Mechanistic modeling of architectural vulnerability factor

Reliability to soft errors is a significant design challenge in modern microprocessors owing to an exponential increase in the number of transistors on chip and the reduction in operating voltages with each process generation. Architectural Vulnerability Factor (AVF) modeling using microarchitectural simulators enables architects to make informed performance, power, and reliability tradeoffs. However, such simulators are time-consuming and do not reveal the microarchitectural mechanisms that influence AVF. In this article, we present an accurate first-order mechanistic analytical model to compute AVF, developed using the first principles of an out-of-order superscalar execution. This model provides insight into the fundamental interactions between the workload and microarchitecture that together influence AVF. We use the model to perform design space exploration, parametric sweeps, and workload characterization for AVF

Preventing DDoS using Bloom Filter: A Survey

Distributed Denial-of-Service (DDoS) is a menace for service provider and prominent issue in network security. Defeating or defending the DDoS is a prime challenge. DDoS make a service unavailable for a certain time. This phenomenon harms the service providers, and hence, loss of business revenue. Therefore, DDoS is a grand challenge to defeat. There are numerous mechanism to defend DDoS, however, this paper surveys the deployment of Bloom Filter in defending a DDoS attack. The Bloom Filter is a probabilistic data structure for membership query that returns either true or false. Bloom Filter uses tiny memory to store information of large data. Therefore, packet information is stored in Bloom Filter to defend and defeat DDoS. This paper presents a survey on DDoS defending technique using Bloom Filter.Comment: 9 pages, 1 figure. This article is accepted for publication in EAI Endorsed Transactions on Scalable Information System

Multi-Layer Cyber-Physical Security and Resilience for Smart Grid

The smart grid is a large-scale complex system that integrates communication technologies with the physical layer operation of the energy systems. Security and resilience mechanisms by design are important to provide guarantee operations for the system. This chapter provides a layered perspective of the smart grid security and discusses game and decision theory as a tool to model the interactions among system components and the interaction between attackers and the system. We discuss game-theoretic applications and challenges in the design of cross-layer robust and resilient controller, secure network routing protocol at the data communication and networking layers, and the challenges of the information security at the management layer of the grid. The chapter will discuss the future directions of using game-theoretic tools in addressing multi-layer security issues in the smart grid.Comment: 16 page

Design and evaluation of buffered triple modular redundancy in interleaved-multi-threading processors

Fault management in digital chips is a crucial aspect of functional safety. Significant work has been done on gate and microarchitecture level triple modular redundancy, and on functional redundancy in multi-core and simultaneous-multi-threading processors, whereas little has been done to quantify the fault tolerance potential of interleaved-multi-threading. In this study, we apply the temporal-spatial triple modular redundancy concept to interleaved-multi-threading processors through a design solution that we call Buffered triple modular redundancy, using the soft-core Klessydra-T03 as the basis for our experiments. We then illustrate the quantitative findings of a large fault-injection simulation campaign on the fault-tolerant core and discuss the vulnerability comparison with previous representative fault-tolerant designs. The results show that the obtained resilience is comparable to a full triple modular redundancy at the cost of execution cycle count overhead instead of hardware overhead, yet with higher achievable clock frequency

Fast and accurate SER estimation for large combinational blocks in early stages of the design

Soft Error Rate (SER) estimation is an important challenge for integrated circuits because of the increased vulnerability brought by technology scaling. This paper presents a methodology to estimate in early stages of the design the susceptibility of combinational circuits to particle strikes. In the core of the framework lies MASkIt , a novel approach that combines signal probabilities with technology characterization to swiftly compute the logical, electrical, and timing masking effects of the circuit under study taking into account all input combinations and pulse widths at once. Signal probabilities are estimated applying a new hybrid approach that integrates heuristics along with selective simulation of reconvergent subnetworks. The experimental results validate our proposed technique, showing a speedup of two orders of magnitude in comparison with traditional fault injection estimation with an average estimation error of 5 percent. Finally, we analyze the vulnerability of the Decoder, Scheduler, ALU, and FPU of an out-of-order, superscalar processor design.This work has been partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and Feder Funds under grant TIN2013-44375-R, by the Generalitat de Catalunya under grant FI-DGR 2016, and by the FP7 program of the EU under contract FP7-611404 (CLERECO).Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Methodologies for Accelerated Analysis of the Reliability and the Energy Efficiency Levels of Modern Microprocessor Architectures

