Analyzing Radiation-Induced Transient Errors on SRAM-Based FPGAs by Propagation of Broadening Effect

SRAM-based field programmable gate arrays (FPGAs) are widely used in mission-critical applications, such as aerospace and avionics. Due to the increasing working frequency and technology scaling of ultra-nanometer technology, single event transients (SETs) are becoming a major source of errors for these devices. In this paper, we propose a workflow for evaluating the behavior of SETs in SRAM-based FPGAs. The method is able to compute the propagation-induced pulse broadening (PIPB) effect introduced by the logic resources traversed by transient pulses. Besides, we developed an accurate look-up table (LUT) layout model able to effectively predict the kinds of the SETs induced by radiation-particle and to accurately mimic the phenomena of the SET generation and propagation. The proposed methodology is applicable to any recent technology to provide the SET analysis, necessary for an efficient mitigation technology. The experimental results achieved from a set of benchmark circuits mapped on a 28-nm SRAM-based FPGA and compared with the fault injection experiments demonstrate the effectiveness of our technique

Novel fault tolerant Multi-Bit Upset (MBU) Error-Detection and Correction (EDAC) architecture

Desde el punto de vista de seguridad, la certificación aeronáutica de aplicaciones críticas de vuelo requiere diferentes técnicas que son usadas para prevenir fallos en los equipos electrónicos. Los fallos de tipo hardware debido a la radiación solar que existe a las alturas standard de vuelo, como SEU (Single Event Upset) y MCU (Multiple Bit Upset), provocan un cambio de estado de los bits que soportan la información almacenada en memoria. Estos fallos se producen, por ejemplo, en la memoria de configuración de una FPGA, que es donde se definen todas las funcionalidades. Las técnicas de protección requieren normalmente de redundancias que incrementan el coste, número de componentes, tamaño de la memoria y peso. En la fase de desarrollo de aplicaciones críticas de vuelo, generalmente se utilizan una serie de estándares o recomendaciones de diseño como ABD100, RTCA DO-160, IEC62395, etc, y diferentes técnicas de protección para evitar fallos del tipo SEU o MCU. Estas técnicas están basadas en procesos tecnológicos específicos como memorias robustas, codificaciones para detección y corrección de errores (EDAC), redundancias software, redundancia modular triple (TMR) o soluciones a nivel sistema. Esta tesis está enfocada a minimizar e incluso suprimir los efectos de los SEUs y MCUs que particularmente ocurren en la electrónica de avión como consecuencia de la exposición a radiación de partículas no cargadas (como son los neutrones) que se encuentra potenciada a las típicas alturas de vuelo. La criticidad en vuelo que tienen determinados sistemas obligan a que dichos sistemas sean tolerantes a fallos, es decir, que garanticen un correcto funcionamiento aún cuando se produzca un fallo en ellos. Es por ello que soluciones como las presentadas en esta tesis tienen interés en el sector industrial. La Tesis incluye una descripción inicial de la física de la radiación incidente sobre aeronaves, y el análisis de sus efectos en los componentes electrónicos aeronaúticos basados en semiconductor, que desembocan en la generación de SEUs y MCUs. Este análisis permite dimensionar adecuadamente y optimizar los procedimientos de corrección que se propongan posteriormente. La Tesis propone un sistema de corrección de fallos SEUs y MCUs que permita cumplir la condición de Sistema Tolerante a Fallos, a la vez que minimiza los niveles de redundancia y de complejidad de los códigos de corrección. El nivel de redundancia es minimizado con la introducción del concepto propuesto HSB (Hardwired Seed Bits), en la que se reduce la información esencial a unos pocos bits semilla, neutros frente a radiación. Los códigos de corrección requeridos se reducen a la corrección de un único error, gracias al uso del concepto de Distancia Virtual entre Bits, a partir del cual será posible corregir múltiples errores simultáneos (MCUs) a partir de códigos simples de corrección. Un ejemplo de aplicación de la Tesis es la implementación de una Protección Tolerante a Fallos sobre la memoria SRAM de una FPGA. Esto significa que queda protegida no sólo la información contenida en la memoria sino que también queda auto-protegida la función de protección misma almacenada en la propia SRAM. De esta forma, el sistema es capaz de auto-regenerarse ante un SEU o incluso un MCU, independientemente de la zona de la SRAM sobre la que impacte la radiación. Adicionalmente, esto se consigue con códigos simples tales como corrección por bit de paridad y Hamming, minimizando la dedicación de recursos de computación hacia tareas de supervisión del sistema.For airborne safety critical applications certification, different techniques are implemented to prevent failures in electronic equipments. The HW failures at flying heights of aircrafts related to solar radiation such as SEU (Single-Event-Upset) and MCU (Multiple Bit Upset), causes bits alterations that corrupt the information at memories. These HW failures cause errors, for example, in the Configuration-Code of an FPGA that defines the functionalities. The protection techniques require classically redundant functionalities that increases the cost, components, memory space and weight. During the development phase for airborne safety critical applications, different aerospace standards are generally recommended as ABD100, RTCA-DO160, IEC62395, etc, and different techniques are classically used to avoid failures such as SEU or MCU. These techniques are based on specific technology processes, Hardened memories, error detection and correction codes (EDAC), SW redundancy, Triple Modular Redundancy (TMR) or System level solutions. This Thesis is focussed to minimize, and even to remove, the effects of SEUs and MCUs, that particularly occurs in the airborne electronics as a consequence of its exposition to solar radiation of non-charged particles (for example the neutrons). These non-charged particles are even powered at flying altitudes due to aircraft volume. The safety categorization of different equipments/functionalities requires a design based on fault-tolerant approach that means, the system will continue its normal operation even if a failure occurs. The solution proposed in this Thesis is relevant for the industrial sector because of its Fault-tolerant capability. Thesis includes an initial description for the physics of the solar radiation that affects into aircrafts, and also the analyses of their effects into the airborne electronics based on semiconductor components that create the SEUs and MCUs. This detailed analysis allows the correct sizing and also the optimization of the procedures used to correct the errors. This Thesis proposes a system that corrects the SEUs and MCUs allowing the fulfilment of the Fault-Tolerant requirement, reducing the redundancy resources and also the complexity of the correction codes. The redundancy resources are minimized thanks to the introduction of the concept of HSB (Hardwired Seed Bits), in which the essential information is reduced to a few seed bits, neutral to radiation. The correction codes required are reduced to the correction of one error thanks to the use of the concept of interleaving distance between adjacent bits, this allows the simultaneous multiple error correction with simple single error correcting codes. An example of the application of this Thesis is the implementation of the Fault-tolerant architecture of an SRAM-based FPGA. That means that the information saved in the memory is protected but also the correction functionality is auto protected as well, also saved into SRAM memory. In this way, the system is able to self-regenerate the information lost in case of SEUs or MCUs. This is independent of the SRAM area affected by the radiation. Furthermore, this performance is achieved by means simple error correcting codes, as parity bits or Hamming, that minimize the use of computational resources to this supervision tasks for system.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Luis Alfonso Entrena Arrontes.- Secretario: Pedro Reviriego Vasallo.- Vocal: Mª Luisa López Vallej