Cross-layer Soft Error Analysis and Mitigation at Nanoscale Technologies

This thesis addresses the challenge of soft error modeling and mitigation in nansoscale technology nodes and pushes the state-of-the-art forward by proposing novel modeling, analyze and mitigation techniques. The proposed soft error sensitivity analysis platform accurately models both error generation and propagation starting from a technology dependent device level simulations all the way to workload dependent application level analysis

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems

Extensive SEU impact analysis of a PIC microprocessor for selective hardening

In order to increase the robustness of a circuit against SEUs, fault injection is commonly used to locate weak areas. autonomous emulation is a very powerful tool to locate these areas by executing huge fault injection campaigns. In this work, fault injection has been extensively applied to a PIC18 microprocessor, while executing three different workloads. A 80 million fault campaign has been performed, and results show that a failure rate lower than 1% can be obtained by hardening a 24% of the circuit flip-flops, for the given applications

INVESTIGATING THE EFFECTS OF SINGLE-EVENT UPSETS IN STATIC AND DYNAMIC REGISTERS

Radiation-induced single-event upsets (SEUs) pose a serious threat to the reliability of registers. The existing SEU analyses for static CMOS registers focus on the circuit-level impact and may underestimate the pertinent SEU information provided through node analysis. This thesis proposes SEU node analysis to evaluate the sensitivity of static registers and apply the obtained node information to improve the robustness of the register through selective node hardening (SNH) technique. Unlike previous hardening techniques such as the Triple Modular Redundancy (TMR) and the Dual Interlocked Cell (DICE) latch, the SNH method does not introduce larger area overhead. Moreover, this thesis also explores the impact of SEUs in dynamic flip-flops, which are appealing for the design of high-performance microprocessors. Previous work either uses the approaches for static flip-flops to evaluate SEU effects in dynamic flip-flops or overlook the SEU injected during the precharge phase. In this thesis, possible SEU sensitive nodes in dynamic flip-flops are re-examined and their window of vulnerability (WOV) is extended. Simulation results for SEU analysis in non-hardened dynamic flip-flops reveal that the last 55.3 % of the precharge time and a 100% evaluation time are affected by SEUs

Design of a Digital Temperature Sensor based on Thermal Diffusivity in a Nanoscale CMOS Technology

Temperature sensors are widely used in microprocessors to monitor on-chip temperature gradients and hot-spots, which are known to negatively impact reliability. Such sensors should be small to facilitate floor planning, fast to track millisecond thermal transients, and easy to trim to reduce the associated costs. Recently, it has been shown that thermal diffusivity (TD) sensors can meet these requirements. These sensors operate by digitalizing the temperature-dependent delay associated with the diffusion of heat pulses through an electro-thermal filter (ETF), which, in standard CMOS, can be readily implemented as a resistive heater surrounded by a thermopile. Unlike BJT-based temperature sensors, their accuracy actually improves with CMOS scaling, since it is mainly limited by the accuracy of the heather/thermopile spacing. In this work is presented the electrical design of an highly digital TD sensor in 0.13 µm CMOS with an accuracy better than 1 ºC resolution at with 1 kS/s sampling rate, and which compares favourably to state-of-the-art sensors with similar accuracy and sampling rates [1][2][3][4]. This advance is mainly enabled by the adoption of a highly digital CCO-based phasedomain ΔΣ ADC. The TD sensor presented consists of an ETF, a transconductance stage, a current-controlled oscillator (CCO) and a 6 bit digital counter. In order to be easily ported to nanoscale CMOS technologies, it is proposed to use a sigmadelta modulator based on a CCO as an alternative to traditional modulators. And since 70% of the sensor’s area is occupied by digital circuitry, porting the sensor to latest CMOS technologies process should reduce substantially the occupied die area, and thus reduce significantly the total sensor area

Hardware Fault Injection

Hardware fault injection is the widely accepted approach to evaluate the behavior of a circuit in the presence of faults. Thus, it plays a key role in the design of robust circuits. This chapter presents a comprehensive review of hardware fault injection techniques, including physical and logical approaches. The implementation of effective fault injection systems is also analyzed. Particular emphasis is made on the recently developed emulation-based techniques, which can provide large flexibility along with unprecedented levels of performance. These capabilities provide a way to tackle reliability evaluation of complex circuits.Publicad

