Approximate hardening techniques for digital signal processing circuits against radiation-induced faults

RESUMEN NO TÉCNICO. Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen de su posición, en un proceso llamado ionización. La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran altitud. Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante Total (TID por sus siglas en inglés), o por distorsiones en el silicio sobre el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o fallos destructivos en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE por sus siglas en inglés). Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación. Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP por sus siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas electrónicos cotidianos. En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento frente a la Radiación Por Diseño (RHBD por sus siglas en inglés). Estas técnicas permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan los sistemas modernos. En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes Comerciales (COTS por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD. Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante, Duplicación Con Comparación [DWC]) o llegar incluso a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR) en todas sus variantes. El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de recursos de las utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA comerciales, dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos de prueba endurecidos mediante TMR y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos (ORCA): • La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito original. De este modo se pueden disminuir los recursos necesitados por el circuito, aunque las correcciones en caso de fallo son menos precisas que en el TMR. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. • La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en esta tesis. Está pensada para algoritmos que trabajan con información en forma de paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí. Las réplicas redundantes calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales, lo que reduce su tamaño y permite correcciones aproximadas en caso de fallo. • La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas anteriores. Las réplicas redundantes se forman como bloques que calculan resultados intermedios y el resultado de su composición se puede comparar con el resultado original. Este método permite reducir recursos y proporciona resultados de corrección exactos en la mayor parte de los casos, lo que supone una mejora importante con respecto a las correcciones de los métodos anteriores. La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. En concreto, se han realizado ensayos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y ensayos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido).RESUMEN TÉCNICO. Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen de su posición, en un proceso llamado ionización. La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran altitud. Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante Total (TID, Total Ionizing Dose), o por distorsiones acumuladas en la matriz cristalina del silicio en el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD, Displacement Damage). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o la activación de circuitos parasitarios en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE, Single Event Effects). Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación. Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP, por sus siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas electrónicos cotidianos. En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento frente a la Radiación Por Diseño (RHBD, por sus siglas en inglés). Estas técnicas permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan los sistemas modernos. En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes Comerciales (COTS, por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD. Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante, Duplicación Con Comparación [DWC, Duplication With Comparison]) o llegar incluso a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR, Triple Modular Redundancy) en todas sus variantes. El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de recursos de las técnicas utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA (Field Programmable Gate Array) comerciales. Las FPGA son dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales diseñados a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. Su capacidad de reconfiguración y sus altas prestaciones las convierten en dispositivos muy interesantes para aplicaciones espaciales, donde realizar cambios en los diseños no suele ser posible una vez comenzada la misión. La reconfigurabilidad de las FPGA permite corregir en remoto posibles problemas en el diseño, pero también añadir o modificar funcionalidades a los circuitos implementados en el sistema. La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas e implementadas en FPGAs se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. Los ensayos de radiación son el estándar industrial para probar el comportamiento de todos los sistemas electrónicos que se envían a una misión espacial. Con estos ensayos se trata de emular de manera acelerada las condiciones de radiación a las que se verán sometidos los sistemas una vez hayan sido lanzados y determinar su resistencia a TID, DD y/o SEEs. Dependiendo del efecto que se quiera observar, las partículas elegidas para la radiación varían, pudiendo elegirse entre electrones, neutrones, protones, iones pesados, fotones... Particularmente, los ensayos de radiación realizados en este trabajo, tratándose de un estudio de técnicas de endurecimiento para sistemas electrónicos digitales, están destinados a establecer la sensibilidad de los circuitos estudiados frente a un tipo de SEE conocido como Single Event Upset (SEU), en el que la radiación modifica el valor lógico de un elemento de memoria. Para ello, hemos recurrido a experimentos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA, España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y experimentos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido). La sensibilidad de un circuito suele medirse en términos de su sección eficaz (cross section) con respecto a una partícula determinada, calculada como el cociente entre el número de fallos encontrados y el número de partículas ionizantes por unidad de área utilizadas en la campaña de radiación. Esta métrica sirve para estimar el número de fallos que provocará la radiación a lo largo de la vida útil del sistema, pero también para establecer comparaciones que permitan conocer la eficacia de los sistemas de endurecimiento implementados y ayudar a mejorarlos. El método de