Η εξέλιξη της τεχνολογίας ημιαγωγών, της αρχιτεκτονικής υπολογιστών και της σχεδίασης οδηγεί σε αύξηση της απόδοσης των σύγχρονων μικροεπεξεργαστών, η οποία επίσης συνοδεύεται από αύξηση της ευπάθειας των προϊόντων. Οι σχεδιαστές εφαρμόζουν διάφορες τεχνικές κατά τη διάρκεια της ζωής των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με σκοπό να διασφαλίσουν τα υψηλά επίπεδα αξιοπιστίας των παραγόμενων προϊόντων και να τα προστατέψουν από διάφορες κατηγορίες σφαλμάτων διασφαλίζοντας την ορθή λειτουργία τους. Αυτή η διδακτορική διατριβή προτείνει καινούριες μεθόδους για να διασφαλίσει τα υψηλά επίπεδα αξιοπιστίας και ενεργειακής απόδοσης των σύγχρονων μικροεπεξεργαστών οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν κατά τη διάρκεια του πρώιμου σχεδιαστικού σταδίου, του σταδίου παραγωγής ή του σταδίου της κυκλοφορίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στην αγορά. Οι συνεισφορές αυτής της διατριβής μπορούν να ομαδοποιηθούν στις ακόλουθες δύο κατηγορίες σύμφωνα με το στάδιο της ζωής των μικροεπεξεργαστών στο οποίο εφαρμόζονται: • Πρώιμο σχεδιαστικό στάδιο: Η στατιστική εισαγωγή σφαλμάτων σε δομές που είναι μοντελοποιημένες σε προσομοιωτές οι οποίοι στοχεύουν στην μελέτη της απόδοσης είναι μια επιστημονικά καθιερωμένη μέθοδος για την ακριβή μέτρηση της αξιοπιστίας, αλλά υστερεί στον αργό χρόνο εκτέλεσης. Σε αυτή τη διατριβή, αρχικά παρουσιάζουμε ένα νέο πλήρως αυτοματοποιημένο εργαλείο εισαγωγής σφαλμάτων σε μικροαρχιτεκτονικό επίπεδο που στοχεύει στην ακριβή αξιολόγηση της αξιοπιστίας ενός μεγάλου πλήθους μονάδων υλικού σε σχέση με διάφορα μοντέλα σφαλμάτων (παροδικά, διακοπτόμενα, μόνιμα σφάλματα). Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το ίδιο εργαλείο και στοχεύοντας τα παροδικά σφάλματα, παρουσιάζουμε διάφορες μελέτες σχετιζόμενες με την αξιοπιστία και την απόδοση, οι οποίες μπορούν να βοηθήσουν τις σχεδιαστικές αποφάσεις στα πρώιμα στάδια της ζωής των επεξεργαστών. Τελικά, προτείνουμε δύο μεθοδολογίες για να επιταχύνουμε τα μαζικά πειράματα στατιστικής εισαγωγής σφαλμάτων. Στην πρώτη, επιταχύνουμε τα πειράματα έπειτα από την πραγματική εισαγωγή των σφαλμάτων στις δομές του υλικού. Στη δεύτερη, επιταχύνουμε ακόμη περισσότερο τα πειράματα προτείνοντας τη μεθοδολογία με όνομα MeRLiN, η οποία βασίζεται στη μείωση της αρχικής λίστας σφαλμάτων μέσω της ομαδοποίησής τους σε ισοδύναμες ομάδες έπειτα από κατηγοριοποίηση σύμφωνα με την εντολή που τελικά προσπελαύνει τη δομή που φέρει το σφάλμα. • Παραγωγικό στάδιο και στάδιο κυκλοφορίας στην αγορά: Οι συνεισφορές αυτής της διδακτορικής διατριβής σε αυτά τα στάδια της ζωής των μικροεπεξεργαστών καλύπτουν δύο σημαντικά επιστημονικά πεδία. Αρχικά, χρησιμοποιώντας το ολοκληρωμένο κύκλωμα των 48 πυρήνων με ονομασία Intel SCC, προτείνουμε μια τεχνική επιτάχυνσης του εντοπισμού μονίμων σφαλμάτων που εφαρμόζεται κατά τη διάρκεια λειτουργίας αρχιτεκτονικών με πολλούς πυρήνες, η οποία εκμεταλλεύεται το δίκτυο υψηλής ταχύτητας μεταφοράς μηνυμάτων που διατίθεται στα ολοκληρωμένα κυκλώματα αυτού του είδους. Δεύτερον, προτείνουμε μια λεπτομερή στατιστική μεθοδολογία με σκοπό την ακριβή πρόβλεψη σε επίπεδο συστήματος των ασφαλών ορίων λειτουργίας της τάσης των πυρήνων τύπου ARMv8 που βρίσκονται πάνω στη CPU X-Gene 