Measurements, Models, Systems and Design

531 s.

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

Основи схемотехніки електронних систем

Basics of circuitry are stated, principles of operation are considered, it is given calculations of analog, digital and pulse devices of electronic systems, based on semiconductor devices, integrated operational amplifiers and integrated logic circuits of TTL, MOS, CMOS types, construction principles of systems of control by electronics devices based on microprocessors and microcontrollers. For students of institutions of higher education. It can be useful for specialists on electronic engineering, specializing in the area of development, fabrication and maintenance of electronic systems and devices

Towards Optimal Application Mapping for Energy-Efficient Many-Core Platforms

Siirretty Doriast

Fiabilisation de convertisseurs analogique-numérique à modulation Sigma-Delta

This thesis concentrates on reliability-aware methodology development, reliability analysis based on simulation as well as failure prediction of CMOS 65nm analog and mixed signal (AMS) ICs. Sigma-Delta modulators are concerned as the object of reliability study at system level. A hierarchical statistical approach for reliability is proposed to analysis the performance of Sigma-Delta modulators under ageing effects and process variations. Statistical methods are combined into this analysis flow.Ce travail de thèse a porté sur des problèmes de fiabilité de circuits intégrés en technologie CMOS 65 nm, en particulier sur la conception en vue de la fiabilité, la simulation et l'amélioration de la fiabilité. Les mécanismes dominants de vieillissement HCI et NBTI ainsi que la variation du processus ont été étudiés et évalués quantitativement au niveau du circuit et au niveau du système. Ces méthodes ont été appliquées aux modulateurs Sigma-Delta afin de déterminer la fiabilité de ce type de composant qui est très utilisé

Fiabilisation de Convertisseurs Analogique-Num´erique a Modulation Sigma-Delta

Due to the continuously scaling down of CMOS technology, system-on-chips (SoCs) reliability becomes important in sub-90 nm CMOS node. Integrated circuits and systems applied to aerospace, avionic, vehicle transport and biomedicine are highly sensitive to reliability problems such as ageing mechanisms and parametric process variations. Novel SoCs with new materials and architectures of high complexity further aggravate reliability as a critical aspect of process integration. For instance, random and systematic defects as well as parametric process variations have a large influence on quality and yield of the manufactured ICs, right after production. During ICs usage time, time-dependent ageing mechanisms such as negative bias temperature instability (NBTI) and hot carrier injection (HCI) can significantly degrade ICs performance.La fiabilit´e des ICs est d´efinie ainsi : la capacit´e d’un circuit ou un syst`eme int´egr´e `amaintenir ses param`etres durant une p´eriode donn´ee sous des conditions d´efinies. Les rapportsITRS 2011 consid`ere la fiabilit´e comme un aspect critique du processus d’int´egration.Par cons´equent, il faut faire appel des m´ethodologies innovatrices prenant en comptela fiabilit´e afin d’assurer la fonctionnalit´e du SoCs et la fiabilit´e dans les technologiesCMOS `a l’´echelle nanom´etrique. Cela nous permettra de d´evelopper des m´ethodologiesind´ependantes du design et de la technologie CMOS, en revanche, sp´ecialis´ees en fiabilit´e

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

Automated synthesis and optimization of multilevel logic circuits.

With the increased complexity of Very Large Scaled Integrated (VLSI) circuits, multilevellogic synthesis plays an even more important role due to its flexibility and compactness.The history of symbolic logic and some typical techniques for multilevel logic synthesisare reviewed. These methods include algorithmic approach; Rule-Based approach; BinaryDecision Diagram (BDD) approach; Field Programmable Gate Array(FPGA) approachand several perturbation applications.One new kind of don't cares (DCs), called functional DCs has been proposed for multilevellogic synthesis. The conventional two-level cubes are generalized to multilevel cubes.Then functional DCs are generated based on the properties of containment. The conceptof containment is more general than unateness which leads to the generation of newDCs. A separate C program has been developed to utilize the functional DCs generatedas a Boolean function is decomposed for both single output and multiple output functions.The program can produce better results than script.rugged of SIS, developed by UC Berkeley,both in area and speed in less CPU time for a number of testcases from MCNC andIWLS'93 benchmarks.In certain applications ANDjXOR (Reed-Muller) logic has shown some attractive advantagesover the standard Boolean logic based on AND JOR operations. A bidirectionalconversion algorithm between these two paradigms is presented based on the concept of polarityfor sum-of-products (SOP) Boolean functions, multiple segment and multiple pointerfacilities. Experimental results show that the algorithm is much faster than the previouslypublished programs for any fixed polarity. Based on this algorithm, a new technique calledredundancy-removal is applied to generalize the idea to very large multiple output Booleanfunctions. Results for benchmarks with up to 199 inputs and 99 outputs are presented.Applying the preceding conversion program, any Boolean functions can be expressedby fixed polarity Reed-Muller forms. There are 2n polarities for an n-variable function andthe number of product terms depends on these polarities. The problem of exact polarityminimization is computationally extensive and current programs are only suitable whenn :::; 15. Based on the comparison of the concepts of polarity in the standard Boolean logicand Reed-Muller logic, a fast algorithm is developed and implemented in C language whichcan find the best polarity for multiple output functions. Benchmark examples of up to 25inputs and 29 outputs run on a personal computer are given.After the best polarity for a Boolean function is calculated, this function can be furthersimplified using mixed polarity methods by combining the adjacent product terms. Hence,an efficient program is developed based on decomposition strategy to implement mixedpolarity minimization for both single output and very large multiple output Boolean functions.Experimental results show that the numbers of product terms are much less thanthe results produced by ESPRESSO for some categories of functions