inyección de fallos utilizado en esta Tesis como complemento a la radiación se basa en modificar el valor lógico de los datos almacenados en la memoria de configuración de la FPGA. En esta memoria se guarda la descripción del funcionamiento del circuito implementado en la FPGA, por lo que modificar sus valores equivale a modificar el circuito. En FPGAs que utilizan la tecnología SRAM en sus memorias de configuración, como las utilizadas en esta Tesis, este es el componente más sensible a la radiación, por lo que es posible comparar los resultados de la inyección de fallos y de las campañas de radiación. Análogamente a la sección eficaz, en experimentos de inyección de fallos podemos hablar de la tasa de error, calculada como el cociente entre el número de fallos encontrados y la cantidad de bits de memoria inyectados. A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos endurecidos mediante Redundancia Modular Triple y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos (ORCA). Estas dos últimas son contribuciones originales presentadas en esta Tesis. • La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito original. Para cada dato de salida se comparan el resultado del circuito original y los dos resultados de precisión reducida. Si los dos resultados de precisión reducida son idénticos y su diferencia con el resultado de precisión completa es mayor que un determinado valor umbral, se considera que existe un fallo en el circuito original y se utiliza el resultado de precisión reducida para corregirlo. En cualquier otro caso, el resultado original se considera correcto, aunque pueda contener errores tolerables por debajo del umbral de comparación. En comparación con un circuito endurecido con TMR, los diseños RPR utilizan menos recursos, debido a la reducción en la precisión de los cálculos de los circuitos redundantes. No obstante, esto también afecta a la calidad de los resultados obtenidos cuando se corrige un error. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. En esta variante de la técnica RPR, los resultados de cada etapa de cálculo en los circuitos redundantes tienen una precisión diferente, incrementándose hacia las últimas etapas, en las que el resultado tiene la misma precisión que el circuito original. Con este método se logra incrementar la calidad de los datos corregidos a la vez que se reducen los recursos utilizados por el endurecimiento. Los resultados de las campañas de radiación y de inyección de fallos realizadas sobre los diseños endurecidos con RPR sugieren que la reducción de recursos no sólo es beneficiosa por sí misma en términos de recursos y energía utilizados por el sistema, sino que también conlleva una reducción de la sensibilidad de los circuitos, medida tanto en cross section como en tasa de error. • La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en esta tesis. Está indicada para algoritmos que trabajan con información en forma de paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí, como puede ser un algoritmo de procesamiento de imágenes. En la técnica RRR, se añaden dos circuitos redundantes que calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales. Tras el cálculo, los resultados diezmados pueden interpolarse para obtener un resultado aproximado del mismo tamaño que el resultado del circuito original. Una vez interpolados, los resultados de los tres circuitos pueden ser comparados para detectar y corregir fallos de una manera similar a la que se utiliza en la técnica RPR. Aprovechando las características del diseño hardware, la disminución de la cantidad de datos que procesan los circuitos de Resolución Reducida puede traducirse en una disminución de recursos, en lugar de una disminución de tiempo de cálculo. De esta manera, la técnica RRR es capaz de reducir el consumo de recursos en comparación a los que se necesitarían si se utilizase un endurecimiento TMR. Los resultados de los experimentos realizados en diseños endurecidos mediante Redundancia de Resolución Reducida sugieren que la técnica es eficaz en reducir los recursos utilizados y, al igual que pasaba en el caso de la Redundancia de Precisión Reducida, también su sensibilidad se ve reducida, comparada con la sensibilidad del mismo circuito endurecido con Redundancia Modular Triple. Además, se observa una reducción notable de la sensibilidad de los circuitos frente a errores no corregibles, comparado con el mismo resultado en TMR y RPR. Este tipo de error engloba aquellos producidos por fallos en la lógica de comparación y votación o aquellos en los que un único SEU produce fallos en los resultados de dos o más de los circuitos redundantes al mismo tiempo, lo que se conoce como Fallo en Modo Común (CMF). No obstante, también se observa que la calidad de las correcciones realizadas utilizando este método empeora ligeramente. • La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas anteriores. Para endurecer un circuito usando esta técnica, se añaden dos circuitos redundantes diferentes entre sí y que procesan cada uno una parte diferente del conjunto de datos de entrada. Cada uno de estos circuitos aproximados calcula un resultado intermedio. La composición de los dos resultados intermedios da un resultado idéntico al del circuito original en ausencia de fallos. La detección de fallos se realiza comparando el resultado del circuito original con el de la composición de los circuitos aproximados. En caso de ser diferentes, se puede determinar el origen del fallo comparando los resultados aproximados intermedios frente a un umbral. Si la diferencia entre los resultados intermedios supera el umbral, significa que el fallo se ha producido en uno de los circuitos aproximados y que el resultado de la composición no debe ser utilizado en la salida. Al igual que ocurre en la Redundancia de Precisión Reducida y la Redundancia de Resolución Reducida, utilizar un umbral de comparación implica la existencia de errores tolerables. No obstante, esta técnica de endurecimiento permite realizar correcciones exactas, en lugar de aproximadas, en la mayor parte de los casos, lo que mejora la calidad de los resultados con respecto a otras técnicas de endurecimiento aproximadas, al tiempo que reduce los recursos utilizados por el sistema endurecido en comparación con las técnicas tradicionales. Los resultados de los experimentos realizados con diseños endurecidos mediante Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos confirman que esta técnica de endurecimiento es capaz de producir correcciones exactas en un alto porcentaje de los eventos. Su sensibilidad frente a todo tipo de errores y frente a errores no corregibles también se ve disminuida, comparada con la obtenida con Redundancia Modular Triple. Los resultados presentados en esta Tesis respaldan la idea de que las técnicas de Redundancia Aproximada son alternativas viables a las técnicas de endurecimiento frente a la radiación habituales, siempre que

