An adaptive method to tolerate soft errors in SRAM-based FPGAs

AbstractIn this paper, we present an adaptive method that is a combination of SEU-avoidance in CAD flow and adaptive redundancy to tolerate soft error effects in SRAM-based FPGAs. This method is based on the modification of T-VPack and VPR tools. Three different steps of these tools are modified for SEU-awareness: (1) clustering, (2) placement and (3) routing. Then we use the unused resources as redundancy. We have investigated the effect of this method on several MCNC benchmarks. This investigation has been performed using three experiments: (1) SEU-awareness in clustering with redundancy, (2) SEU-awareness in clustering and placement with redundancy and (3) SEU-awareness in clustering, placement and routing with redundancy. With a confidence level of 95%, the results show that, using each of these three experiments, the system failure rate of ten MCNC circuits has been decreased between 4.52% and 10.42%, between 10.25% and 21.63%, and between 10.48% and 24.39%, respectively

Design techniques for xilinx virtex FPGA configuration memory scrubbers

SRAM-based FPGAs are in-field reconfigurable an unlimited number of times. This characteristic, together with their high performance and high logic density, proves to be very convenient for a number of ground and space level applications. One drawback of this technology is that it is susceptible to ionizing radiation, and this sensitivity increases with technology scaling. This is a first order concern for applications in harsh radiation environments, and starts to be a concern for high reliability ground applications. Several techniques exist for coping with radiation effects at user application. In order to be effective they need to be complemented with configuration memory scrubbing, which allows error mitigation and prevents failures due to error accumulation. Depending on the radiation environment and on the system dependability requirements, the configuration scrubber design can become more or less complex. This paper classifies and presents current and novel design methodologies and architectures for SRAM-based FPGAs, and in particular for Xilinx Virtex-4QV/5QV, configuration memory scrubbers

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 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

New Design Techniques for Dynamic Reconfigurable Architectures

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Optimizing Dynamic Logic Realizations For Partial Reconfiguration Of Field Programmable Gate Arrays

Many digital logic applications can take advantage of the reconfiguration capability of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) to dynamically patch design flaws, recover from faults, or time-multiplex between functions. Partial reconfiguration is the process by which a user modifies one or more modules residing on the FPGA device independently of the others. Partial Reconfiguration reduces the granularity of reconfiguration to be a set of columns or rectangular region of the device. Decreasing the granularity of reconfiguration results in reduced configuration filesizes and, thus, reduced configuration times. When compared to one bitstream of a non-partial reconfiguration implementation, smaller modules resulting in smaller bitstream filesizes allow an FPGA to implement many more hardware configurations with greater speed under similar storage requirements. To realize the benefits of partial reconfiguration in a wider range of applications, this thesis begins with a survey of FPGA fault-handling methods, which are compared using performance-based metrics. Performance analysis of the Genetic Algorithm (GA) Offline Recovery method is investigated and candidate solutions provided by the GA are partitioned by age to improve its efficiency. Parameters of this aging technique are optimized to increase the occurrence rate of complete repairs. Continuing the discussion of partial reconfiguration, the thesis develops a case-study application that implements one partial reconfiguration module to demonstrate the functionality and benefits of time multiplexing and reveal the improved efficiencies of the latest large-capacity FPGA architectures. The number of active partial reconfiguration modules implemented on a single FPGA device is increased from one to eight to implement a dynamic video-processing architecture for Discrete Cosine Transform and Motion Estimation functions to demonstrate a 55-fold reduction in bitstream storage requirements thus improving partial reconfiguration capability

Contributions to the fault tolerance of soft-core processors implemented in SRAM-based FPGA Systems.

