Fault-tolerant satellite computing with modern semiconductors

Miniaturized satellites enable a variety space missions which were in the past infeasible, impractical or uneconomical with traditionally-designed heavier spacecraft. Especially CubeSats can be launched and manufactured rapidly at low cost from commercial components, even in academic environments. However, due to their low reliability and brief lifetime, they are usually not considered suitable for life- and safety-critical services, complex multi-phased solar-system-exploration missions, and missions with a longer duration. Commercial electronics are key to satellite miniaturization, but also responsible for their low reliability: Until 2019, there existed no reliable or fault-tolerant computer architectures suitable for very small satellites. To overcome this deficit, a novel on-board-computer architecture is described in this thesis.Robustness is assured without resorting to radiation hardening, but through software measures implemented within a robust-by-design multiprocessor-system-on-chip. This fault-tolerant architecture is component-wise simple and can dynamically adapt to changing performance requirements throughout a mission. It can support graceful aging by exploiting FPGA-reconfiguration and mixed-criticality.  Experimentally, we achieve 1.94W power consumption at 300Mhz with a Xilinx Kintex Ultrascale+ proof-of-concept, which is well within the powerbudget range of current 2U CubeSats. To our knowledge, this is the first COTS-based, reproducible on-board-computer architecture that can offer strong fault coverage even for small CubeSats.European Space AgencyComputer Systems, Imagery and Medi

Approximate hardening techniques for digital signal processing circuits against radiation-induced faults