An Adaptive Modular Redundancy Technique to Self-regulate Availability, Area, and Energy Consumption in Mission-critical Applications

As reconfigurable devices\u27 capacities and the complexity of applications that use them increase, the need for self-reliance of deployed systems becomes increasingly prominent. A Sustainable Modular Adaptive Redundancy Technique (SMART) composed of a dual-layered organic system is proposed, analyzed, implemented, and experimentally evaluated. SMART relies upon a variety of self-regulating properties to control availability, energy consumption, and area used, in dynamically-changing environments that require high degree of adaptation. The hardware layer is implemented on a Xilinx Virtex-4 Field Programmable Gate Array (FPGA) to provide self-repair using a novel approach called a Reconfigurable Adaptive Redundancy System (RARS). The software layer supervises the organic activities within the FPGA and extends the self-healing capabilities through application-independent, intrinsic, evolutionary repair techniques to leverage the benefits of dynamic Partial Reconfiguration (PR). A SMART prototype is evaluated using a Sobel edge detection application. This prototype is shown to provide sustainability for stressful occurrences of transient and permanent fault injection procedures while still reducing energy consumption and area requirements. An Organic Genetic Algorithm (OGA) technique is shown capable of consistently repairing hard faults while maintaining correct edge detector outputs, by exploiting spatial redundancy in the reconfigurable hardware. A Monte Carlo driven Continuous Markov Time Chains (CTMC) simulation is conducted to compare SMART\u27s availability to industry-standard Triple Modular Technique (TMR) techniques. Based on nine use cases, parameterized with realistic fault and repair rates acquired from publically available sources, the results indicate that availability is significantly enhanced by the adoption of fast repair techniques targeting aging-related hard-faults. Under harsh environments, SMART is shown to improve system availability from 36.02% with lengthy repair techniques to 98.84% with fast ones. This value increases to five nines (99.9998%) under relatively more favorable conditions. Lastly, SMART is compared to twenty eight standard TMR benchmarks that are generated by the widely-accepted BL-TMR tools. Results show that in seven out of nine use cases, SMART is the recommended technique, with power savings ranging from 22% to 29%, and area savings ranging from 17% to 24%, while still maintaining the same level of availability

