SINGLE EVENT UPSET DETECTION IN FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAYS

The high-radiation environment in space can lead to anomalies in normal satellite operation. A major cause of concern to spacecraft-designers is the single event upset (SEU). SEUs can result in deviations from expected component behavior and are capable of causing irreversible damage to hardware. In particular, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are known to be highly susceptible to SEUs. Radiation-hardened versions of such devices are associated with an increase in power consumption and cost in addition to being technologically inferior when compared to contemporary commercial-off-the-shelf (COTS) parts. This thesis consequently aims at exploring the option of using COTS FPGAs in satellite payloads. A framework is developed, allowing the SEU susceptibility of such a device to be studied. SEU testing is carried out in a software-simulated fault environment using a set of Java classes called JBits. A radiation detector module, to measure the radiation backdrop of the device, is also envisioned as part of the final design implementation

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.

Sustainable Fault-handling Of Reconfigurable Logic Using Throughput-driven Assessment

A sustainable Evolvable Hardware (EH) system is developed for SRAM-based reconfigurable Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) using outlier detection and group testing-based assessment principles. The fault diagnosis methods presented herein leverage throughput-driven, relative fitness assessment to maintain resource viability autonomously. Group testing-based techniques are developed for adaptive input-driven fault isolation in FPGAs, without the need for exhaustive testing or coding-based evaluation. The techniques maintain the device operational, and when possible generate validated outputs throughout the repair process. Adaptive fault isolation methods based on discrepancy-enabled pair-wise comparisons are developed. By observing the discrepancy characteristics of multiple Concurrent Error Detection (CED) configurations, a method for robust detection of faults is developed based on pairwise parallel evaluation using Discrepancy Mirror logic. The results from the analytical FPGA model are demonstrated via a self-healing, self-organizing evolvable hardware system. Reconfigurability of the SRAM-based FPGA is leveraged to identify logic resource faults which are successively excluded by group testing using alternate device configurations. This simplifies the system architect\u27s role to definition of functionality using a high-level Hardware Description Language (HDL) and system-level performance versus availability operating point. System availability, throughput, and mean time to isolate faults are monitored and maintained using an Observer-Controller model. Results are demonstrated using a Data Encryption Standard (DES) core that occupies approximately 305 FPGA slices on a Xilinx Virtex-II Pro FPGA. With a single simulated stuck-at-fault, the system identifies a completely validated replacement configuration within three to five positive tests. The approach demonstrates a readily-implemented yet robust organic hardware application framework featuring a high degree of autonomous self-control

An Adaptive Modular Redundancy Technique to Self-regulate Availability, Area, and Energy Consumption in Mission-critical Applications

As reconfigurable devices\u27 capacities and the complexity of applications that use them increase, the need for self-reliance of deployed systems becomes increasingly prominent. A Sustainable Modular Adaptive Redundancy Technique (SMART) composed of a dual-layered organic system is proposed, analyzed, implemented, and experimentally evaluated. SMART relies upon a variety of self-regulating properties to control availability, energy consumption, and area used, in dynamically-changing environments that require high degree of adaptation. The hardware layer is implemented on a Xilinx Virtex-4 Field Programmable Gate Array (FPGA) to provide self-repair using a novel approach called a Reconfigurable Adaptive Redundancy System (RARS). The software layer supervises the organic activities within the FPGA and extends the self-healing capabilities through application-independent, intrinsic, evolutionary repair techniques to leverage the benefits of dynamic Partial Reconfiguration (PR). A SMART prototype is evaluated using a Sobel edge detection application. This prototype is shown to provide sustainability for stressful occurrences of transient and permanent fault injection procedures while still reducing energy consumption and area requirements. An Organic Genetic Algorithm (OGA) technique is shown capable of consistently repairing hard faults while maintaining correct edge detector outputs, by exploiting spatial redundancy in the reconfigurable hardware. A Monte Carlo driven Continuous Markov Time Chains (CTMC) simulation is conducted to compare SMART\u27s availability to industry-standard Triple Modular Technique (TMR) techniques. Based on nine use cases, parameterized with realistic fault and repair rates acquired from publically available sources, the results indicate that availability is significantly enhanced by the adoption of fast repair techniques targeting aging-related hard-faults. Under harsh environments, SMART is shown to improve system availability from 36.02% with lengthy repair techniques to 98.84% with fast ones. This value increases to five nines (99.9998%) under relatively more favorable conditions. Lastly, SMART is compared to twenty eight standard TMR benchmarks that are generated by the widely-accepted BL-TMR tools. Results show that in seven out of nine use cases, SMART is the recommended technique, with power savings ranging from 22% to 29%, and area savings ranging from 17% to 24%, while still maintaining the same level of availability

