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.

Experimental analysis of computer system dependability

This paper reviews an area which has evolved over the past 15 years: experimental analysis of computer system dependability. Methodologies and advances are discussed for three basic approaches used in the area: simulated fault injection, physical fault injection, and measurement-based analysis. The three approaches are suited, respectively, to dependability evaluation in the three phases of a system's life: design phase, prototype phase, and operational phase. Before the discussion of these phases, several statistical techniques used in the area are introduced. For each phase, a classification of research methods or study topics is outlined, followed by discussion of these methods or topics as well as representative studies. The statistical techniques introduced include the estimation of parameters and confidence intervals, probability distribution characterization, and several multivariate analysis methods. Importance sampling, a statistical technique used to accelerate Monte Carlo simulation, is also introduced. The discussion of simulated fault injection covers electrical-level, logic-level, and function-level fault injection methods as well as representative simulation environments such as FOCUS and DEPEND. The discussion of physical fault injection covers hardware, software, and radiation fault injection methods as well as several software and hybrid tools including FIAT, FERARI, HYBRID, and FINE. The discussion of measurement-based analysis covers measurement and data processing techniques, basic error characterization, dependency analysis, Markov reward modeling, software-dependability, and fault diagnosis. The discussion involves several important issues studies in the area, including fault models, fast simulation techniques, workload/failure dependency, correlated failures, and software fault tolerance

ECLSS advanced automation preliminary requirements

A description of the total Environmental Control and Life Support System (ECLSS) is presented. The description of the hardware is given in a top down format, the lowest level of which is a functional description of each candidate implementation. For each candidate implementation, both its advantages and disadvantages are presented. From this knowledge, it was suggested where expert systems could be used in the diagnosis and control of specific portions of the ECLSS. A process to determine if expert systems are applicable and how to select the expert system is also presented. The consideration of possible problems or inconsistencies in the knowledge or workings in the subsystems is described

A bearing fault detection method with low-dimensional compressed measurements of vibration signal

The traditional bearing fault detection method is achieved often by sampling the bearing vibration data under the Shannon sampling theorem. Then the information of the bearing state can be extracted from the vibration data, which is used in fault detection. A long-term and continuous monitoring needs to sample and store large amounts of raw vibration signals, which will burden the data storage and transmission greatly. For this problem, a new bearing fault detection method based on compressed sensing is presented, which just needs to sample and store a small amount of compressed observation data and uses these data directly to achieve the fault detection. Firstly, an over-complete dictionary is trained, on which the vibration signals corresponded to normal state can be decomposed sparsely. Then, the bearing fault detection can be achieved based on the difference of the sparse representation errors between the compressed signals in normal state and fault state on this dictionary. The fault detection results of the proposed method with different parameters are analyzed. The effectiveness of the method is validated by the experimental tests

Machine Tool Communication (MTComm) Method and Its Applications in a Cyber-Physical Manufacturing Cloud

The integration of cyber-physical systems and cloud manufacturing has the potential to revolutionize existing manufacturing systems by enabling better accessibility, agility, and efficiency. To achieve this, it is necessary to establish a communication method of manufacturing services over the Internet to access and manage physical machines from cloud applications. Most of the existing industrial automation protocols utilize Ethernet based Local Area Network (LAN) and are not designed specifically for Internet enabled data transmission. Recently MTConnect has been gaining popularity as a standard for monitoring status of machine tools through RESTful web services and an XML based messaging structure, but it is only designed for data collection and interpretation and lacks remote operation capability. This dissertation presents the design, development, optimization, and applications of a service-oriented Internet-scale communication method named Machine Tool Communication (MTComm) for exchanging manufacturing services in a Cyber-Physical Manufacturing Cloud (CPMC) to enable manufacturing with heterogeneous physically connected machine tools from geographically distributed locations over the Internet. MTComm uses an agent-adapter based architecture and a semantic ontology to provide both remote monitoring and operation capabilities through RESTful services and XML messages. MTComm was successfully used to develop and implement multi-purpose applications in in a CPMC including remote and collaborative manufacturing, active testing-based and edge-based fault diagnosis and maintenance of machine tools, cross-domain interoperability between Internet-of-things (IoT) devices and supply chain robots etc. To improve MTComm’s overall performance, efficiency, and acceptability in cyber manufacturing, the concept of MTComm’s edge-based middleware was introduced and three optimization strategies for data catching, transmission, and operation execution were developed and adopted at the edge. Finally, a hardware prototype of the middleware was implemented on a System-On-Chip based FPGA device to reduce computational and transmission latency. At every stage of its development, MTComm’s performance and feasibility were evaluated with experiments in a CPMC testbed with three different types of manufacturing machine tools. Experimental results demonstrated MTComm’s excellent feasibility for scalable cyber-physical manufacturing and superior performance over other existing approaches