Radiation hard FPGA configuration techniques using silicon on sapphire

 Once entirely the domain of space-borne applications, the effects of high energy charged particles on electronics systems is now also a concern for terrestrial devices. Reconfigurable components such as FPGAs are particularly vulnerable to radiation single event effects (SEU) as they carry a large amount of memory within a relatively small amount of circuit area. This thesis presents a Silicon on Insulator (SOI) based configuration memory system in a radiation hard reconfiguration system. The SOI technology used in this particular work is Silicon on Sapphire, where Sapphire is used as the body insulator. A non-volatile storage cell, able to be manufactured in a standard single polysilicon SOI CMOS process with no special layers, is combined with a Schmitt amplifier which result a final structure that exhibits two unique characteristics enhancing its resistance to radiation. Firstly, it is impossible for a radiation induced event to permanently flip the configuration state. Secondly, a partial de-programming resulting in a reduction in the magnitude of the storage cell voltage causes a large change in static current that can be very easily detected using a conventional sense amplifier. A simple current detector of the type used in conventional RAM circuits allows the configuration memory to be set up to exhibit self-correcting, or “auto-scrubbing” behavior. While the combination of SOI EEPROM and Schmitt exhibits high intrinsic resistance to radiation induced errors, it is still possible for a sequence of two particle strikes to cause the configuration value to be lost. Estimates are made of the Soft error Rate (SER) performance of the overall configuration memory structure. A trial layout of a configurable Look Up Table (LUT) is presented as an example of how the SOS EEPROM configuration cell would be deployed in a real system

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

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

Self-healing concepts involving fine-grained redundancy for electronic systems

The start of the digital revolution came through the metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) in 1959 followed by massive integration onto a silicon die by means of constant down scaling of individual components. Digital systems for certain applications require fault-tolerance against faults caused by temporary or permanent influence. The most widely used technique is triple module redundancy (TMR) in conjunction with a majority voter, which is regarded as a passive fault mitigation strategy. Design by functional resilience has been applied to circuit structures for increased fault-tolerance and towards self-diagnostic triggered self-healing. The focus of this thesis is therefore to develop new design strategies for fault detection and mitigation within transistor, gate and cell design levels. The research described in this thesis makes three contributions. The first contribution is based on adding fine-grained transistor level redundancy to logic gates in order to accomplish stuck-at fault-tolerance. The objective is to realise maximum fault-masking for a logic gate with minimal added redundant transistors. In the case of non-maskable stuck-at faults, the gate structure generates an intrinsic indication signal that is suitable for autonomous self-healing functions. As a result, logic circuitry utilising this design is now able to differentiate between gate faults and faults occurring in inter-gate connections. This distinction between fault-types can then be used for triggering selective self-healing responses. The second contribution is a logic matrix element which applies the three core redundancy concepts of spatial- temporal- and data-redundancy. This logic structure is composed of quad-modular redundant structures and is capable of selective fault-masking and localisation depending of fault-type at the cell level, which is referred to as a spatiotemporal quadded logic cell (QLC) structure. This QLC structure has the capability of cellular self-healing. Through the combination of fault-tolerant and masking logic features the QLC is designed with a fault-behaviour that is equal to existing quadded logic designs using only 33.3% of the equivalent transistor resources. The inherent self-diagnosing feature of QLC is capable of identifying individual faulty cells and can trigger self-healing features. The final contribution is focused on the conversion of finite state machines (FSM) into memory to achieve better state transition timing, minimal memory utilisation and fault protection compared to common FSM designs. A novel implementation based on content-addressable type memory (CAM) is used to achieve this. The FSM is further enhanced by creating the design out of logic gates of the first contribution by achieving stuck-at fault resilience. Applying cross-data parity checking, the FSM becomes equipped with single bit fault detection and correction

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

Autonomous Recovery Of Reconfigurable Logic Devices Using Priority Escalation Of Slack