239 p.Gracias al desarrollo de las tecnologías de diseño y fabricación, los circuitos electrónicos han llegado a grandes niveles de integración. De esta forma, hoy en día es posible implementar completos y complejos sistemas dentro de un único dispositivo incorporando gran variedad de elementos como: procesadores, osciladores, lazos de seguimiento de fase (PLLs), interfaces, conversores ADC y DAC, módulos de memoria, etc. A este concepto de diseño se le denomina comúnmente SoC (System-on-Chip). Una de las plataformas para implementar estos sistemas que más importancia está cobrando son las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Históricamente la plataforma más utilizada para albergar los SoCs han sido las ASICs (Application- Specific Integrated Circuits), debido a su bajo consumo energético y su gran rendimiento. No obstante, su costoso proceso de desarrollo y fabricación hace que solo sean rentables en el caso de producciones masivas. Las FPGAs, por el contrario, al ser dispositivos configurables ofrecen, la posibilidad de implementar diseños personalizados a un coste mucho más reducido. Por otro lado, los continuos avances en la tecnología de las FPGAs están haciendo que éstas compitan con las ASICs a nivel de prestaciones (consumo, nivel de integración y eficiencia). Ciertas tecnologías de FPGA, como las SRAM y Flash, poseen una característica que las hace especialmente interesantes en multitud de diseños: la capacidad de reconfiguración. Dicha característica, que incluso puede ser realizada de forma autónoma, permite cambiar completamente el diseño hardware implementado con solo cargar en la FPGA un archivo de configuración denominado bitstream. La reconfiguración puede incluso permitir modificar una parte del circuito configurado en la matriz de la FPGA, mientras el resto del circuito implementado continua inalterado. Esto que se conoce como reconfiguración parcial dinámica, posibilita que un mismo chip albergue en su interior numerosos diseños hardware que pueden ser cargados a demanda. Gracias a la capacidad de reconfiguración, las FPGAs ofrecen numerosas ventajas como: posibilidad de personalización de diseños, capacidad de readaptación durante el funcionamiento para responder a cambios o corregir errores, mitigación de obsolescencia, diferenciación, menores costes de diseño o reducido tiempo para el lanzamiento de productos al mercado. Los SoC basados en FPGAs allanan el camino hacia un nuevo concepto de integración de hardware y software, permitiendo que los diseñadores de sistemas electrónicos sean capaces de integrar procesadores embebidos en los diseños para beneficiarse de su gran capacidad de computación. Gracias a esto, una parte importante de la electrónica hace uso de la tecnología FPGA abarcando un gran abanico de campos, como por ejemplo: la electrónica de consumo y el entretenimiento, la medicina o industrias como la espacial, la aviónica, la automovilística o la militar. Las tecnologías de FPGA existentes ofrecen dos vías de utilización de procesado- res embebidos: procesadores hardcore y procesadores softcore. Los hardcore son procesadores discretos integrados en el mismo chip de la FPGA. Generalmente ofrecen altas frecuencias de trabajo y una mayor previsibilidad en términos de rendimiento y uso del área, pero su diseño hardware no puede alterarse para ser personalizado. Por otro lado, un procesador soft-core, es la descripción hardware en lenguaje HDL (normalmente VDHL o Verilog) de un procesador, sintetizable e implementable en una FPGA. Habitualmente, los procesadores softcore suelen basarse en diseños hardware ya existentes, siendo compatibles con sus juegos de instrucciones, muchos de ellos en forma de IP cores (Intellectual Property co- res). Los IP cores ofrecen procesadores softcore prediseñados y testeados, que dependiendo del caso pueden ser de pago, gratuitos u otro tipo de licencias. Debido a su naturaleza, los procesadores softcore, pueden ser personalizados para una adaptación óptima a diseños específicos. Así mismo, ofrecen la posibilidad de integrar en el diseño tantos procesadores como se desee (siempre que haya disponibles recursos lógicos suficientes). Otra ventaja importante es que, gracias a la reconfiguración parcial dinámica, es posible añadir