Dynamic Partial Reconfiguration features. The research work presented in this thesis focuses on the development of techniques for implementing efficient and robust real-time embedded image processing hardware accelerators and systems for mission-critical applications. Three main challenges have been faced and will be discussed, along with proposed solutions, throughout the thesis: (i) achieving real-time performances, (ii) enhancing algorithm robustness, and (iii) increasing overall system's dependability. In order to ensure real-time performances, efficient FPGA-based hardware accelerators implementing selected image processing algorithms have been developed. Functionalities offered by the target technology, and algorithm's characteristics have been constantly taken into account while designing such accelerators, in order to efficiently tailor algorithm's operations to available hardware resources. On the other hand, the key idea for increasing image processing algorithms' robustness is to introduce self-adaptivity features at algorithm level, in order to maintain constant, or improve, the quality of results for a wide range of input conditions, that are not always fully predictable at design-time (e.g., noise level variations). This has been accomplished by measuring at run-time some characteristics of the input images, and then tuning the algorithm parameters based on such estimations. Dynamic reconfiguration features of modern reconfigurable FPGA have been extensively exploited in order to integrate run-time adaptivity into the designed hardware accelerators. Tools and methodologies have been also developed in order to increase the overall system dependability during reconfiguration processes, thus providing safe run-time adaptation mechanisms. In addition, taking into account the target technology and the environments in which the developed hardware accelerators and systems may be employed, dependability issues have been analyzed, leading to the development of a platform for quickly assessing the reliability and characterizing the behavior of hardware accelerators implemented on reconfigurable FPGAs when they are affected by such faults

Dynamic Partial Reconfiguration for Dependable Systems

Moore’s law has served as goal and motivation for consumer electronics manufacturers in the last decades. The results in terms of processing power increase in the consumer electronics devices have been mainly achieved due to cost reduction and technology shrinking. However, reducing physical geometries mainly affects the electronic devices’ dependability, making them more sensitive to soft-errors like Single Event Transient (SET) of Single Event Upset (SEU) and hard (permanent) faults, e.g. due to aging effects. Accordingly, safety critical systems often rely on the adoption of old technology nodes, even if they introduce longer design time w.r.t. consumer electronics. In fact, functional safety requirements are increasingly pushing industry in developing innovative methodologies to design high-dependable systems with the required diagnostic coverage. On the other hand commercial off-the-shelf (COTS) devices adoption began to be considered for safety-related systems due to real-time requirements, the need for the implementation of computationally hungry algorithms and lower design costs. In this field FPGA market share is constantly increased, thanks to their flexibility and low non-recurrent engineering costs, making them suitable for a set of safety critical applications with low production volumes. The works presented in this thesis tries to face new dependability issues in modern reconfigurable systems, exploiting their special features to take proper counteractions with low impacton performances, namely Dynamic Partial Reconfiguration

Uma ferramenta para modelagem e simulação de computação aproximada em hardware

Orientador: Lucas Francisco WannerDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Pesquisas recentes têm introduzido unidades de hardware que produzem resultados incorretos de maneira determinística ou probabilística para um pequeno conjunto de entradas. Por outro lado, permitem um maior desempenho ou um consumo de energia significativamente menor em comparação com versões precisas das mesmas unidades. Como integrar, validar e avaliar essas alternativas em uma arquitetura ou processador, porém, permanece um desafio. A falta de ferramentas para representar e avaliar hardware aproximado leva desenvolvedores a verificar suas soluções de maneira independente, sem considerar interações com outros componentes, exigindo um grande esforço em modelagem e simulação. Neste trabalho, introduzimos ADeLe, uma linguagem de alto nível para descrever, configurar e integrar unidades de hardware aproximado em um processador. ADeLe reduz o esforço de desenvolvimento de hardware aproximado por modelar aproximações em um alto nível de abstração e injetá-las automaticamente em um modelo de processador para simulação arquitetural. Na ferramenta relacionada a ADeLe, aproximações podem modificar ou substituir completamente o comportamento de instruções de hardware através de políticas definidas pelo usuário. As instruções podem ser modificadas deterministicamente ou probabilisticamente (por exemplo, baseado em tensão de operação e frequência). Para proporcionar um ambiente de teste controlado, as aproximações podem ser ligadas e desligadas a partir do software em execução. O consumo de energia é automaticamente computado com base em modelos customizáveis no sistema. Assim, a ferramenta proporciona um método de verificação genérico e flexível, permitindo uma fácil avaliação da troca entre energia e qualidade de aplicações sujeitadas a hardware aproximado. Demonstramos a ferramenta pela introdução de variadas técnicas de aproximação em um modelo de processador, com o qual aplicações selecionadas foram executadas. Ao modelar módulos de hardware aproximado dedicados, mostramos como ADeLe representa unidades aritméticas aproximadas e unidades funcionais de precisão reduzida executando 4 aplicações de processamento de imagens e 2 de computação de ponto flutuante. Com outro método de aproximação, também mostramos como a ferramenta é utilizada para estudar o impacto de memórias alimentadas por tensão ajustável sobre 9 aplicações. Nossos experimentos demonstram as capacidades da ferramenta e como ela pode ser utilizada para gerar processadores virtuais aproximados e avaliar o equilíbrio entre energia e qualidade para diferentes aplicações com esforço reduzidoAbstract: Recent research has introduced approximate hardware units that produce incorrect outputs deterministically or probabilistically for some small subset of inputs. On the other hand, they allow significantly higher throughput or lower power than their error-free counterparts. The integration, validation, and evaluation of these approximate units in architectures and processors, however, remains challenging. The lack of tools to represent and evaluate approximate hardware leads designers to verify their solutions independently, not considering interactions with other components, demanding high-effort modeling and simulation. In this work, we introduce ADeLe, a high-level language for the description, configuration, and integration of approximate hardware units into processors. ADeLe reduces the design effort for approximate hardware by modeling approximations at a high level of abstraction and automatically injecting them into a processor model for architectural simulation. In the ADeLe framework, approximations may modify or completely replace the functional behavior of instructions according to user-defined policies. Instructions may be approximated deterministically or probabilistically (e.g., based on operating voltage and frequency). To allow for controlled testing, approximations may be enabled and disabled from software. Energy is automatically accounted for based on customizable models that consider the potential power savings of the approximations that are enabled in the system. Thus, the framework provides a generic and flexible verification method, allowing for easy evaluation of the energy-quality trade-off of applications subjected to approximate hardware. We demonstrate the framework by introducing different approximation techniques into a processor model, on top of which we run selected applications. Modeling dedicated hardware modules, we show how ADeLe can represent approximate arithmetic and reduced precision computation units executing 4 image processing and 2 floating point applications. Using a different method of approximation, we also show how the framework is used to study the impact of voltage-overscaled memories over 9 applications. Our experiments show the framework capabilities and how it may be used to generate approximate virtual CPUs and to evaluate energy-quality trade-offs for different applications with reduced effortMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computação2017/08015-8  FAPES