Field Programmable Gate Array (FPGA) devices offer a suitable platform for survivable hardware architectures in mission-critical systems. In this dissertation, active dynamic redundancy-based fault-handling techniques are proposed which exploit the dynamic partial reconfiguration capability of SRAM-based FPGAs. Self-adaptation is realized by employing reconfiguration in detection, diagnosis, and recovery phases. To extend these concepts to semiconductor aging and process variation in the deep submicron era, resilient adaptable processing systems are sought to maintain quality and throughput requirements despite the vulnerabilities of the underlying computational devices. A new approach to autonomous fault-handling which addresses these goals is developed using only a uniplex hardware arrangement. It operates by observing a health metric to achieve Fault Demotion using Recon- figurable Slack (FaDReS). Here an autonomous fault isolation scheme is employed which neither requires test vectors nor suspends the computational throughput, but instead observes the value of a health metric based on runtime input. The deterministic flow of the fault isolation scheme guarantees success in a bounded number of reconfigurations of the FPGA fabric. FaDReS is then extended to the Priority Using Resource Escalation (PURE) online redundancy scheme which considers fault-isolation latency and throughput trade-offs under a dynamic spare arrangement. While deep-submicron designs introduce new challenges, use of adaptive techniques are seen to provide several promising avenues for improving resilience. The scheme developed is demonstrated by hardware design of various signal processing circuits and their implementation on a Xilinx Virtex-4 FPGA device. These include a Discrete Cosine Transform (DCT) core, Motion Estimation (ME) engine, Finite Impulse Response (FIR) Filter, Support Vector Machine (SVM), and Advanced Encryption Standard (AES) blocks in addition to MCNC benchmark circuits. A iii significant reduction in power consumption is achieved ranging from 83% for low motion-activity scenes to 12.5% for high motion activity video scenes in a novel ME engine configuration. For a typical benchmark video sequence, PURE is shown to maintain a PSNR baseline near 32dB. The diagnosability, reconfiguration latency, and resource overhead of each approach is analyzed. Compared to previous alternatives, PURE maintains a PSNR within a difference of 4.02dB to 6.67dB from the fault-free baseline by escalating healthy resources to higher-priority signal processing functions. The results indicate the benefits of priority-aware resiliency over conventional redundancy approaches in terms of fault-recovery, power consumption, and resource-area requirements. Together, these provide a broad range of strategies to achieve autonomous recovery of reconfigurable logic devices under a variety of constraints, operating conditions, and optimization criteria

