Speeding-up model-based fault injection of deep-submicron CMOS fault models through dynamic and partially reconfigurable FPGAS

Actualmente, las tecnologías CMOS submicrónicas son básicas para el desarrollo de los modernos sistemas basados en computadores, cuyo uso simplifica enormemente nuestra vida diaria en una gran variedad de entornos, como el gobierno, comercio y banca electrónicos, y el transporte terrestre y aeroespacial. La continua reducción del tamaño de los transistores ha permitido reducir su consumo y aumentar su frecuencia de funcionamiento, obteniendo por ello un mayor rendimiento global. Sin embargo, estas mismas características que mejoran el rendimiento del sistema, afectan negativamente a su confiabilidad. El uso de transistores de tamaño reducido, bajo consumo y alta velocidad, está incrementando la diversidad de fallos que pueden afectar al sistema y su probabilidad de aparición. Por lo tanto, existe un gran interés en desarrollar nuevas y eficientes técnicas para evaluar la confiabilidad, en presencia de fallos, de sistemas fabricados mediante tecnologías submicrónicas. Este problema puede abordarse por medio de la introducción deliberada de fallos en el sistema, técnica conocida como inyección de fallos. En este contexto, la inyección basada en modelos resulta muy interesante, ya que permite evaluar la confiabilidad del sistema en las primeras etapas de su ciclo de desarrollo, reduciendo por tanto el coste asociado a la corrección de errores. Sin embargo, el tiempo de simulación de modelos grandes y complejos imposibilita su aplicación en un gran número de ocasiones. Esta tesis se centra en el uso de dispositivos lógicos programables de tipo FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) para acelerar los experimentos de inyección de fallos basados en simulación por medio de su implementación en hardware reconfigurable. Para ello, se extiende la investigación existente en inyección de fallos basada en FPGA en dos direcciones distintas: i) se realiza un estudio de las tecnologías submicrónicas existentes para obtener un conjunto representativo de modelos de fallos transitoriosAndrés Martínez, DD. (2007). Speeding-up model-based fault injection of deep-submicron CMOS fault models through dynamic and partially reconfigurable FPGAS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1943Palanci

Circuits and Systems Advances in Near Threshold Computing

Modern society is witnessing a sea change in ubiquitous computing, in which people have embraced computing systems as an indispensable part of day-to-day existence. Computation, storage, and communication abilities of smartphones, for example, have undergone monumental changes over the past decade. However, global emphasis on creating and sustaining green environments is leading to a rapid and ongoing proliferation of edge computing systems and applications. As a broad spectrum of healthcare, home, and transport applications shift to the edge of the network, near-threshold computing (NTC) is emerging as one of the promising low-power computing platforms. An NTC device sets its supply voltage close to its threshold voltage, dramatically reducing the energy consumption. Despite showing substantial promise in terms of energy efficiency, NTC is yet to see widescale commercial adoption. This is because circuits and systems operating with NTC suffer from several problems, including increased sensitivity to process variation, reliability problems, performance degradation, and security vulnerabilities, to name a few. To realize its potential, we need designs, techniques, and solutions to overcome these challenges associated with NTC circuits and systems. The readers of this book will be able to familiarize themselves with recent advances in electronics systems, focusing on near-threshold computing

Cross-Layer Optimization for Power-Efficient and Robust Digital Circuits and Systems

With the increasing digital services demand, performance and power-efficiency become vital requirements for digital circuits and systems. However, the enabling CMOS technology scaling has been facing significant challenges of device uncertainties, such as process, voltage, and temperature variations. To ensure system reliability, worst-case corner assumptions are usually made in each design level. However, the over-pessimistic worst-case margin leads to unnecessary power waste and performance loss as high as 2.2x. Since optimizations are traditionally confined to each specific level, those safe margins can hardly be properly exploited. To tackle the challenge, it is therefore advised in this Ph.D. thesis to perform a cross-layer optimization for digital signal processing circuits and systems, to achieve a global balance of power consumption and output quality. To conclude, the traditional over-pessimistic worst-case approach leads to huge power waste. In contrast, the adaptive voltage scaling approach saves power (25% for the CORDIC application) by providing a just-needed supply voltage. The power saving is maximized (46% for CORDIC) when a more aggressive voltage over-scaling scheme is applied. These sparsely occurred circuit errors produced by aggressive voltage over-scaling are mitigated by higher level error resilient designs. For functions like FFT and CORDIC, smart error mitigation schemes were proposed to enhance reliability (soft-errors and timing-errors, respectively). Applications like Massive MIMO systems are robust against lower level errors, thanks to the intrinsically redundant antennas. This property makes it applicable to embrace digital hardware that trades quality for power savings.Comment: 190 page

