Dependable Embedded Systems

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

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

Effect of a Polywell geometry on a CMOS Photodiode Array

The effect of a polywell geometry hybridized with a stacked gradient poly-homojunction architecture, on the response of a CMOs compatible photodiode array was simulated. Crosstalk and sensitivity improved compared to the polywell geometry alone, for both back and front illuminatio

Microarchitectural Low-Power Design Techniques for Embedded Microprocessors

With the omnipresence of embedded processing in all forms of electronics today, there is a strong trend towards wireless, battery-powered, portable embedded systems which have to operate under stringent energy constraints. Consequently, low power consumption and high energy efficiency have emerged as the two key criteria for embedded microprocessor design. In this thesis we present a range of microarchitectural low-power design techniques which enable the increase of performance for embedded microprocessors and/or the reduction of energy consumption, e.g., through voltage scaling. In the context of cryptographic applications, we explore the effectiveness of instruction set extensions (ISEs) for a range of different cryptographic hash functions (SHA-3 candidates) on a 16-bit microcontroller architecture (PIC24). Specifically, we demonstrate the effectiveness of light-weight ISEs based on lookup table integration and microcoded instructions using finite state machines for operand and address generation. On-node processing in autonomous wireless sensor node devices requires deeply embedded cores with extremely low power consumption. To address this need, we present TamaRISC, a custom-designed ISA with a corresponding ultra-low-power microarchitecture implementation. The TamaRISC architecture is employed in conjunction with an ISE and standard cell memories to design a sub-threshold capable processor system targeted at compressed sensing applications. We furthermore employ TamaRISC in a hybrid SIMD/MIMD multi-core architecture targeted at moderate to high processing requirements (> 1 MOPS). A range of different microarchitectural techniques for efficient memory organization are presented. Specifically, we introduce a configurable data memory mapping technique for private and shared access, as well as instruction broadcast together with synchronized code execution based on checkpointing. We then study an inherent suboptimality due to the worst-case design principle in synchronous circuits, and introduce the concept of dynamic timing margins. We show that dynamic timing margins exist in microprocessor circuits, and that these margins are to a large extent state-dependent and that they are correlated to the sequences of instruction types which are executed within the processor pipeline. To perform this analysis we propose a circuit/processor characterization flow and tool called dynamic timing analysis. Moreover, this flow is employed in order to devise a high-level instruction set simulation environment for impact-evaluation of timing errors on application performance. The presented approach improves the state of the art significantly in terms of simulation accuracy through the use of statistical fault injection. The dynamic timing margins in microprocessors are then systematically exploited for throughput improvements or energy reductions via our proposed instruction-based dynamic clock adjustment (DCA) technique. To this end, we introduce a 6-stage 32-bit microprocessor with cycle-by-cycle DCA. Besides a comprehensive design flow and simulation environment for evaluation of the DCA approach, we additionally present a silicon prototype of a DCA-enabled OpenRISC microarchitecture fabricated in 28 nm FD-SOI CMOS. The test chip includes a suitable clock generation unit which allows for cycle-by-cycle DCA over a wide range with fine granularity at frequencies exceeding 1 GHz. Measurement results of speedups and power reductions are provided

Cross-Layer Approaches for an Aging-Aware Design of Nanoscale Microprocessors

Thanks to aggressive scaling of transistor dimensions, computers have revolutionized our life. However, the increasing unreliability of devices fabricated in nanoscale technologies emerged as a major threat for the future success of computers. In particular, accelerated transistor aging is of great importance, as it reduces the lifetime of digital systems. This thesis addresses this challenge by proposing new methods to model, analyze and mitigate aging at microarchitecture-level and above

