Fuzzy approach to multimedia faulty module replacement

For non-real time multimedia systems, we present a fuzzy approach to replacing the faulty module. After analyzing the nature of the random and pseudo-random test sequences applied to a module under test, we obtain the aliasing fault coverage between the random and pseudo-random sequences. The activity probability features of intermittent faults in the module under test are discussed based on the Markov chain model. Results on real examples are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed fuzzy replacement approac

Transit least-squares survey - I. Discovery and validation of an Earth-sized planet in the four-planet system K2-32 near the 1:2:5:7 resonance

We apply, for the first time, the Transit Least Squares (TLS) algorithm to search for new transiting exoplanets. TLS is a successor to the Box Least Squares (BLS) algorithm, which has served as a standard tool for the detection of periodic transits. In this proof-of-concept paper, we demonstrate how TLS finds small planets that have previously been missed. We showcase TLS' capabilities using the K2 EVEREST-detrended light curve of the star K2-32 (EPIC205071984) that was known to have three transiting planets. TLS detects these known Neptune-sized planets K2-32b, d, and c in an iterative search and finds an additional transit signal with a high signal detection efficiency (SDE_TLS) of 26.1 at a period of 4.34882 (-0.00075, +0.00069) d. We show that this signal remains detectable (SDE_TLS = 13.2) with TLS in the K2SFF light curve of K2-32, which includes a less optimal detrending of the systematic trends. The signal is below common detection thresholds, however, if searched with BLS in the K2SFF light curve (SDE_BLS = 8.9) as in previous searches. Markov Chain Monte Carlo sampling shows that the radius of this candidate is 1.01 (-0.09, +0.10) Earth radii. We analyze its phase-folded transit light curve using the vespa software and calculate a false positive probability FPP = 3.1e-3, formally validating K2-32e as a planet. Taking into account the multiplicity boost of the system, FPP < 3.1e-4. K2-32 now hosts at least four planets that are very close to a 1:2:5:7 mean motion resonance chain. The offset of the orbital periods of K2-32e and b from a 1:2 mean motion resonance is in very good agreement with the sample of transiting multi-planet systems from Kepler, lending further credence to the planetary nature of K2-32e. We expect that TLS can find many more transits of Earth-sized and smaller planets in the Kepler data that have hitherto remained undetected with BLS and similar algorithms.Comment: published in A&A, Vol. 625, id. A31 , 8 pages, 6 colored figure

A Physical Unclonable Function derived from the power distribution system of an integrated circuit

Hardware support for security mechanisms such as authentication, cryptographic protocols, digital rights management and hardware metering depend heavily on the security of embedded secret keys. The current practice of embedding these keys as digital data in the Integrated Circuit (IC) weakens security because the keys can be learned through attacks. Physical Unclonable Functions (PUFs) are a recently- proposed alternative to storing digital keys on the IC. A PUF leverages the inherent manufacturing variations of an IC to define a random function. However, poor performance under PUF quality criteria such as the level of randomness and reproducibility in the responses have detracted from their adoption and widespread use. In this dissertation, I propose several ways to define a novel PUF using the Power Distribution System (PDS) of an IC. First, I describe the hardware primitive and test setup that is required to obtain the PUF responses. Then, I evaluate the analog PUF responses from silicon against standard PUF quality metrics in order to qualify the strengths and weaknesses of the proposed PUF. I show that the analog PUFs ex- hibit very high levels of randomness and reproducibility, but are sensitive to changes in temperature. Next, I propose extensions to our PUF that enable an exponential number of Challenge/Response Pairs (CRPs) with respect to the number of hardware resources, as well as yielding a marginal increase in the level of randomness. I also use these same analog measurements from silicon to simulate an integrated implementation of the PUF that takes a digital challenge and returns a digital response. I show that the integrated architecture also exhibits high levels of randomness and reproducibility, and is also resistant to changes in temperature. Future work includes designing and building a new IC that implements a more powerful hardware primitive that will improve both the number and accuracy of the measurements, as well as additional hardware that will allow the challenge and response generation to be performed on-chip

Fast, large volume, GPU enabled simulations for the Ly-alpha forest: power spectrum forecasts for baryon acoustic oscillation experiments

High redshift measurements of the baryonic acoustic oscillation scale (BAO) from large Ly-alpha forest surveys represent the next frontier of dark energy studies. As part of this effort, efficient simulations of the BAO signature from the Ly-alpha forest will be required. We construct a model for producing fast, large volume simulations of the Ly-alpha forest for this purpose. Utilising a calibrated semi-analytic approach, we are able to run very large simulations in 1 Gpc^3 volumes which fully resolve the Jeans scale in less than a day on a desktop PC using a GPU enabled version of our code. The Ly-alpha forest spectra extracted from our semi-analytical simulations are in excellent agreement with those obtained from a fully hydrodynamical reference simulation. Furthermore, we find our simulated data are in broad agreement with observational measurements of the flux probability distribution and 1D flux power spectrum. We are able to correctly recover the input BAO scale from the 3D Ly-alpha flux power spectrum measured from our simulated data, and estimate that a BOSS-like 10^4 deg^2 survey with ~15 background sources per square degree and a signal-to-noise of ~5 per pixel should achieve a measurement of the BAO scale to within ~1.4 per cent. We also use our simulations to provide simple power-law expressions for estimating the fractional error on the BAO scale on varying the signal-to-noise and the number density of background sources. The speed and flexibility of our approach is well suited for exploring parameter space and the impact of observational and astrophysical systematics on the recovery of the BAO signature from forthcoming large scale spectroscopic surveys.Comment: 16 pages, 11 figures, accepted to MNRA

Towards modeling complex robot training tasks through system identification

Previous research has shown that sensor-motor tasks in mobile robotics applications can be modelled automatically, using NARMAX system identi�cation, where the sensory perception of the robot is mapped to the desired motor commands using non-linear polynomial functions, resulting in a tight coupling between sensing and acting | the robot responds directly to the sensor stimuli without having internal states or memory. However, competences such as for instance sequences of actions, where actions depend on each other, require memory and thus a representation of state. In these cases a simple direct link between sensory perception and the motor commands may not be enough to accomplish the desired tasks. The contribution to knowledge of this paper is to show how fundamental, simple NARMAX models of behaviour can be used in a bootstrapping process to generate complex behaviours that were so far beyond reach. We argue that as the complexity of the task increases, it is important to estimate the current state of the robot and integrate this information into the system identification process. To achieve this we propose a novel method which relates distinctive locations in the environment to the state of the robot, using an unsupervised clustering algorithm. Once we estimate the current state of the robot accurately, we combine the state information with the perception of the robot through a bootstrapping method to generate more complex robot tasks: We obtain a polynomial model which models the complex task as a function of predefined low level sensor motor controllers and raw sensory data. The proposed method has been used to teach Scitos G5 mobile robots a number of complex tasks, such as advanced obstacle avoidance, or complex route learning

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.