Analysis and Design of Resilient VLSI Circuits

The reliable operation of Integrated Circuits (ICs) has become increasingly difficult to achieve in the deep sub-micron (DSM) era. With continuously decreasing device feature sizes, combined with lower supply voltages and higher operating frequencies, the noise immunity of VLSI circuits is decreasing alarmingly. Thus, VLSI circuits are becoming more vulnerable to noise effects such as crosstalk, power supply variations and radiation-induced soft errors. Among these noise sources, soft errors (or error caused by radiation particle strikes) have become an increasingly troublesome issue for memory arrays as well as combinational logic circuits. Also, in the DSM era, process variations are increasing at an alarming rate, making it more difficult to design reliable VLSI circuits. Hence, it is important to efficiently design robust VLSI circuits that are resilient to radiation particle strikes and process variations. The work presented in this dissertation presents several analysis and design techniques with the goal of realizing VLSI circuits which are tolerant to radiation particle strikes and process variations. This dissertation consists of two parts. The first part proposes four analysis and two design approaches to address radiation particle strikes. The analysis techniques for the radiation particle strikes include: an approach to analytically determine the pulse width and the pulse shape of a radiation induced voltage glitch in combinational circuits, a technique to model the dynamic stability of SRAMs, and a 3D device-level analysis of the radiation tolerance of voltage scaled circuits. Experimental results demonstrate that the proposed techniques for analyzing radiation particle strikes in combinational circuits and SRAMs are fast and accurate compared to SPICE. Therefore, these analysis approaches can be easily integrated in a VLSI design flow to analyze the radiation tolerance of such circuits, and harden them early in the design flow. From 3D device-level analysis of the radiation tolerance of voltage scaled circuits, several non-intuitive observations are made and correspondingly, a set of guidelines are proposed, which are important to consider to realize radiation hardened circuits. Two circuit level hardening approaches are also presented to harden combinational circuits against a radiation particle strike. These hardening approaches significantly improve the tolerance of combinational circuits against low and very high energy radiation particle strikes respectively, with modest area and delay overheads. The second part of this dissertation addresses process variations. A technique is developed to perform sensitizable statistical timing analysis of a circuit, and thereby improve the accuracy of timing analysis under process variations. Experimental results demonstrate that this technique is able to significantly reduce the pessimism due to two sources of inaccuracy which plague current statistical static timing analysis (SSTA) tools. Two design approaches are also proposed to improve the process variation tolerance of combinational circuits and voltage level shifters (which are used in circuits with multiple interacting power supply domains), respectively. The variation tolerant design approach for combinational circuits significantly improves the resilience of these circuits to random process variations, with a reduction in the worst case delay and low area penalty. The proposed voltage level shifter is faster, requires lower dynamic power and area, has lower leakage currents, and is more tolerant to process variations, compared to the best known previous approach. In summary, this dissertation presents several analysis and design techniques which significantly augment the existing work in the area of resilient VLSI circuit design

Low-Power and Error-Resilient VLSI Circuits and Systems.

Efficient low-power operation is critically important for the success of the next-generation signal processing applications. Device and supply voltage have been continuously scaled to meet a more constrained power envelope, but scaling has created resiliency challenges, including increasing timing faults and soft errors. Our research aims at designing low-power and robust circuits and systems for signal processing by drawing circuit, architecture, and algorithm approaches. To gain an insight into the system faults due to supply voltage reduction, we researched the two primary effects that determine the minimum supply voltage (VMIN) in Intel’s tri-gate CMOS technology, namely process variations and gate-dielectric soft breakdown. We determined that voltage scaling increases the timing window that sequential circuits are vulnerable. Thus, we proposed a new hold-time violation metric to define hold-time VMIN, which has been adopted as a new design standard. Device scaling increases soft errors which affect circuit reliability. Through extensive soft error characterization using two 65nm CMOS test chips, we studied the soft error mechanisms and its dependence on supply voltage and clock frequency. This study laid the foundation of the first 65nm DSP chip design for a NASA spaceflight project. To mitigate such random errors, we proposed a new confidence-driven architecture that effectively enhances the error resiliency of deeply scaled CMOS and post-CMOS circuits. Designing low-power resilient systems can effectively leverage application-specific algorithmic approaches. To explore design opportunities in the algorithmic domain, we demonstrate an application-specific detection and decoding processor for multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication. To enhance the receive error rate for a robust wireless communication, we designed a joint detection and decoding technique by enclosing detection and decoding in an iterative loop to enhance both interference cancellation and error reduction. A proof-of-concept chip design was fabricated for the next-generation 4x4 256QAM MIMO systems. Through algorithm-architecture optimizations and low-power circuit techniques, our design achieves significant improvements in throughput, energy efficiency and error rate, paving the way for future developments in this area.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/110323/1/uchchen_1.pd