New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs

Tesis por compendio[EN] Relevance of electronics towards safety of common devices has only been growing, as an ever growing stake of the functionality is assigned to them. But of course, this comes along the constant need for higher performances to fulfill such functionality requirements, while keeping power and budget low. In this scenario, industry is struggling to provide a technology which meets all the performance, power and price specifications, at the cost of an increased vulnerability to several types of known faults or the appearance of new ones. To provide a solution for the new and growing faults in the systems, designers have been using traditional techniques from safety-critical applications, which offer in general suboptimal results. In fact, modern embedded architectures offer the possibility of optimizing the dependability properties by enabling the interaction of hardware, firmware and software levels in the process. However, that point is not yet successfully achieved. Advances in every level towards that direction are much needed if flexible, robust, resilient and cost effective fault tolerance is desired. The work presented here focuses on the hardware level, with the background consideration of a potential integration into a holistic approach. The efforts in this thesis have focused several issues: (i) to introduce additional fault models as required for adequate representativity of physical effects blooming in modern manufacturing technologies, (ii) to provide tools and methods to efficiently inject both the proposed models and classical ones, (iii) to analyze the optimum method for assessing the robustness of the systems by using extensive fault injection and later correlation with higher level layers in an effort to cut development time and cost, (iv) to provide new detection methodologies to cope with challenges modeled by proposed fault models, (v) to propose mitigation strategies focused towards tackling such new threat scenarios and (vi) to devise an automated methodology for the deployment of many fault tolerance mechanisms in a systematic robust way. The outcomes of the thesis constitute a suite of tools and methods to help the designer of critical systems in his task to develop robust, validated, and on-time designs tailored to his application.[ES] La relevancia que la electrónica adquiere en la seguridad de los productos ha crecido inexorablemente, puesto que cada vez ésta copa una mayor influencia en la funcionalidad de los mismos. Pero, por supuesto, este hecho viene acompañado de una necesidad constante de mayores prestaciones para cumplir con los requerimientos funcionales, al tiempo que se mantienen los costes y el consumo en unos niveles reducidos. En este escenario, la industria está realizando esfuerzos para proveer una tecnología que cumpla con todas las especificaciones de potencia, consumo y precio, a costa de un incremento en la vulnerabilidad a múltiples tipos de fallos conocidos o la introducción de nuevos. Para ofrecer una solución a los fallos nuevos y crecientes en los sistemas, los diseñadores han recurrido a técnicas tradicionalmente asociadas a sistemas críticos para la seguridad, que ofrecen en general resultados sub-óptimos. De hecho, las arquitecturas empotradas modernas ofrecen la posibilidad de optimizar las propiedades de confiabilidad al habilitar la interacción de los niveles de hardware, firmware y software en el proceso. No obstante, ese punto no está resulto todavía. Se necesitan avances en todos los niveles en la mencionada dirección para poder alcanzar los objetivos de una tolerancia a fallos flexible, robusta, resiliente y a bajo coste. El trabajo presentado aquí se centra en el nivel de hardware, con la consideración de fondo de una potencial integración en una estrategia holística. Los esfuerzos de esta tesis se han centrado en los siguientes aspectos: (i) la introducción de modelos de fallo adicionales requeridos para la representación adecuada de efectos físicos surgentes en las tecnologías de manufactura actuales, (ii) la provisión de herramientas y métodos para la inyección eficiente de los modelos propuestos y de los clásicos, (iii) el análisis del método óptimo para estudiar la robustez de sistemas mediante el uso de inyección de fallos extensiva, y la posterior correlación con capas de más alto nivel en un esfuerzo por recortar el tiempo y coste de desarrollo, (iv) la provisión de nuevos métodos de detección para cubrir los retos planteados por los modelos de fallo propuestos, (v) la propuesta de estrategias de mitigación enfocadas hacia el tratamiento de dichos escenarios de amenaza y (vi) la introducción de una metodología automatizada de despliegue de diversos mecanismos de tolerancia a fallos de forma robusta y sistemática. Los resultados de la presente tesis constituyen un conjunto de herramientas y métodos para ayudar al diseñador de sistemas críticos en su tarea de desarrollo de diseños robustos, validados y en tiempo adaptados a su aplicación.[CA] La rellevància que l'electrònica adquireix en la seguretat dels productes ha crescut inexorablement, puix cada volta més aquesta abasta una major influència en la funcionalitat dels mateixos. Però, per descomptat, aquest fet ve acompanyat d'un constant necessitat de majors prestacions per acomplir els requeriments funcionals, mentre es mantenen els costos i consums en uns nivells reduïts. Donat aquest escenari, la indústria està fent esforços per proveir una tecnologia que complisca amb totes les especificacions de potència, consum i preu, tot a costa d'un increment en la vulnerabilitat a diversos tipus de fallades conegudes, i a la introducció de nous tipus. Per oferir una solució a les noves i creixents fallades als sistemes, els dissenyadors han recorregut a tècniques tradicionalment associades a sistemes crítics per a la seguretat, que en general oferixen resultats sub-òptims. De fet, les arquitectures empotrades modernes oferixen la possibilitat d'optimitzar les propietats de confiabilitat en habilitar la interacció dels nivells de hardware, firmware i software en el procés. Tot i això eixe punt no està resolt encara. Es necessiten avanços a tots els nivells en l'esmentada direcció per poder assolir els objectius d'una tolerància a fallades flexible, robusta, resilient i a baix cost. El treball ací presentat se centra en el nivell de hardware, amb la consideració de fons d'una potencial integració en una estratègia holística. Els esforços d'esta tesi s'han centrat en els següents aspectes: (i) la introducció de models de fallada addicionals requerits per a la representació adequada d'efectes físics que apareixen en les tecnologies de fabricació actuals, (ii) la provisió de ferramentes i mètodes per a la injecció eficient del models proposats i dels clàssics, (iii) l'anàlisi del mètode òptim per estudiar la robustesa de sistemes mitjançant l'ús d'injecció de fallades extensiva, i la posterior correlació amb capes de més alt nivell en un esforç per retallar el temps i cost de desenvolupament, (iv) la provisió de nous mètodes de detecció per cobrir els reptes plantejats pels models de fallades proposats, (v) la proposta d'estratègies de mitigació enfocades cap al tractament dels esmentats escenaris d'amenaça i (vi) la introducció d'una metodologia automatitzada de desplegament de diversos mecanismes de tolerància a fallades de forma robusta i sistemàtica. Els resultats de la present tesi constitueixen un conjunt de ferramentes i mètodes per ajudar el dissenyador de sistemes crítics en la seua tasca de desenvolupament de dissenys robustos, validats i a temps adaptats a la seua aplicació.Espinosa García, J. (2016). New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73146TESISCompendi

