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

Exploiting partial reconfiguration through PCIe for a microphone array network emulator

The current Microelectromechanical Systems (MEMS) technology enables the deployment of relatively low-cost wireless sensor networks composed of MEMS microphone arrays for accurate sound source localization. However, the evaluation and the selection of the most accurate and power-efficient network’s topology are not trivial when considering dynamic MEMS microphone arrays. Although software simulators are usually considered, they consist of high-computational intensive tasks, which require hours to days to be completed. In this paper, we present an FPGA-based platform to emulate a network of microphone arrays. Our platform provides a controlled simulated acoustic environment, able to evaluate the impact of different network configurations such as the number of microphones per array, the network’s topology, or the used detection method. Data fusion techniques, combining the data collected by each node, are used in this platform. The platform is designed to exploit the FPGA’s partial reconfiguration feature to increase the flexibility of the network emulator as well as to increase performance thanks to the use of the PCI-express high-bandwidth interface. On the one hand, the network emulator presents a higher flexibility by partially reconfiguring the nodes’ architecture in runtime. On the other hand, a set of strategies and heuristics to properly use partial reconfiguration allows the acceleration of the emulation by exploiting the execution parallelism. Several experiments are presented to demonstrate some of the capabilities of our platform and the benefits of using partial reconfiguration

Zero-maintenance of electronic systems: Perspectives, challenges, and opportunities

Self-engineering systems that are capable of repairing themselves in-situ without the need for human decision (or intervention) could be used to achieve zero-maintenance. This philosophy is synonymous to the way in which the human body heals and repairs itself up to a point. This article synthesises issues related to an emerging area of self-healing technologies that links software and hardware mitigations strategies. Efforts are concentrated on built-in detection, masking and active mitigation that comprises self-recovery or self-repair capability, and has a focus on system resilience and recovering from fault events. Design techniques are critically reviewed to clarify the role of fault coverage, resource allocation and fault awareness, set in the context of existing and emerging printable/nanoscale manufacturing processes. The qualitative analysis presents new opportunities to form a view on the research required for a successful integration of zero-maintenance. Finally, the potential cost benefits and future trends are enumerated

Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

Heutzutage bieten field-programmable gate arrays (FPGAs) enorme Rechenleistung und Flexibilität. Zudem sind sie oft auf einem einzigen Chip mit eingebetteten Multicore-Prozessoren, DSP-Engines und Speicher-Controllern integriert. Dadurch sind sie für große und komplexe Anwendungen geeignet. Gleichzeitig führten die Fortschritte auf dem Gebiet der High-Level-Synthese und die Verfügbarkeit standardisierter Schnittstellen (wie etwa das Advanced eXtensible Interface 4) zur Entwicklung spezialisierter und neuartiger Funktionalitäten durch Designhäuser. All dies schuf einen Bedarf für ein Outsourcing der Entwicklung oder die Lizenzierung von FPGA-IPs (Intellectual Property). Ein Pay-per-Use IP-Lizenzierungsmodell, bei dem diese IPs vor allen Marktteilnehmern geschützt sind, kommt den Entwicklern der IPs zugute. Außerdem handelt es sich bei den Entwicklern von FPGA-Systemen in der Regel um kleine bis mittlere Unternehmen, die in Bezug auf die Markteinführungszeit und die Kosten pro Einheit von einem solchen Lizenzierungsmodell profitieren können. Im akademischen Bereich und in der Industrie gibt es mehrere IP-Lizenzierungsmodelle und Schutzlösungen, die eingesetzt werden können, die jedoch mit zahlreichen Sicherheitsproblemen behaftet sind. In einigen Fällen verursachen die vorgeschlagenen Sicherheitsmaßnahmen einen unnötigen Ressourcenaufwand und Einschränkungen für die Systementwickler, d. h., sie können wesentliche Funktionen ihres Geräts nicht nutzen. Darüber hinaus lassen sie zwei funktionale Herausforderungen außer Acht: das Floorplanning der IP auf der programmierbaren Logik (PL) und die Generierung des Endprodukts der IP (Bitstream) unabhängig vom Gesamtdesign. In dieser Arbeit wird ein Pay-per-Use-Lizenzierungsschema vorgeschlagen und unter Verwendung eines security framework (SFW) realisiert, um all diese Herausforderungen anzugehen. Das vorgestellte Schema ist pragmatisch, weniger restriktiv für Systementwickler und bietet Sicherheit gegen IP-Diebstahl. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, um das System vor einem IP zu schützen, das bösartige Schaltkreise enthält. Das „Secure Framework“ umfasst ein vertrauenswürdiges Betriebssystem, ein reichhaltiges Betriebssystem, mehrere unterstützende Komponenten (z. B. TrustZone- Logik, gegen Seitenkanalangriffe (SCA) resistente Entschlüsselungsschaltungen) und Softwarekomponenten, z. B. für die Bitstromanalyse. Ein Gerät, auf dem das SFW läuft, kann als vertrauenswürdiges Gerät betrachtet werden, das direkt mit einem Repository oder einem IP-Core-Entwickler kommunizieren kann, um IPs in verschlüsselter Form zu erwerben. Die Entschlüsselung und Authentifizierung des IPs erfolgt auf dem Gerät, was die Angriffsfläche verringert und es weniger anfällig für IP-Diebstahl macht. Außerdem werden Klartext-IPs in einem geschützten Speicher des vertrauenswürdigen Betriebssystems abgelegt. Das Klartext-IP wird dann analysiert und nur dann auf der programmierbaren Logik konfiguriert, wenn es authentisch ist und keine bösartigen Schaltungen enthält. Die Bitstrom-Analysefunktionalität und die SFW-Unterkomponenten ermöglichen die Partitionierung der PL-Ressourcen in sichere und unsichere Ressourcen, d. h. die Erweiterung desKonzepts der vertrauenswürdigen Ausführungsumgebung (TEE) auf die PL. Dies ist die erste Arbeit, die das TEE-Konzept auf die programmierbare Logik ausweitet. Bei der oben erwähnten SCA-resistenten Entschlüsselungsschaltung handelt es sich um die Implementierung des Advanced Encryption Standard, der so modifiziert wurde, dass er gegen elektromagnetische und stromverbrauchsbedingte Leckagen resistent ist. Das geschützte Design verfügt über zwei Gegenmaßnahmen, wobei die erste auf einer Vielzahl unterschiedler Implementierungsvarianten und veränderlichen Zielpositionen bei der Konfiguration basiert, während die zweite nur unterschiedliche Implementierungsvarianten verwendet. Diese Gegenmaßnahmen sind auch während der Laufzeit skalierbar. Bei der Bewertung werden auch die Auswirkungen der Skalierbarkeit auf den Flächenbedarf und die Sicherheitsstärke berücksichtigt. Darüber hinaus wird die zuvor erwähnte funktionale Herausforderung des IP Floorplanning durch den Vorschlag eines feinkörnigen Automatic Floorplanners angegangen, der auf gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung basiert und aktuelle FPGAGenerationen mit größeren und komplexen Bausteine unterstützt. Der Floorplanner bildet eine Reihe von IPs auf dem FPGA ab, indem er präzise rekonfigurierbare Regionen schafft. Dadurch werden die verbleibenden verfügbaren Ressourcen für das Gesamtdesign maximiert. Die zweite funktionale Herausforderung besteht darin, dass die vorhandenen Tools keine native Funktionalität zur Erzeugung von IPs in einer eigenständigen Umgebung bieten. Diese Herausforderung wird durch den Vorschlag eines unabhängigen IP-Generierungsansatzes angegangen. Dieser Ansatz kann von den Marktteilnehmern verwendet werden, um IPs eines Entwurfs unabhängig vom Gesamtentwurf zu generieren, ohne die Kompatibilität der IPs mit dem Gesamtentwurf zu beeinträchtigen

Header Parsing Logic in Network Switches Using Fine and Coarse-Grained Dynamic Reconfiguration Strategies

Current ASIC only designs which interface with a general purpose processor are fairly restricted as far as their ability to be upgraded after fabrication. The primary intent of the research documented in this thesis is to determine if the inclusion of FPGAs in existing ASIC designs can be considered as an option for alleviating this constraint by analyzing the performance of such a framework as a replacement for the parsing logic in a typical network switch. This thesis also covers an ancilliary goal of the research which is to compare the various methods used to reconfigure modern FPGAs, including the use of self initiated dynamic partial reconfiguration, in regards to the degree in which they interrupt the operation of the device in which an FPGA is embedded. This portion of the research is also conducted in the context of a network switch and focuses on the ability of the network switch to reconfigure itself dynamically when presented with a new type of network traffic

New Design Techniques for Dynamic Reconfigurable Architectures

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Методи та засоби підвищення ефективності обробки інформації в реконфігуровних комп’ютерних системах на базі ПЛІС

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що полягає в розвитку теорії організації обробки інформації в комп’ютерних системах на ПЛІС з урахуванням їх функціональних та апаратурних обмежень. Запропоновані методи та засоби включають в себе взаємозв’язані вирішення завдань оптимізації процесу обробки інформації шляхом визначення оптимальної зернистості обчислень, а також зменшення накладних витрат процесу відображення задач на реконфігуровне обчислювальне середовище, що в цілому забезпечує підвищення ефективності обробки інформації в реконфігуровних обчислювальних системах на ПЛІС. Запропоновано нову стратегію взаємної адаптації розв’язуваних задач і обчислювального середовища на ПЛІС, що ґрунтується на варіюванні зернистістю обчислень під час розв’язання задач великої розмірності, та вдосконалено концепцію реалізації локальних розподілених засобів керування відображенням задач на реконфігуровне обчислювальне середовище, що підвищує ефективність врахування фізичних параметрів кристалів ПЛІС на всіх рівнях реалізації реконфігуровних комп’ютерних систем