Fault and Defect Tolerant Computer Architectures: Reliable Computing With Unreliable Devices

This research addresses design of a reliable computer from unreliable device technologies. A system architecture is developed for a fault and defect tolerant (FDT) computer. Trade-offs between different techniques are studied and yield and hardware cost models are developed. Fault and defect tolerant designs are created for the processor and the cache memory. Simulation results for the content-addressable memory (CAM)-based cache show 90% yield with device failure probabilities of 3 x 10(-6), three orders of magnitude better than non fault tolerant caches of the same size. The entire processor achieves 70% yield with device failure probabilities exceeding 10(-6). The required hardware redundancy is approximately 15 times that of a non-fault tolerant design. While larger than current FT designs, this architecture allows the use of devices much more likely to fail than silicon CMOS. As part of model development, an improved model is derived for NAND Multiplexing. The model is the first accurate model for small and medium amounts of redundancy. Previous models are extended to account for dependence between the inputs and produce more accurate results

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.

Driving the Network-on-Chip Revolution to Remove the Interconnect Bottleneck in Nanoscale Multi-Processor Systems-on-Chip

The sustained demand for faster, more powerful chips has been met by the availability of chip manufacturing processes allowing for the integration of increasing numbers of computation units onto a single die. The resulting outcome, especially in the embedded domain, has often been called SYSTEM-ON-CHIP (SoC) or MULTI-PROCESSOR SYSTEM-ON-CHIP (MP-SoC). MPSoC design brings to the foreground a large number of challenges, one of the most prominent of which is the design of the chip interconnection. With a number of on-chip blocks presently ranging in the tens, and quickly approaching the hundreds, the novel issue of how to best provide on-chip communication resources is clearly felt. NETWORKS-ON-CHIPS (NoCs) are the most comprehensive and scalable answer to this design concern. By bringing large-scale networking concepts to the on-chip domain, they guarantee a structured answer to present and future communication requirements. The point-to-point connection and packet switching paradigms they involve are also of great help in minimizing wiring overhead and physical routing issues. However, as with any technology of recent inception, NoC design is still an evolving discipline. Several main areas of interest require deep investigation for NoCs to become viable solutions: • The design of the NoC architecture needs to strike the best tradeoff among performance, features and the tight area and power constraints of the onchip domain. • Simulation and verification infrastructure must be put in place to explore, validate and optimize the NoC performance. • NoCs offer a huge design space, thanks to their extreme customizability in terms of topology and architectural parameters. Design tools are needed to prune this space and pick the best solutions. • Even more so given their global, distributed nature, it is essential to evaluate the physical implementation of NoCs to evaluate their suitability for next-generation designs and their area and power costs. This dissertation performs a design space exploration of network-on-chip architectures, in order to point-out the trade-offs associated with the design of each individual network building blocks and with the design of network topology overall. The design space exploration is preceded by a comparative analysis of state-of-the-art interconnect fabrics with themselves and with early networkon- chip prototypes. The ultimate objective is to point out the key advantages that NoC realizations provide with respect to state-of-the-art communication infrastructures and to point out the challenges that lie ahead in order to make this new interconnect technology come true. Among these latter, technologyrelated challenges are emerging that call for dedicated design techniques at all levels of the design hierarchy. In particular, leakage power dissipation, containment of process variations and of their effects. The achievement of the above objectives was enabled by means of a NoC simulation environment for cycleaccurate modelling and simulation and by means of a back-end facility for the study of NoC physical implementation effects. Overall, all the results provided by this work have been validated on actual silicon layout