RESUMEN NO TÉCNICO. Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen de su posición, en un proceso llamado ionización. La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran altitud. Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante Total (TID por sus siglas en inglés), o por distorsiones en el silicio sobre el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o fallos destructivos en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE por sus siglas en inglés). Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación. Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP por sus siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas electrónicos cotidianos. En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento frente a la Radiación Por Diseño (RHBD por sus siglas en inglés). Estas técnicas permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan los sistemas modernos. En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes Comerciales (COTS por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD. Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante, Duplicación Con Comparación [DWC]) o llegar incluso a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR) en todas sus variantes. El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de recursos de las utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA comerciales, dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos de prueba endurecidos mediante TMR y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos (ORCA): • La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito original. De este modo se pueden disminuir los recursos necesitados por el circuito, aunque las correcciones en caso de fallo son menos precisas que en el TMR. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. • La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en esta tesis. Está pensada para algoritmos que trabajan con información en forma de paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí. Las réplicas redundantes calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales, lo que reduce su tamaño y permite correcciones aproximadas en caso de fallo. • La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas anteriores. Las réplicas redundantes se forman como bloques que calculan resultados intermedios y el resultado de su composición se puede comparar con el resultado original. Este método permite reducir recursos y proporciona resultados de corrección exactos en la mayor parte de los casos, lo que supone una mejora importante con respecto a las correcciones de los métodos anteriores. La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. En concreto, se han realizado ensayos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y ensayos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido).RESUMEN TÉCNICO. Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen de su posición, en un proceso llamado ionización. La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran altitud. Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante Total (TID, Total Ionizing Dose), o por distorsiones acumuladas en la matriz cristalina del silicio en el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD, Displacement Damage). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o la activación de circuitos parasitarios en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE, Single Event Effects). Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación. Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP, por sus siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas electrónicos cotidianos. En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento frente a la Radiación Por Diseño (RHBD, por sus siglas en inglés). Estas técnicas permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan los sistemas modernos. En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes Comerciales (COTS, por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD. Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante, Duplicación Con Comparación [DWC, Duplication With Comparison]) o llegar incluso a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR, Triple Modular Redundancy) en todas sus variantes. El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de recursos de las técnicas utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA (Field Programmable Gate Array) comerciales. Las FPGA son dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales diseñados a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. Su capacidad de reconfiguración y sus altas prestaciones las convierten en dispositivos muy interesantes para aplicaciones espaciales, donde realizar cambios en los diseños no suele ser posible una vez comenzada la misión. La reconfigurabilidad de las FPGA permite corregir en remoto posibles problemas en el diseño, pero también añadir o modificar funcionalidades a los circuitos implementados en el sistema. La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas e implementadas en FPGAs se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. Los ensayos de radiación son el estándar industrial para probar el comportamiento de todos los sistemas electrónicos que se envían a una misión espacial. Con estos ensayos se trata de emular de manera acelerada las condiciones de radiación a las que se verán sometidos los sistemas una vez hayan sido lanzados y determinar su resistencia a TID, DD y/o SEEs. Dependiendo del efecto que se quiera observar, las partículas elegidas para la radiación varían, pudiendo elegirse entre electrones, neutrones, protones, iones pesados, fotones... Particularmente, los ensayos de radiación realizados en este trabajo, tratándose de un estudio de técnicas de endurecimiento para sistemas electrónicos digitales, están destinados a establecer la sensibilidad de los circuitos estudiados frente a un tipo de SEE conocido como Single Event Upset (SEU), en el que la radiación modifica el valor lógico de un elemento de memoria. Para ello, hemos recurrido a experimentos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA, España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y experimentos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido). La sensibilidad de un circuito suele medirse en términos de su sección eficaz (cross section) con respecto a una partícula determinada, calculada como el cociente entre el número de fallos encontrados y el número de partículas ionizantes por unidad de área utilizadas en la campaña de radiación. Esta métrica sirve para estimar el número de fallos que provocará la radiación a lo largo de la vida útil del sistema, pero también para establecer comparaciones que permitan conocer la eficacia de los sistemas de endurecimiento implementados y ayudar a mejorarlos. El método de inyección de fallos utilizado en esta Tesis como