Développement de circuits logiques programmables résistants aux alas logiques en technologie CMOS submicrométrique

The electronics associated to the particle detectors of the Large Hadron Collider (LHC), under construction at CERN, will operate in a very harsh radiation environment. Most of the microelectronics components developed for the first generation of LHC experiments have been designed with very precise experiment-specific goals and are hardly adaptable to other applications. Commercial Off-The-Shelf (COTS) components cannot be used in the vicinity of particle collision due to their poor radiation tolerance. This thesis is a contribution to the effort to cover the need for radiation-tolerant SEU-robust programmable components for application in High Energy Physics (HEP) experiments. Two components are under development: a Programmable Logic Device (PLD) and a Field-Programmable Gate Array (FPGA). The PLD is a fuse-based, 10-input, 8-I/O general architecture device in 0.25 micron CMOS technology. The FPGA under development is instead a 32x32 logic block array, equivalent to ~25k gates, in 0.13 micron CMOS. This work focussed also on the research for an SEU-robust register in both the mentioned technologies. The SEU-robust register is employed as a user data flip-flop in the FPGA and PLD designs and as a configuration cell as well in the FPGA design

An Error-Detection and Self-Repairing Method for Dynamically and Partially Reconfigurable Systems

Reconfigurable systems are gaining an increasing interest in the domain of safety-critical applications, for example in the space and avionic domains. In fact, the capability of reconfiguring the system during run-time execution and the high computational power of modern Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) make these devices suitable for intensive data processing tasks. Moreover, such systems must also guarantee the abilities of self-awareness, self-diagnosis and self-repair in order to cope with errors due to the harsh conditions typically existing in some environments. In this paper we propose a selfrepairing method for partially and dynamically reconfigurable systems applied at a fine-grain granularity level. Our method is able to detect, correct and recover errors using the run-time capabilities offered by modern SRAM-based FPGAs. Fault injection campaigns have been executed on a dynamically reconfigurable system embedding a number of benchmark circuits. Experimental results demonstrate that our method achieves full detection of single and multiple errors, while significantly improving the system availability with respect to traditional error detection and correction methods

Fault tolerant design implementation on radiation hardened by design SRAM-Based FPGAs

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Aeronautics and Astronautics, 2013.This electronic version was submitted and approved by the author's academic department as part of an electronic thesis pilot project. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections."June 2013." Cataloged from department-submitted PDF version of thesisIncludes bibliographical references (p. 197-204).SRAM-based FPGAs are highly attractive for space applications due to their in-flight reconfigurability, decreased development time and cost, and increased design and testing flexibility. The Xilinx Virtex-5QV is the first commercially available Radiation Hardened By Design (RHBD) SRAM-based FPGA; however, not all of its internal components are hardened against radiation-induced errors. This thesis examines and quantifies the additional considerations and techniques designers should employ with a RHBD SRAM-based FPGA in a space-based processing system to achieve high operational reliability. Additionally, this work presents the application of some of these techniques to the embedded avionics design of the REXIS imaging payload on the OSIRIS-REx asteroid sample return mission.by Frank Hall Schmidt, Jr.S.M