el procesador al diseño únicamente en los casos necesarios, ahorrando de esta forma, recursos lógicos y consumo energético. Uno de los mayores problemas que surgen al usar dispositivos basados en las tecnologías SRAM o la flash, como es el caso de las FPGAs, es que son especialmente sensibles a los efectos producidos por partículas energéticas provenientes de la radiación cósmica (como protones, neutrones, partículas alfa u otros iones pesados) denominados efectos de eventos simples o SEEs (Single Event Effects). Estos efectos pueden ocasionar diferentes tipos de fallos en los sistemas: desde fallos despreciables hasta fallos realmente graves que comprometan la funcionalidad del sistema. El correcto funcionamiento de los sistemas cobra especial relevancia cuando se trata de tecnologías de elevado costo o aquellas en las que peligran vidas humanas, como, por ejemplo, en campos tales como el transporte ferroviario, la automoción, la aviónica o la industria aeroespacial. Dependiendo de distintos factores, los SEEs pueden causar fallos de operación transitorios, cambios de estados lógicos o daños permanentes en el dispositivo. Cuando se trata de un fallo físico permanente se denomina hard-error, mientras que cuando el fallo afecta el circuito momentáneamente se denomina soft-error. Los SEEs más frecuentes son los soft-errors y afectan tanto a aplicaciones comerciales a nivel terrestre, como a aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales (con mayor incidencia en estas últimas). La contribución exacta de este tipo de fallos a la tasa de errores depende del diseño específico de cada circuito, pero en general se asume que entorno al 90 % de la tasa de error se debe a fallos en elementos de memoria (latches, biestables o celdas de memoria). Los soft-errors pueden afectar tanto al circuito lógico como al bitstream cargado en la memoria de configuración de la FPGA. Debido a su gran tamaño, la memoria de configuración tiene más probabilidades de ser afectada por un SEE. La existencia de problemas generados por estos efectos reafirma la importancia del concepto de tolerancia a fallos. La tolerancia a fallos es una propiedad relativa a los sistemas digitales, por la cual se asegura cierta calidad en el funcionamiento ante la presencia de fallos, debiendo los sistemas poder soportar los efectos de dichos fallos y funcionar correctamente en todo momento. Por tanto, para lograr un diseño robusto, es necesario garantizar la funcionalidad de los circuitos y asegurar la seguridad y confiabilidad en las aplicaciones críticas que puedan verse comprometidos por los SEE. A la hora de hacer frente a los SEE existe la posibilidad de explotar tecnologías específicas centradas en la tolerancia a fallos, como por ejemplo las FPGAs de tipo fusible, o, por otro lado, utilizar la tecnología comercial combinada con técnicas de tolerancia a fallos. Esta última opción va cobrando importancia debido al menor precio y mayores prestaciones de las FPGAs comerciales. Generalmente las técnicas de endurecimiento se aplican durante la fase de diseño. Existe un gran número de técnicas y se pueden llegar a combinar entre sí. Las técnicas prevalentes se basan en emplear algún tipo de redundancia, ya sea hardware, software, temporal o de información. Cada tipo de técnica presenta diferentes ventajas e inconvenientes y se centra en atacar distintos tipos de SEE y sus efectos. Dentro de las técnicas de tipo redundancia, la más utilizada es la hardware, que se basa en replicar el modulo a endurecer. De esta forma, cada una de las réplicas es alimentada con la misma entrada y sus salidas son comparadas para detectar discrepancias. Esta redundancia puede implementarse a diferentes niveles. En términos generales, un mayor nivel de redundancia hardware implica una mayor robustez, pero también incrementa el uso de recursos. Este incremento en el uso de recursos de una FPGA supone tener menos recursos disponibles para el diseño, mayor consumo energético, el tener más elementos susceptibles de ser afectados por un SEE y generalmente, una reducción de la máxima frecuencia alcanzable por el diseño. Por ello, los niveles de redundancia hardware más utilizados son la doble, conocida como DMR (Dual Modular Redundancy) y la triple o TMR (Triple