complemento a la radiación se basa en modificar el valor lógico de los datos almacenados en la memoria de configuración de la FPGA. En esta memoria se guarda la descripción del funcionamiento del circuito implementado en la FPGA, por lo que modificar sus valores equivale a modificar el circuito. En FPGAs que utilizan la tecnología SRAM en sus memorias de configuración, como las utilizadas en esta Tesis, este es el componente más sensible a la radiación, por lo que es posible comparar los resultados de la inyección de fallos y de las campañas de radiación. Análogamente a la sección eficaz, en experimentos de inyección de fallos podemos hablar de la tasa de error, calculada como el cociente entre el número de fallos encontrados y la cantidad de bits de memoria inyectados. A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos endurecidos mediante Redundancia Modular Triple y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos (ORCA). Estas dos últimas son contribuciones originales presentadas en esta Tesis. • La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito original. Para cada dato de salida se comparan el resultado del circuito original y los dos resultados de precisión reducida. Si los dos resultados de precisión reducida son idénticos y su diferencia con el resultado de precisión completa es mayor que un determinado valor umbral, se considera que existe un fallo en el circuito original y se utiliza el resultado de precisión reducida para corregirlo. En cualquier otro caso, el resultado original se considera correcto, aunque pueda contener errores tolerables por debajo del umbral de comparación. En comparación con un circuito endurecido con TMR, los diseños RPR utilizan menos recursos, debido a la reducción en la precisión de los cálculos de los circuitos redundantes. No obstante, esto también afecta a la calidad de los resultados obtenidos cuando se corrige un error. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. En esta variante de la técnica RPR, los resultados de cada etapa de cálculo en los circuitos redundantes tienen una precisión diferente, incrementándose hacia las últimas etapas, en las que el resultado tiene la misma precisión que el circuito original. Con este método se logra incrementar la calidad de los datos corregidos a la vez que se reducen los recursos utilizados por el endurecimiento. Los resultados de las campañas de radiación y de inyección de fallos realizadas sobre los diseños endurecidos con RPR sugieren que la reducción de recursos no sólo es beneficiosa por sí misma en términos de recursos y energía utilizados por el sistema, sino que también conlleva una reducción de la sensibilidad de los circuitos, medida tanto en cross section como en tasa de error. • La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en esta tesis. Está indicada para algoritmos que trabajan con información en forma de paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí, como puede ser un algoritmo de procesamiento de imágenes. En la técnica RRR, se añaden dos circuitos redundantes que calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales. Tras el cálculo, los resultados diezmados pueden interpolarse para obtener un resultado aproximado del mismo tamaño que el resultado del circuito original. Una vez interpolados, los resultados de los tres circuitos pueden ser comparados para detectar y corregir fallos de una manera similar a la que se utiliza en la técnica RPR. Aprovechando las características del diseño hardware, la disminución de la cantidad de datos que procesan los circuitos de Resolución Reducida puede traducirse en una disminución de recursos, en lugar de una disminución de tiempo de cálculo. De esta manera, la técnica RRR es capaz de reducir el consumo de recursos en comparación a los que se necesitarían si se utilizase un endurecimiento TMR. Los resultados de los experimentos realizados en diseños endurecidos mediante Redundancia de Resolución Reducida sugieren que la técnica es eficaz en reducir los recursos utilizados y, al igual que pasaba en el caso de la Redundancia de Precisión Reducida, también su sensibilidad se ve reducida, comparada con la sensibilidad del mismo circuito endurecido con Redundancia Modular Triple. Además, se observa una reducción notable de la sensibilidad de los circuitos frente a errores no corregibles, comparado con el mismo resultado en TMR y RPR. Este tipo de error engloba aquellos producidos por fallos en la lógica de comparación y votación o aquellos en los que un único SEU produce fallos en los resultados de dos o más de los circuitos redundantes al mismo tiempo, lo que se conoce como Fallo en Modo Común (CMF). No obstante, también se observa que la calidad de las correcciones realizadas utilizando este método empeora ligeramente. • La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas anteriores. Para endurecer un circuito usando esta técnica, se añaden dos circuitos redundantes diferentes entre sí y que procesan cada uno una parte diferente del conjunto de datos de entrada. Cada uno de estos circuitos aproximados calcula un resultado intermedio. La composición de los dos resultados intermedios da un resultado idéntico al del circuito original en ausencia de fallos. La detección de fallos se realiza comparando el resultado del circuito original con el de la composición de los circuitos aproximados. En caso de ser diferentes, se puede determinar el origen del fallo comparando los resultados aproximados intermedios frente a un umbral. Si la diferencia entre los resultados intermedios supera el umbral, significa que el fallo se ha producido en uno de los circuitos aproximados y que el resultado de la composición no debe ser utilizado en la salida. Al igual que ocurre en la Redundancia de Precisión Reducida y la Redundancia de Resolución Reducida, utilizar un umbral de comparación implica la existencia de errores tolerables. No obstante, esta técnica de endurecimiento permite realizar correcciones exactas, en lugar de aproximadas, en la mayor parte de los casos, lo que mejora la calidad de los resultados con respecto a otras técnicas de endurecimiento aproximadas, al tiempo que reduce los recursos utilizados por el sistema endurecido en comparación con las técnicas tradicionales. Los resultados de los experimentos realizados con diseños endurecidos mediante Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos confirman que esta técnica de endurecimiento es capaz de producir correcciones exactas en un alto porcentaje de los eventos. Su sensibilidad frente a todo tipo de errores y frente a errores no corregibles también se ve disminuida, comparada con la obtenida con Redundancia Modular Triple. Los resultados presentados en esta Tesis respaldan la idea de que las técnicas de Redundancia Aproximada son alternativas viables a las técnicas de endurecimiento frente a la radiación habituales, siempre que

