Concurrent error detection

Concurrent error detection (CED) is the detection of errors or faults in a circuit or data path concurrent with normal operation of that circuit. The general approach for CED is to calculate a check symbol for the inputs to the circuit under operation, predict the check symbol that will result for the output of the circuit for those inputs, and compare the predicted check symbol to the one that is actually calculated for the output. If the predicted and actual check symbols are different, an error or fault has been detected. The alternative to this check symbol prediction is to use a second copy of the circuit under operation and compare the results of the two circuits. For some classes of circuits the prediction of the output check symbol can require less circuitry than a second copy of the circuit being tested. Four examples of these types of circuits are examined in this dissertation: Arithmetic Logic Units (ALUs), array multipliers, self-synchronous scrambler-descrambler pairs with their intervening data path, and switch fabrics. Faults in integrated circuits tend to produce unidirectional errors. Unidirectional errors are those in which all of the errors are in the same direction (e.g., 0 to 1 errors) within the block of data covered by a given check symbol. For this reason, codes that are optimized for unidirectional errors are the focus of investigation for most of the applications. In particular, the Bose-Lin codes are examined for those applications where unidirectional errors are expected to be typical. In order to examine the performance of the Bose-Lin codes in one of these applications, it was necessary to determine the theoretical performance for Bose- Lin codes for error rates beyond what had been previously studied. This analysis of Bose-Lin codes with large numbers of "burst" errors also included a further generalization of the codes

Advanced CMOS Integrated Circuit Design and Application

The recent development of various application systems and platforms, such as 5G, B5G, 6G, and IoT, is based on the advancement of CMOS integrated circuit (IC) technology that enables them to implement high-performance chipsets. In addition to development in the traditional fields of analog and digital integrated circuits, the development of CMOS IC design and application in high-power and high-frequency operations, which was previously thought to be possible only with compound semiconductor technology, is a core technology that drives rapid industrial development. This book aims to highlight advances in all aspects of CMOS integrated circuit design and applications without discriminating between different operating frequencies, output powers, and the analog/digital domains. Specific topics in the book include: Next-generation CMOS circuit design and application; CMOS RF/microwave/millimeter-wave/terahertz-wave integrated circuits and systems; CMOS integrated circuits specially used for wireless or wired systems and applications such as converters, sensors, interfaces, frequency synthesizers/generators/rectifiers, and so on; Algorithm and signal-processing methods to improve the performance of CMOS circuits and systems

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

The 1992 4th NASA SERC Symposium on VLSI Design

Papers from the fourth annual NASA Symposium on VLSI Design, co-sponsored by the IEEE, are presented. Each year this symposium is organized by the NASA Space Engineering Research Center (SERC) at the University of Idaho and is held in conjunction with a quarterly meeting of the NASA Data System Technology Working Group (DSTWG). One task of the DSTWG is to develop new electronic technologies that will meet next generation electronic data system needs. The symposium provides insights into developments in VLSI and digital systems which can be used to increase data systems performance. The NASA SERC is proud to offer, at its fourth symposium on VLSI design, presentations by an outstanding set of individuals from national laboratories, the electronics industry, and universities. These speakers share insights into next generation advances that will serve as a basis for future VLSI design

POWER AND PERFORMANCE STUDIES OF THE EXPLICIT MULTI-THREADING (XMT) ARCHITECTURE

Power and thermal constraints gained critical importance in the design of microprocessors over the past decade. Chipmakers failed to keep power at bay while sustaining the performance growth of serial computers at the rate expected by consumers. As an alternative, they turned to fitting an increasing number of simpler cores on a single die. While this is a step forward for relaxing the constraints, the issue of power is far from resolved and it is joined by new challenges which we explain next. As we move into the era of many-cores, processors consisting of 100s, even 1000s of cores, single-task parallelism is the natural path for building faster general-purpose computers. Alas, the introduction of parallelism to the mainstream general-purpose domain brings another long elusive problem to focus: ease of parallel programming. The result is the dual challenge where power efficiency and ease-of-programming are vital for the prevalence of up and coming many-core architectures. The observations above led to the lead goal of this dissertation: a first order validation of the claim that even under power/thermal constraints, ease-of-programming and competitive performance need not be conflicting objectives for a massively-parallel general-purpose processor. As our platform, we choose the eXplicit Multi-Threading (XMT) many-core architecture for fine grained parallel programs developed at the University of Maryland. We hope that our findings will be a trailblazer for future commercial products. XMT scales up to thousand or more lightweight cores and aims at improving single task execution time while making the task for the programmer as easy as possible. Performance advantages and ease-of-programming of XMT have been shown in a number of publications, including a study that we present in this dissertation. Feasibility of the hardware concept has been exhibited via FPGA and ASIC (per our partial involvement) prototypes. Our contributions target the study of power and thermal envelopes of an envisioned 1024-core XMT chip (XMT1024) under programs that exist in popular parallel benchmark suites. First, we compare XMT against an area and power equivalent commercial high-end many-core GPU. We demonstrate that XMT can provide an average speedup of 8.8x in irregular parallel programs that are common and important in general purpose computing. Even under the worst-case power estimation assumptions for XMT, average speedup is only reduced by half. We further this study by experimentally evaluating the performance advantages of Dynamic Thermal Management (DTM), when applied to XMT1024. DTM techniques are frequently used in current single and multi-core processors, however until now their effects on single-tasked many-cores have not been examined in detail. It is our purpose to explore how existing techniques can be tailored for XMT to improve performance. Performance improvements up to 46% over a generic global management technique has been demonstrated. The insights we provide can guide designers of other similar many-core architectures. A significant infrastructure contribution of this dissertation is a highly configurable cycle-accurate simulator, XMTSim. To our knowledge, XMTSim is currently the only publicly-available shared-memory many-core simulator with extensive capabilities for estimating power and temperature, as well as evaluating dynamic power and thermal management algorithms. As a major component of the XMT programming toolchain, it is not only used as the infrastructure in this work but also contributed to other publications and dissertations