Constraint-driven RF test stimulus generation and built-in test

With the explosive growth in wireless applications, the last decade witnessed an ever-increasing test challenge for radio frequency (RF) circuits. While the design community has pushed the envelope far into the future, by expanding CMOS process to be used with high-frequency wireless devices, test methodology has not advanced at the same pace. Consequently, testing such devices has become a major bottleneck in high-volume production, further driven by the growing need for tighter quality control. RF devices undergo testing during the prototype phase and during high-volume manufacturing (HVM). The benchtop test equipment used throughout prototyping is very precise yet specialized for a subset of functionalities. HVM calls for a different kind of test paradigm that emphasizes throughput and sufficiency, during which the projected performance parameters are measured one by one for each device by automated test equipment (ATE) and compared against defined limits called specifications. The set of tests required for each product differs greatly in terms of the equipment required and the time taken to test individual devices. Together with signal integrity, precision, and repeatability concerns, the initial cost of RF ATE is prohibitively high. As more functionality and protocols are integrated into a single RF device, the required number of specifications to be tested also increases, adding to the overall cost of testing, both in terms of the initial and recurring operating costs. In addition to the cost problem, RF testing proposes another challenge when these components are integrated into package-level system solutions. In systems-on-packages (SOP), the test problems resulting from signal integrity, input/output bandwidth (IO), and limited controllability and observability have initiated a paradigm shift in high-speed analog testing, favoring alternative approaches such as built-in tests (BIT) where the test functionality is brought into the package. This scheme can make use of a low-cost external tester connected through a low-bandwidth link in order to perform demanding response evaluations, as well as make use of the analog-to-digital converters and the digital signal processors available in the package to facilitate testing. Although research on analog built-in test has demonstrated hardware solutions for single specifications, the paradigm shift calls for a rather general approach in which a single methodology can be applied across different devices, and multiple specifications can be verified through a single test hardware unit, minimizing the area overhead. Specification-based alternate test methodology provides a suitable and flexible platform for handling the challenges addressed above. In this thesis, a framework that integrates ATE and system constraints into test stimulus generation and test response extraction is presented for the efficient production testing of high-performance RF devices using specification-based alternate tests. The main components of the presented framework are as follows: Constraint-driven RF alternate test stimulus generation: An automated test stimulus generation algorithm for RF devices that are evaluated by a specification-based alternate test solution is developed. The high-level models of the test signal path define constraints in the search space of the optimized test stimulus. These models are generated in enough detail such that they inherently define limitations of the low-cost ATE and the I/O restrictions of the device under test (DUT), yet they are simple enough that the non-linear optimization problem can be solved empirically in a reasonable amount of time. Feature extractors for BIT: A methodology for the built-in testing of RF devices integrated into SOPs is developed using additional hardware components. These hardware components correlate the high-bandwidth test response to low bandwidth signatures while extracting the test-critical features of the DUT. Supervised learning is used to map these extracted features, which otherwise are too complicated to decipher by plain mathematical analysis, into the specifications under test. Defect-based alternate testing of RF circuits: A methodology for the efficient testing of RF devices with low-cost defect-based alternate tests is developed. The signature of the DUT is probabilistically compared with a class of defect-free device signatures to explore possible corners under acceptable levels of process parameter variations. Such a defect filter applies discrimination rules generated by a supervised classifier and eliminates the need for a library of possible catastrophic defects.Ph.D.Committee Chair: Chatterjee, Abhijit; Committee Member: Durgin, Greg; Committee Member: Keezer, David; Committee Member: Milor, Linda; Committee Member: Sitaraman, Sures

Fourth Conference on Artificial Intelligence for Space Applications

Proceedings of a conference held in Huntsville, Alabama, on November 15-16, 1988. The Fourth Conference on Artificial Intelligence for Space Applications brings together diverse technical and scientific work in order to help those who employ AI methods in space applications to identify common goals and to address issues of general interest in the AI community. Topics include the following: space applications of expert systems in fault diagnostics, in telemetry monitoring and data collection, in design and systems integration; and in planning and scheduling; knowledge representation, capture, verification, and management; robotics and vision; adaptive learning; and automatic programming

Machine Tool Communication (MTComm) Method and Its Applications in a Cyber-Physical Manufacturing Cloud

The integration of cyber-physical systems and cloud manufacturing has the potential to revolutionize existing manufacturing systems by enabling better accessibility, agility, and efficiency. To achieve this, it is necessary to establish a communication method of manufacturing services over the Internet to access and manage physical machines from cloud applications. Most of the existing industrial automation protocols utilize Ethernet based Local Area Network (LAN) and are not designed specifically for Internet enabled data transmission. Recently MTConnect has been gaining popularity as a standard for monitoring status of machine tools through RESTful web services and an XML based messaging structure, but it is only designed for data collection and interpretation and lacks remote operation capability. This dissertation presents the design, development, optimization, and applications of a service-oriented Internet-scale communication method named Machine Tool Communication (MTComm) for exchanging manufacturing services in a Cyber-Physical Manufacturing Cloud (CPMC) to enable manufacturing with heterogeneous physically connected machine tools from geographically distributed locations over the Internet. MTComm uses an agent-adapter based architecture and a semantic ontology to provide both remote monitoring and operation capabilities through RESTful services and XML messages. MTComm was successfully used to develop and implement multi-purpose applications in in a CPMC including remote and collaborative manufacturing, active testing-based and edge-based fault diagnosis and maintenance of machine tools, cross-domain interoperability between Internet-of-things (IoT) devices and supply chain robots etc. To improve MTComm’s overall performance, efficiency, and acceptability in cyber manufacturing, the concept of MTComm’s edge-based middleware was introduced and three optimization strategies for data catching, transmission, and operation execution were developed and adopted at the edge. Finally, a hardware prototype of the middleware was implemented on a System-On-Chip based FPGA device to reduce computational and transmission latency. At every stage of its development, MTComm’s performance and feasibility were evaluated with experiments in a CPMC testbed with three different types of manufacturing machine tools. Experimental results demonstrated MTComm’s excellent feasibility for scalable cyber-physical manufacturing and superior performance over other existing approaches

The Use of Microprocessor Trace Infrastructures for Radiation-Induced Fault Diagnosis

This work proposes a methodology to diagnoseradiation-induced faults in a microprocessor using the hardwaretrace infrastructure. The diagnosis capabilities of this approachare demonstrated for an ARM microprocessor under neutronand proton irradiation campaigns. The experimental resultsdemonstrate that the execution status in the precise moment thatthe error occurred can be reconstructed, so that error diagnosiscan be achieved