2.The evolution in semiconductor manufacturing technology, computer architecture and design leads to increase in performance of modern microprocessors, which is also accompanied by increase in products’ vulnerability to errors. Designers apply different techniques throughout microprocessors life-time in order to ensure the high reliability requirements of the delivered products that are defined as their ability to avoid service failures that are more frequent and more severe than is acceptable. This thesis proposes novel methods to guarantee the high reliability and energy efficiency requirements of modern microprocessors that can be applied during the early design phase, the manufacturing phase or after the chips release to the market. The contributions of this thesis can be grouped in the two following categories according to the phase of the CPUs lifecycle that are applied at: • Early design phase: Statistical fault injection using microarchitectural structures modeled in performance simulators is a state-of-the-art method to accurately measure the reliability, but suffers from low simulation throughput. In this thesis, we firstly present a novel fully-automated versatile microarchitecture-level fault injection framework (called MaFIN) for accurate characterization of a wide range of hardware components of an x86-64 microarchitecture with respect to various fault models (transient, intermittent, permanent faults). Next, using the same tool and focusing on transient faults, we present several reliability and performance related studies that can assist design decision in the early design phases. Moreover, we propose two methodologies to accelerate the statistical fault injection campaigns. In the first one, we accelerate the fault injection campaigns after the actual injection of the faults in the simulated hardware structures. In the second, we further accelerate the microarchitecture level fault injection campaigns by proposing MeRLiN a fault pre-processing methodology that is based on the pruning of the initial fault list by grouping the faults in equivalent classes according to the instruction access patterns to hardware entries. • Manufacturing phase and release to the market: The contributions of this thesis in these phases of microprocessors life-cycle cover two important aspects. Firstly, using the 48-core Intel’s SCC architecture, we propose a technique to accelerate online error detection of permanent faults for many-core architectures by exploiting their high-speed message passing on-chip network. Secondly, we propose a comprehensive statistical analysis methodology to accurately predict at the system level the safe voltage operation margins of the ARMv8 cores of the X- Gene 2 chip when it operates in scaled voltage conditions

Reliable Software for Unreliable Hardware - A Cross-Layer Approach

A novel cross-layer reliability analysis, modeling, and optimization approach is proposed in this thesis that leverages multiple layers in the system design abstraction (i.e. hardware, compiler, system software, and application program) to exploit the available reliability enhancing potential at each system layer and to exchange this information across multiple system layers