Circuits and Systems for On-Chip RF Chemical Sensors and RF FDD Duplexers

Integrating RF bio-chemical sensors and RF duplexers helps to reduce cost and area in the current applications. Furthermore, new applications can exist based on the large scale integration of these crucial blocks. This dissertation addresses the integration of RF bio-chemical sensors and RF duplexers by proposing these initiatives. A low power integrated LC-oscillator-based broadband dielectric spectroscopy (BDS) system is presented. The real relative permittivity ε’r is measured as a shift in the oscillator frequency using an on-chip frequency-to-digital converter (FDC). The imaginary relative permittivity ε”r increases the losses of the oscillator tank which mandates a higher dc biasing current to preserve the same oscillation amplitude. An amplitude-locked loop (ALL) is used to fix the amplitude and linearize the relation between the oscillator bias current and ε”r. The proposed BDS system employs a sensing oscillator and a reference oscillator where correlated double sampling (CDS) is used to mitigate the impact of flicker noise, temperature variations and frequency drifts. A prototype is implemented in 0.18 µm CMOS process with total chip area of 6.24 mm^2 to operate in 1-6 GHz range using three dual bands LC oscillators. The achieved standard deviation in the air is 2.1 ppm for frequency reading and 110 ppm for current reading. A tunable integrated electrical balanced duplexer (EBD) is presented as a compact alternative to multiple bulky SAW and BAW duplexers in 3G/4G cellular transceivers. A balancing network creates a replica of the transmitter signal for cancellation at the input of a single-ended low noise amplifier (LNA) to isolate the receive path from the transmitter. The proposed passive EBD is based on a cross-connected transformer topology without the need of any extra balun at the antenna side. The duplexer achieves around 50 dB TX-RX isolation within 1.6-2.2 GHz range up to 22 dBm. The cascaded noise figure of the duplexer and LNA is 6.5 dB, and TX insertion loss (TXIL) of the duplexer is about 3.2 dB. The duplexer and LNA are implemented in 0.18 µm CMOS process and occupy an active area of 0.35 mm^2

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

Power efficient, event driven data acquisition and processing using asynchronous techniques

PhD ThesisData acquisition systems used in remote environmental monitoring equipment and biological sensor nodes rely on limited energy supply soured from either energy harvesters or battery to perform their functions. Among the building blocks of these systems are power hungry Analogue to Digital Converters and Digital Signal Processors which acquire and process samples at predetermined rates regardless of the monitored signal’s behavior. In this work we investigate power efficient event driven data acquisition and processing techniques by implementing an asynchronous ADC and an event driven power gated Finite Impulse Response (FIR) filter. We present an event driven single slope ADC capable of generating asynchronous digital samples based on the input signal’s rate of change. It utilizes a rate of change detection circuit known as the slope detector to determine at what point the input signal is to be sampled. After a sample has been obtained it’s absolute voltage value is time encoded and passed on to a Time to Digital Converter (TDC) as part of a pulse stream. The resulting digital samples generated by the TDC are produced at a rate that exhibits the same rate of change profile as that of the input signal. The ADC is realized in 0.35mm CMOS process, covers a silicon area of 340mm by 218mm and consumes power based on the input signal’s frequency. The samples from the ADC are asynchronous in nature and exhibit random time periods between adjacent samples. In order to process such asynchronous samples we present a FIR filter that is able to successfully operate on the samples and produce the desired result. The filter also poses the ability to turn itself off in-between samples that have longer sample periods in effect saving power in the process