Modular Redundancy). La DMR minimiza el número de recursos redundantes, pero presenta el problema de no poder identificar el módulo fallido ya que solo es capaz de detectar que se ha producido un error. Ello hace necesario combinarlo con técnicas adicionales. Al caso de DMR aplicado a procesadores se le denomina lockstep y se suele combinar con las técnicas checkpoint y rollback recovery. El checkpoint consiste en guardar periódicamente el contexto (contenido de registros y memorias) de instantes identificados como correctos. Gracias a esto, una vez detectado y reparado un fallo es posible emplear el rollback recovery para cargar el último contexto correcto guardado. Las desventajas de estas estrategias son el tiempo requerido por ambas técnicas (checkpoint y rollback recovery) y la necesidad de elementos adicionales (como memorias auxiliares para guardar el contexto). Por otro lado, el TMR ofrece la posibilidad de detectar el módulo fallido mediante la votación por mayoría. Es decir, si tras comparar las tres salidas una de ellas presenta un estado distinto, se asume que las otras dos son correctas. Esto permite que el sistema continúe funcionando correctamente (como sistema DMR) aun cuando uno de los módulos quede inutilizado. En todo caso, el TMR solo enmascara los errores, es decir, no los corrige. Una de las desventajas más destacables de esta técnica es que incrementa el uso de recursos en más de un 300 %. También cabe la posibilidad de que la salida discrepante sea la realmente correcta (y que, por tanto, las otras dos sean incorrectas), aunque este caso es bastante improbable. Uno de los problemas que no se ha analizado con profundidad en la bibliografía es el problema de la sincronización de procesadores soft-core en sistemas TMR (o de mayor nivel de redundancia). Dicho problema reside en que, si tras un fallo se inutiliza uno de los procesadores y el sistema continúa funcionando con el resto de procesadores, una vez reparado el procesador fallido éste necesita sincronizar su contexto al nuevo estado del sistema. Una práctica bastante común en la implementación de sistemas redundantes es combinarlos con la técnica conocida como scrubbing. Esta técnica basada en la reconfiguración parcial dinámica, consiste en sobrescribir periódicamente el bitstream con una copia libre de errores apropiadamente guardada. Gracias a ella, es posible corregir los errores enmascarados por el uso de algunas técnicas de endurecimiento como la redundancia hardware. Esta copia libre de errores suele omitir los bits del bitstream correspondientes a la memoria de usuario, por lo que solo actualiza los bits relacionados con la configuración de la FPGA. Por ello, a esta técnica también se la conoce como configuration scrubbing. En toda la literatura consultada se ha detectado un vacío en cuanto a técnicas que propongan estrategias de scrubbing para la memoria de usuario. Con el objetivo de proponer alternativas innovadoras en el terreno de la tolerancia a fallos para procesadores softcore, en este trabajo de investigación se han desarrollado varias técnicas y flujos de diseño para manejar los datos de usuario a través del bitstream, pudiendo leer, escribir o copiar la información de registros o de memorias implementadas en bloques RAMs de forma autónoma. Así mismo se ha desarrollado un abanico de propuestas tanto como para estrategias lockstep como para la sincronización de sistemas TMR, de las cuales varias hacen uso de las técnicas desarrolladas para manejar las memorias de usuario a través del bitstream. Estas últimas técnicas tienen en común la minimización de utilización de recursos respecto a las estrategias tradicionales. De forma similar, se proponen dos alternativas adicionales basadas en dichas técnicas: una propuesta de scrubbing para las memorias de usuario y una para la recuperación de información en memorias implementadas en bloques RAM cuyas interfaces hayan sido inutilizadas por SEEs.Todas las propuestas han sido validadas en hardware utilizando una FPGA de Xilinx, la empresa líder en fabricación de dispositivos reconfigurables. De esta forma se proporcionan resultados sobre los impactos de las técnicas propuestas en términos de utilización de recursos, consumos energéticos y máximas frecuencias alcanzables