Flash-memories in Space Applications: Trends and Challenges

Nowadays space applications are provided with a processing power absolutely overcoming the one available just a few years ago. Typical mission-critical space system applications include also the issue of solid-state recorder(s). Flash-memories are nonvolatile, shock-resistant and power-economic, but in turn have different drawbacks. A solid-state recorder for space applications should satisfy many different constraints especially because of the issues related to radiations: proper countermeasures are needed, together with EDAC and testing techniques in order to improve the dependability of the whole system. Different and quite often contrasting dimensions need to be explored during the design of a flash-memory based solid- state recorder. In particular, we shall explore the most important flash-memory design dimensions and trade-offs to tackle during the design of flash-based hard disks for space applications

Development and Qualification of an FPGA-Based Multi-Processor System-on-Chip On-Board Computer for LEO Satellites

九州工業大学博士学位論文 学位記番号:工博甲第374号　学位授与年月日:平成26年9月26日Chapter 1: Introduction||Chapter 2: Background and Literature Review||Chapter 3: Multi-Processor System-on-Chip On-Borad Computer Design||Chapter 4: Space and Time Redundancy Trade-offs||Chapter 5: Radiation and Fault Injection Testing||Chapter 6: Thermal Vacuum Testing||Chapter 7: Results and Discussion||Chapter 8: Conclusion and Future Perspectives||ReferencesDeveloping small satellites for scientific and commercial purposes is emerging rapidly in the last decade. The future is still expected to carry more challenging services and designs to fulfill the growing needs for space based services. Nevertheless, there exists a big challenge in developing cost effective and highly efficient small satellites yet with accepted reliability and power consumption that is adequate to the mission capabilities. This challenge mandates the use of the recent developments in digital design techniques and technologies to strike the required balance between the four basic parameters: 1) Cost, 2) Performance, 3) Reliability and 4) Power consumption. This balance becomes even more stringent and harder to reach when the satellite mass reduces significantly. Mass reduction puts strict constraints on the power system in terms of the solar panels and the batteries. That fact creates the need to miniaturize the design of the subsystems as much as possible which can be viewed as the fifth parameter in the design balance dilemma. At Kyuhsu Institute of Technology-Japan we are investigating the use of SRAMbased Field Programmable Gate Arrays (FPGA) in building: 1) High performance, 2)Low cost, 3) Moderate power consumption and 4) Highly reliable Muti-Processor System-on-Chip (MPSoC) On-Board Computers (OBC) for future space missions and applications. This research tries to investigate how commercial grade SRAMbased FPGAs would perform in space and how to mitigate them against the space environment. Our methodology to answer that question depended on following formal design procedure for the OBC according to the space environment requirements then qualifying the design through extensive testing. We developed the MPSoC OBC with 4 complete embedded processor systems. The Inter Processor Communication (IPC) takes place through hardware First-In-First-Out (FIFO) mailboxes. One processor acts as the system master controller which monitors the operation and controls the reset and restore of the system in case of faults and the other three processors form Triple Modular Redundancy (TMR) fault tolerance architecture with each other. We used Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) in scrubbing the configuration memory frames and correcting the faults that might exist. The system is implemented using a Virtex-5 LX50 commercial grade FPGA from Xilinx. The research also qualifies the design in the ground-simulated space environment conditions. We tested the implemented MPSoC OBC in Thermal Vacuum Chambers (TVC) at the Center of Nano-Satellite Testing (CeNT) at Kyushu Institute of Technology. Also we irradiated the design with proton accelerated beam at 65 MeV with fluxes of 10e06 and 3e06 particle/cm2/sec at the Takasaki Advanced Radiation Research Institute (TARRI). The TVC test results showed that the FPGA design exceeded the limits of normal operation for the commercial grade package at about 105 C°. Therefore, we mitigated the package using: 1) heat sink, 2) dynamic temperature management through operating frequency reduction from 100 MHz to 50 MHz and 3) reconfiguration to reduce the number of working processors to 2 instead of 4 by replacing the spaceredundancy TMR with time-redundancy TMR during the sunlight section of the orbit. The mitigation proved to be efficient and it even reduced the temperature from 105 C° to about 66 C° when the heat sink, frequency reduction, and reconfiguration techniques were used together. The radiation and the fault injection tests showed that mitigating the FPGA configuration frames through scrubbing are efficient when Single Bit Upsets (SBU) are recorded. Multiple Bit Upsets (MBU) are not well mitigated using the scrubbing with Single Error Correction Double Error Detection (SECDED) technique and the FPGA needs to be totally reset and reloaded when MBUs are detected in its configuration frames. However, as MBUs occurrence in space is very seldom and rare compared to SBUs, we consider that SECDED scrubbing is very efficient in decreasing the soft error rate and increasing the reliability of having error-free bitstreams. The reliability was proven to be at 0.9999 when the scrubbing rate was continuous at a period of 7.1 msec between complete scans of the FPGA bitstream. In the proton radiation tests we managed to develop a new technique to estimate the static cross section using internal scrubbing only without using external monitoring, control and scrubbing device. Fault injection was used to estimate the dynamic cross section in a cost effective alternative for estimating it through radiation test. The research proved through detailed testing that the 65 nm commercial grade SRAM-based FPGA can be used in future space missions. The MPSoC OBC design achieved an adequate balance between the performance, power, mass, and reliability requirements. Extensive testing and applying carefully crafted mitigation techniques were the key points to verify and validate the MPSoC OBC design. In-orbit validation through a scientific demonstration mission would be the next step for the future research