Runtime Monitoring for Dependable Hardware Design

Mit dem Voranschreiten der Technologieskalierung und der Globalisierung der Produktion von integrierten Schaltkreisen eröffnen sich eine Fülle von Schwachstellen bezüglich der Verlässlichkeit von Computerhardware. Jeder Mikrochip wird aufgrund von Produktionsschwankungen mit einem einzigartigen Charakter geboren, welcher sich durch seine Arbeitsbedingungen, Belastung und Umgebung in individueller Weise entwickelt. Daher sind deterministische Modelle, welche zur Entwurfszeit die Verlässlichkeit prognostizieren, nicht mehr ausreichend um Integrierte Schaltkreise mit Nanometertechnologie sinnvoll abbilden zu können. Der Bedarf einer Laufzeitanalyse des Zustandes steigt und mit ihm die notwendigen Maßnahmen zum Erhalt der Zuverlässigkeit. Transistoren sind anfällig für auslastungsbedingte Alterung, die die Laufzeit der Schaltung erhöht und mit ihr die Möglichkeit einer Fehlberechnung. Hinzu kommen spezielle Abläufe die das schnelle Altern des Chips befördern und somit seine zuverlässige Lebenszeit reduzieren. Zusätzlich können strahlungsbedingte Laufzeitfehler (Soft-Errors) des Chips abnormales Verhalten kritischer Systeme verursachen. Sowohl das Ausbreiten als auch das Maskieren dieser Fehler wiederum sind abhängig von der Arbeitslast des Systems. Fabrizierten Chips können ebenfalls vorsätzlich während der Produktion boshafte Schaltungen, sogenannte Hardwaretrojaner, hinzugefügt werden. Dies kompromittiert die Sicherheit des Chips. Da diese Art der Manipulation vor ihrer Aktivierung kaum zu erfassen ist, ist der Nachweis von Trojanern auf einem Chip direkt nach der Produktion extrem schwierig. Die Komplexität dieser Verlässlichkeitsprobleme machen ein einfaches Modellieren der Zuverlässigkeit und Gegenmaßnahmen ineffizient. Sie entsteht aufgrund verschiedener Quellen, eingeschlossen der Entwicklungsparameter (Technologie, Gerät, Schaltung und Architektur), der Herstellungsparameter, der Laufzeitauslastung und der Arbeitsumgebung. Dies motiviert das Erforschen von maschinellem Lernen und Laufzeitmethoden, welche potentiell mit dieser Komplexität arbeiten können. In dieser Arbeit stellen wir Lösungen vor, die in der Lage sind, eine verlässliche Ausführung von Computerhardware mit unterschiedlichem Laufzeitverhalten und Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Wir entwickelten Techniken des maschinellen Lernens um verschiedene Zuverlässigkeitseffekte zu modellieren, zu überwachen und auszugleichen. Verschiedene Lernmethoden werden genutzt, um günstige Überwachungspunkte zur Kontrolle der Arbeitsbelastung zu finden. Diese werden zusammen mit Zuverlässigkeitsmetriken, aufbauend auf Ausfallsicherheit und generellen Sicherheitsattributen, zum Erstellen von Vorhersagemodellen genutzt. Des Weiteren präsentieren wir eine kosten-optimierte Hardwaremonitorschaltung, welche die Überwachungspunkte zur Laufzeit auswertet. Im Gegensatz zum aktuellen Stand der Technik, welcher mikroarchitektonische Überwachungspunkte ausnutzt, evaluieren wir das Potential von Arbeitsbelastungscharakteristiken auf der Logikebene der zugrundeliegenden Hardware. Wir identifizieren verbesserte Features auf Logikebene um feingranulare Laufzeitüberwachung zu ermöglichen. Diese Logikanalyse wiederum hat verschiedene Stellschrauben um auf höhere Genauigkeit und niedrigeren Overhead zu optimieren. Wir untersuchten die Philosophie, Überwachungspunkte auf Logikebene mit Hilfe von Lernmethoden zu identifizieren und günstigen Monitore zu implementieren um eine adaptive Vorbeugung gegen statisches Altern, dynamisches Altern und strahlungsinduzierte Soft-Errors zu schaffen und zusätzlich die Aktivierung von Hardwaretrojanern zu erkennen. Diesbezüglich haben wir ein Vorhersagemodell entworfen, welches den Arbeitslasteinfluss auf alterungsbedingte Verschlechterungen des Chips mitverfolgt und dazu genutzt werden kann, dynamisch zur Laufzeit vorbeugende Techniken, wie Task-Mitigation, Spannungs- und Frequenzskalierung zu benutzen. Dieses Vorhersagemodell wurde in Software implementiert, welche verschiedene Arbeitslasten aufgrund ihrer Alterungswirkung einordnet. Um die Widerstandsfähigkeit gegenüber beschleunigter Alterung sicherzustellen, stellen wir eine Überwachungshardware vor, welche einen Teil der kritischen Flip-Flops beaufsichtigt, nach beschleunigter Alterung Ausschau hält und davor warnt, wenn ein zeitkritischer Pfad unter starker Alterungsbelastung steht. Wir geben die Implementierung einer Technik zum Reduzieren der durch das Ausführen spezifischer Subroutinen auftretenden Belastung von zeitkritischen Pfaden. Zusätzlich schlagen wir eine Technik zur Abschätzung von online Soft-Error-Schwachstellen von Speicherarrays und Logikkernen vor, welche auf der Überwachung einer kleinen Gruppe Flip-Flops des Entwurfs basiert. Des Weiteren haben wir eine Methode basierend auf Anomalieerkennung entwickelt, um Arbeitslastsignaturen von Hardwaretrojanern während deren Aktivierung zur Laufzeit zu erkennen und somit eine letzte Verteidigungslinie zu bilden. Basierend auf diesen Experimenten demonstriert diese Arbeit das Potential von fortgeschrittener Feature-Extraktion auf Logikebene und lernbasierter Vorhersage basierend auf Laufzeitdaten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Harwareentwürfen