Implementation and Characterization of AHR on a Xilinx FPGA

A new version of the Adaptive-Hybrid Redundancy (AHR) architecture was developed to be implemented and tested in hardware using Commercial-Off-The-Shelf (COTS) Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). The AHR architecture was developed to mitigate the effects that the Single Event Upset (SEU) and Single Event Transient (SET) radiation effects have on processors and was tested on a Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages (MIPS) architecture. The AHR MIPS architecture was implemented in hardware using two Xilinx FPGAs. A Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) based serial communication network was added to the AHR MIPS design to enable inter-board communication between the two FPGAs. The runtime performance of AHR MIPS was measured in hardware and compared against the runtime performance of standalone TMR and TSR MIPS architectures. The hardware implementation of AHR MIPS demonstrated flexible runtime performance that was nearly as fast as TMR MIPS, never as slow as TSR MIPS, and demonstrated performance in between those extremes. Hardware testing and verification of AHR MIPS showed that the AHR mitigation strategy presents a large performance tradespace, where a user can adjust both the runtime processor performance and radiation tolerance to fit the constraints of a space mission, while also continuing to provide adaptive performance based upon the current radiation environment

Design Disjunction for Resilient Reconfigurable Hardware

Contemporary reconfigurable hardware devices have the capability to achieve high performance, power efficiency, and adaptability required to meet a wide range of design goals. With scaling challenges facing current complementary metal oxide semiconductor (CMOS), new concepts and methodologies supporting efficient adaptation to handle reliability issues are becoming increasingly prominent. Reconfigurable hardware and their ability to realize self-organization features are expected to play a key role in designing future dependable hardware architectures. However, the exponential increase in density and complexity of current commercial SRAM-based field-programmable gate arrays (FPGAs) has escalated the overhead associated with dynamic runtime design adaptation. Traditionally, static modular redundancy techniques are considered to surmount this limitation; however, they can incur substantial overheads in both area and power requirements. To achieve a better trade-off among performance, area, power, and reliability, this research proposes design-time approaches that enable fine selection of redundancy level based on target reliability goals and autonomous adaptation to runtime demands. To achieve this goal, three studies were conducted: First, a graph and set theoretic approach, named Hypergraph-Cover Diversity (HCD), is introduced as a preemptive design technique to shift the dominant costs of resiliency to design-time. In particular, union-free hypergraphs are exploited to partition the reconfigurable resources pool into highly separable subsets of resources, each of which can be utilized by the same synthesized application netlist. The diverse implementations provide reconfiguration-based resilience throughout the system lifetime while avoiding the significant overheads associated with runtime placement and routing phases. Evaluation on a Motion-JPEG image compression core using a Xilinx 7-series-based FPGA hardware platform has demonstrated the potential of the proposed FT method to achieve 37.5% area saving and up to 66% reduction in power consumption compared to the frequently-used TMR scheme while providing superior fault tolerance. Second, Design Disjunction based on non-adaptive group testing is developed to realize a low-overhead fault tolerant system capable of handling self-testing and self-recovery using runtime partial reconfiguration. Reconfiguration is guided by resource grouping procedures which employ non-linear measurements given by the constructive property of f-disjunctness to extend runtime resilience to a large fault space and realize a favorable range of tradeoffs. Disjunct designs are created using the mosaic convergence algorithm developed such that at least one configuration in the library evades any occurrence of up to d resource faults, where d is lower-bounded by f. Experimental results for a set of MCNC and ISCAS benchmarks have demonstrated f-diagnosability at the individual slice level with average isolation resolution of 96.4% (94.4%) for f=1 (f=2) while incurring an average critical path delay impact of only 1.49% and area cost roughly comparable to conventional 2-MR approaches. Finally, the proposed Design Disjunction method is evaluated as a design-time method to improve timing yield in the presence of large random within-die (WID) process variations for application with a moderately high production capacity