Approximate Computing Strategies for Low-Overhead Fault Tolerance in Safety-Critical Applications

This work studies the reliability of embedded systems with approximate computing on software and hardware designs. It presents approximate computing methods and proposes approximate fault tolerance techniques applied to programmable hardware and embedded software to provide reliability at low computational costs. The objective of this thesis is the development of fault tolerance techniques based on approximate computing and proving that approximate computing can be applied to most safety-critical systems. It starts with an experimental analysis of the reliability of embedded systems used at safety-critical projects. Results show that the reliability of single-core systems, and types of errors they are sensitive to, differ from multicore processing systems. The usage of an operating system and two different parallel programming APIs are also evaluated. Fault injection experiment results show that embedded Linux has a critical impact on the system’s reliability and the types of errors to which it is most sensitive. Traditional fault tolerance techniques and parallel variants of them are evaluated for their fault-masking capability on multicore systems. The work shows that parallel fault tolerance can indeed not only improve execution time but also fault-masking. Lastly, an approximate parallel fault tolerance technique is proposed, where the system abandons faulty execution tasks. This first approximate computing approach to fault tolerance in parallel processing systems was able to improve the reliability and the fault-masking capability of the techniques, significantly reducing errors that would cause system crashes. Inspired by the conflict between the improvements provided by approximate computing and the safety-critical systems requirements, this work presents an analysis of the applicability of approximate computing techniques on critical systems. The proposed techniques are tested under simulation, emulation, and laser fault injection experiments. Results show that approximate computing algorithms do have a particular behavior, different from traditional algorithms. The approximation techniques presented and proposed in this work are also used to develop fault tolerance techniques. Results show that those new approximate fault tolerance techniques are less costly than traditional ones and able to achieve almost the same level of error masking.Este trabalho estuda a confiabilidade de sistemas embarcados com computação aproximada em software e projetos de hardware. Ele apresenta métodos de computação aproximada e técnicas aproximadas para tolerância a falhas em hardware programável e software embarcado que provêem alta confiabilidade a baixos custos computacionais. O objetivo desta tese é o desenvolvimento de técnicas de tolerância a falhas baseadas em computação aproximada e provar que este paradigma pode ser usado em sistemas críticos. O texto começa com uma análise da confiabilidade de sistemas embarcados usados em sistemas de tolerância crítica. Os resultados mostram que a resiliência de sistemas singlecore, e os tipos de erros aos quais eles são mais sensíveis, é diferente dos multi-core. O uso de sistemas operacionais também é analisado, assim como duas APIs de programação paralela. Experimentos de injeção de falhas mostram que o uso de Linux embarcado tem um forte impacto na confiabilidade do sistema. Técnicas tradicionais de tolerância a falhas e variações paralelas das mesmas são avaliadas. O trabalho mostra que técnicas de tolerância a falhas paralelas podem de fato melhorar não apenas o tempo de execução da aplicação, mas também seu mascaramento de erros. Por fim, uma técnica de tolerância a falhas paralela aproximada é proposta, onde o sistema abandona instâncias de execuções que apresentam falhas. Esta primeira experiência com computação aproximada foi capaz de melhorar a confiabilidade das técnicas previamente apresentadas, reduzindo significativamente a ocorrência de erros que provocam um crash total do sistema. Inspirado pelo conflito entre as melhorias trazidas pela computação aproximada e os requisitos dos sistemas críticos, este trabalho apresenta uma análise da aplicabilidade de computação aproximada nestes sistemas. As técnicas propostas são testadas sob experimentos de injeção de falhas por simulação, emulação e laser. Os resultados destes experimentos mostram que algoritmos aproximados possuem um comportamento particular que lhes é inerente, diferente dos tradicionais. As técnicas de aproximação apresentadas e propostas no trabalho são também utilizadas para o desenvolvimento de técnicas de tolerância a falhas aproximadas. Estas novas técnicas possuem um custo menor que as tradicionais e são capazes de atingir o mesmo nível de mascaramento de erros