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

Methods for Robust and Energy-Efficient Microprocessor Architectures

Σήμερα, η εξέλιξη της τεχνολογίας επιτρέπει τη βελτίωση τριών βασικών στοιχείων της σχεδίασης των επεξεργαστών: αυξημένες επιδόσεις, χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος και χαμηλότερο κόστος παραγωγής του τσιπ, ενώ οι σχεδιαστές επεξεργαστών έχουν επικεντρωθεί στην παραγωγή επεξεργαστών με περισσότερες λειτουργίες σε χαμηλότερο κόστος. Οι σημερινοί επεξεργαστές είναι πολύ ταχύτεροι και διαθέτουν εξελιγμένες λειτουργικές μονάδες συγκριτικά με τους προκατόχους τους, ωστόσο, καταναλώνουν αρκετά μεγάλη ενέργεια. Τα ποσά ηλεκτρικής ισχύος που καταναλώνονται, και η επακόλουθη έκλυση θερμότητας, αυξάνονται παρά τη μείωση του μεγέθους των τρανζίστορ. Αναπτύσσοντας όλο και πιο εξελιγμένους μηχανισμούς και λειτουργικές μονάδες για την αύξηση της απόδοσης και βελτίωση της ενέργειας, σε συνδυασμό με τη μείωση του μεγέθους των τρανζίστορ, οι επεξεργαστές έχουν γίνει εξαιρετικά πολύπλοκα συστήματα, καθιστώντας τη διαδικασία της επικύρωσής τους σημαντική πρόκληση για τη βιομηχανία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Συνεπώς, οι κατασκευαστές επεξεργαστών αφιερώνουν επιπλέον χρόνο, προϋπολογισμό και χώρο στο τσιπ για να διασφαλίσουν ότι οι επεξεργαστές θα λειτουργούν σωστά κατά τη διάθεσή τους στη αγορά. Για τους λόγους αυτούς, η εργασία αυτή παρουσιάζει νέες μεθόδους για την επιτάχυνση και τη βελτίωση της φάσης της επικύρωσης, καθώς και για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των σύγχρονων επεξεργαστών. Στο πρώτο μέρος της διατριβής προτείνονται δύο διαφορετικές μέθοδοι για την επικύρωση του επεξεργαστή, οι οποίες συμβάλλουν στην επιτάχυνση αυτής της διαδικασίας και στην αποκάλυψη σπάνιων σφαλμάτων στους μηχανισμούς μετάφρασης διευθύνσεων των σύγχρονων επεξεργαστών. Και οι δύο μέθοδοι καθιστούν ευκολότερη την ανίχνευση και τη διάγνωση σφαλμάτων, και επιταχύνουν την ανίχνευση του σφάλματος κατά τη φάση της επικύρωσης. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται μια λεπτομερής μελέτη χαρακτηρισμού των περιθωρίων τάσης σε επίπεδο συστήματος σε δύο σύγχρονους ARMv8 επεξεργαστές. Η μελέτη του χαρακτηρισμού προσδιορίζει τα αυξημένα περιθώρια τάσης που έχουν προκαθοριστεί κατά τη διάρκεια κατασκευής του κάθε μεμονωμένου πυρήνα του επεξεργαστή και αναλύει τυχόν απρόβλεπτες συμπεριφορές που μπορεί να προκύψουν σε συνθήκες μειωμένης τάσης. Για την μελέτη και καταγραφή της συμπεριφοράς του συστήματος υπό συνθήκες μειωμένης τάσης, παρουσιάζεται επίσης σε αυτή τη διατριβή μια απλή και ενοποιημένη συνάρτηση: η συνάρτηση πυκνότητας-σοβαρότητας. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται αναλυτικά η ανάπτυξη ειδικά σχεδιασμένων προγραμμάτων (micro-viruses) τα οποία υποβάλουν της θεμελιώδεις δομές του επεξεργαστή σε μεγάλο φορτίο εργασίας. Αυτά τα προγράμματα στοχεύουν στην γρήγορη αναγνώριση των ασφαλών περιθωρίων τάσης. Τέλος, πραγματοποιείται ο χαρακτηρισμός των περιθωρίων τάσης σε εκτελέσεις πολλαπλών πυρήνων, καθώς επίσης και σε διαφορετικές συχνότητες, και προτείνεται ένα πρόγραμμα το οποίο εκμεταλλεύεται όλες τις διαφορετικές πτυχές του προβλήματος της κατανάλωσης ενέργειας και παρέχει μεγάλη εξοικονόμηση ενέργειας διατηρώντας παράλληλα υψηλά επίπεδα απόδοσης. Αυτή η μελέτη έχει ως στόχο τον εντοπισμό και την ανάλυση της σχέσης μεταξύ ενέργειας και απόδοσης σε διαφορετικούς συνδυασμούς τάσης και συχνότητας, καθώς και σε διαφορετικό αριθμό νημάτων/διεργασιών που εκτελούνται στο σύστημα, αλλά και κατανομής των προγραμμάτων στους διαθέσιμους πυρήνες.Technology scaling has enabled improvements in the three major design optimization objectives: increased performance, lower power consumption, and lower die cost, while system design has focused on bringing more functionality into products at lower cost. While today's microprocessors, are much faster and much more versatile than their predecessors, they also consume much power. As operating frequency and integration density increase, the total chip power dissipation increases. This is evident from the fact that due to the demand for increased functionality on a single chip, more and more transistors are being packed on a single die and hence, the switching frequency increases in every technology generation. However, by developing aggressive and sophisticated mechanisms to boost performance and to enhance the energy efficiency in conjunction with the decrease of the size of transistors, microprocessors have become extremely complex systems, making the microprocessor verification and manufacturing testing a major challenge for the semiconductor industry. Manufacturers, therefore, choose to spend extra effort, time, budget and chip area to ensure that the delivered products are operating correctly. To meet high-dependability requirements, manufacturers apply a sequence of verification tasks throughout the entire life-cycle of the microprocessor to ensure the correct functionality of the microprocessor chips from the various types of errors that may occur after the products are released to the market. To this end, this work presents novel methods for ensuring the correctness of the microprocessor during the post-silicon validation phase and for improving the energy efficiency requirements of modern microprocessors. These methods can be applied during the prototyping phase of the microprocessors or after their release to the market. More specifically, in the first part of the thesis, we present and describe two different ISA-independent software-based post-silicon validation methods, which contribute to formalization and modeling as well as the acceleration of the post-silicon validation process and expose difficult-to-find bugs in the address translation mechanisms (ATM) of modern microprocessors. Both methods improve the detection and diagnosis of a hardware design bug in the ATM structures and significantly accelerate the bug detection during the post-silicon validation phase. In the second part of the thesis we present a detailed system-level voltage scaling characterization study for two state-of-the-art ARMv8-based multicore CPUs. We present an extensive characterization study which identifies the pessimistic voltage guardbands (the increased voltage margins set by the manufacturer) of each individual microprocessor core and analyze any abnormal behavior that may occur in off-nominal voltage conditions. Towards the formalization of the any abnormal behavior we also present a simple consolidated function; the Severity function, which aggregates the effects of reduced voltage operation. We then introduce the development of dedicated programs (diagnostic micro-viruses) that aim to accelerate the time-consuming voltage margins characterization studies by stressing the fundamental hardware components. Finally, we present a comprehensive exploration of how two server-grade systems behave in different frequency and core allocation configurations beyond nominal voltage operation in multicore executions. This analysis aims (1) to identify the best performance per watt operation points, (2) to reveal how and why the different core allocation options affect the energy consumption, and (3) to enhance the default Linux scheduler to take task allocation decisions for balanced performance and energy efficiency

先端プロセス技術における混載SRAMの高信頼・低電力化に関する研究

13301甲第4843号博士（工学）金沢大学博士論文本文Ful

Runtime Monitoring for Dependable Hardware Design

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