Dynamic partial reconfiguration management for high performance and reliability in FPGAs

Modern Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are no longer used to implement small “glue logic” circuitries. The high-density of reconfigurable logic resources in today’s FPGAs enable the implementation of large systems in a single chip. FPGAs are highly flexible devices; their functionality can be altered by simply loading a new binary file in their configuration memory. While the flexibility of FPGAs is comparable to General-Purpose Processors (GPPs), in the sense that different functions can be performed using the same hardware, the performance gain that can be achieved using FPGAs can be orders of magnitudes higher as FPGAs offer the ability for customisation of parallel computational architectures. Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) allows for changing the functionality of certain blocks on the chip while the rest of the FPGA is operational. DPR has sparked the interest of researchers to explore new computational platforms where computational tasks are off-loaded from a main CPU to be executed using dedicated reconfigurable hardware accelerators configured on demand at run-time. By having a battery of custom accelerators which can be swapped in and out of the FPGA at runtime, a higher computational density can be achieved compared to static systems where the accelerators are bound to fixed locations within the chip. Furthermore, the ability of relocating these accelerators across several locations on the chip allows for the implementation of adaptive systems which can mitigate emerging faults in the FPGA chip when operating in harsh environments. By porting the appropriate fault mitigation techniques in such computational platforms, the advantages of FPGAs can be harnessed in different applications in space and military electronics where FPGAs are usually seen as unreliable devices due to their sensitivity to radiation and extreme environmental conditions. In light of the above, this thesis investigates the deployment of DPR as: 1) a method for enhancing performance by efficient exploitation of the FPGA resources, and 2) a method for enhancing the reliability of systems intended to operate in harsh environments. Achieving optimal performance in such systems requires an efficient internal configuration management system to manage the reconfiguration and execution of the reconfigurable modules in the FPGA. In addition, the system needs to support “fault-resilience” features by integrating parameterisable fault detection and recovery capabilities to meet the reliability standard of fault-tolerant applications. This thesis addresses all the design and implementation aspects of an Internal Configuration Manger (ICM) which supports a novel bitstream relocation model to enable the placement of relocatable accelerators across several locations on the FPGA chip. In addition to supporting all the configuration capabilities required to implement a Reconfigurable Operating System (ROS), the proposed ICM also supports the novel multiple-clone configuration technique which allows for cloning several instances of the same hardware accelerator at the same time resulting in much shorter configuration time compared to traditional configuration techniques. A faulttolerant (FT) version of the proposed ICM which supports a comprehensive faultrecovery scheme is also introduced in this thesis. The proposed FT-ICM is designed with a much smaller area footprint compared to Triple Modular Redundancy (TMR) hardening techniques while keeping a comparable level of fault-resilience. The capabilities of the proposed ICM system are demonstrated with two novel applications. The first application demonstrates a proof-of-concept reliable FPGA server solution used for executing encryption/decryption queries. The proposed server deploys bitstream relocation and modular redundancy to mitigate both permanent and transient faults in the device. It also deploys a novel Built-In Self- Test (BIST) diagnosis scheme, specifically designed to detect emerging permanent faults in the system at run-time. The second application is a data mining application where DPR is used to increase the computational density of a system used to implement the Frequent Itemset Mining (FIM) problem