Operating System Support for Redundant Multithreading

Failing hardware is a fact and trends in microprocessor design indicate that the fraction of hardware suffering from permanent and transient faults will continue to increase in future chip generations. Researchers proposed various solutions to this issue with different downsides: Specialized hardware components make hardware more expensive in production and consume additional energy at runtime. Fault-tolerant algorithms and libraries enforce specific programming models on the developer. Compiler-based fault tolerance requires the source code for all applications to be available for recompilation. In this thesis I present ASTEROID, an operating system architecture that integrates applications with different reliability needs. ASTEROID is built on top of the L4/Fiasco.OC microkernel and extends the system with Romain, an operating system service that transparently replicates user applications. Romain supports single- and multi-threaded applications without requiring access to the application's source code. Romain replicates applications and their resources completely and thereby does not rely on hardware extensions, such as ECC-protected memory. In my thesis I describe how to efficiently implement replication as a form of redundant multithreading in software. I develop mechanisms to manage replica resources and to make multi-threaded programs behave deterministically for replication. I furthermore present an approach to handle applications that use shared-memory channels with other programs. My evaluation shows that Romain provides 100% error detection and more than 99.6% error correction for single-bit flips in memory and general-purpose registers. At the same time, Romain's execution time overhead is below 14% for single-threaded applications running in triple-modular redundant mode. The last part of my thesis acknowledges that software-implemented fault tolerance methods often rely on the correct functioning of a certain set of hardware and software components, the Reliable Computing Base (RCB). I introduce the concept of the RCB and discuss what constitutes the RCB of the ASTEROID system and other fault tolerance mechanisms. Thereafter I show three case studies that evaluate approaches to protecting RCB components and thereby aim to achieve a software stack that is fully protected against hardware errors

Dependability Assessment of NAND Flash-memory for Mission-critical Applications

It is a matter of fact that NAND flash memory devices are well established in consumer market. However, it is not true that the same architectures adopted in the consumer market are suitable for mission critical applications like space. In fact, USB flash drives, digital cameras, MP3 players are usually adopted to store "less significant" data which are not changing frequently (e.g., MP3s, pictures, etc.). Therefore, in spite of NAND flash's drawbacks, a modest complexity is usually needed in the logic of commercial flash drives. On the other hand, mission critical applications have different reliability requirements from commercial scenarios. Moreover, they are usually playing in a hostile environment (e.g., the space) which contributes to worsen all the issues. We aim at providing practical valuable guidelines, comparisons and tradeoffs among the huge number of dimensions of fault tolerant methodologies for NAND flash applied to critical environments. We hope that such guidelines will be useful for our ongoing research and for all the interested reader

Dependability Assessment of NAND Flash-memory for Mission-critical Applications

It is a matter of fact that NAND flash memory devices are well established in consumer market. However, it is not true that the same architectures adopted in the consumer market are suitable for mission critical applications like space. In fact, USB flash drives, digital cameras, MP3 players are usually adopted to store "less significant" data which are not changing frequently (e.g., MP3s, pictures, etc.). Therefore, in spite of NAND flash’s drawbacks, a modest complexity is usually needed in the logic of commercial flash drives. On the other hand, mission critical applications have different reliability requirements from commercial scenarios. Moreover, they are usually playing in a hostile environment (e.g., the space) which contributes to worsen all the issues. We aim at providing practical valuable guidelines, comparisons and tradeoffs among the huge number of dimensions of fault tolerant methodologies for NAND flash applied to critical environments. We hope that such guidelines will be useful for our ongoing research and for all the interested readers