REAL-TIME ERROR DETECTION AND CORRECTION FOR ROBUST OPERATION OF AUTONOMOUS SYSTEMS USING ENCODED STATE CHECKS

The objective of the proposed research is to develop methodologies, support algorithms and software-hardware infrastructure for detection, diagnosis, and correction of failures for actuators, sensors and control software in linear and nonlinear state variable systems with the help of multiple checks employed in the system. This objective is motivated by the proliferation of autonomous sense-and-control real-time systems, such as intelligent robots and self-driven cars which must maintain a minimum level of performance in the presence of electro-mechanical degradation of system-level components in the field as well as external attacks in the form of transient errors. A key focus is on rapid recovery from the effects of such anomalies and impairments with minimal impact on system performance while maintaining low implementation overhead as opposed to traditional schemes for recovery that rely on duplication or triplication. On-line detection, diagnosis and correction techniques are investigated and rely on analysis of system under test response signatures to real-time stimulus. For on-line error detection and diagnosis, linear and nonlinear state space encodings of the system under test are used and specific properties of the codes, as well as machine learning model based approaches were used are analyzed in real-time. Recovery is initiated by copying check model values to correct error for sensor and control software malfunction, and by redesigning the controller parameter on-the-fly for actuators to restore system performance. Future challenges that need to be addressed include viability studies of the proposed techniques on mobile autonomous system in distributed setting as well as application to systems with soft as well as hard real-time performance constraints.Ph.D

Concurrent error detection in 2-D separable linear transform

As process technology continues to scale to smaller geometries and reduces the supply voltage, reliability of the resulting semiconductor becomes a greater concern. The effect of deep submicron noise, soft errors, variation, and aging degradation pose challenges on the functional correctness of VLSI systems and places roadblocks on reductions in scale. On the other side, as computing moves toward mobile, the energy efficiency of digital systems becomes one of the most important design metrics. However, reliability and energy efficiency are contradicting design requirements. Adding a voltage guard band is the most common method to mitigate the reliability impacts in such instances. Low power design technique like voltage over-scaling (VOS) even reduces the power by scaling the supply voltage just before data-dependant timing errors start to appear. Concurrent error detection is the solution to tackle reliability and energy-efficiency in a unified manner. Fault tolerance can be deployed at different design hierarchies. Given its low overhead, algorithm level error detection is an attractive approach. In this work, a generic weighted checksum code based error detection algorithm targeted generic 2-D separable linear transform is proposed. This technique encodes the input array at the 2-D linear trans- formation level, and algorithms are designed to operate on encoded data and produce encoded output data. The proposed error detection technique is a system-level method and therefore can be used in existing hardware or software 2-D linear transformation architectures with low overhead. The mathematic proof of the algorithm is provided within the scope of this dissertation. The checksum weighting vector for several common transforms are derived as examples, error detection cost and algorithm effectiveness are analyzed. In traditional fault tolerance study, the error is often evaluated at the boolean level. Many DSP applications, like 2-D linear transformation used in the multimedia compression system, do not require exactly correct results, but rather that the quality of the output is within the acceptable range. A generic quality aware error detection in the 2-D separable linear transform is proposed by extending the above property and defining the errors at the functional level. As an example, the quality-aware error detection technique is deployed on a low-power wavelet lifting transform architecture in JPEG2000. A low-cost Signal to Noise Ratio (SNR) aware detection logic based on proposed scheme is integrated into the discrete wavelet lifting transform architecture. This detection logic checks whether the image quality degradation caused by voltage over-scaling induced timing errors is acceptable and determines the optimal voltage set point in operating conditions at run time. This novel quality-based error detection approach is significantly different from traditional error detection schemes which look for exact data equivalence. A simulation result for one design shows that the supply voltage can be scaled down to 75% of the nominal voltage in typical process corner without significant image quality degradation, which translates to 9.15mW power consumption (44% power saving).Electrical and Computer Engineerin

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

Resiliency Mechanisms for In-Memory Column Stores

The key objective of database systems is to reliably manage data, while high query throughput and low query latency are core requirements. To date, database research activities mostly concentrated on the second part. However, due to the constant shrinking of transistor feature sizes, integrated circuits become more and more unreliable and transient hardware errors in the form of multi-bit flips become more and more prominent. In a more recent study (2013), in a large high-performance cluster with around 8500 nodes, a failure rate of 40 FIT per DRAM device was measured. For their system, this means that every 10 hours there occurs a single- or multi-bit flip, which is unacceptably high for enterprise and HPC scenarios. Causes can be cosmic rays, heat, or electrical crosstalk, with the latter being exploited actively through the RowHammer attack. It was shown that memory cells are more prone to bit flips than logic gates and several surveys found multi-bit flip events in main memory modules of today's data centers. Due to the shift towards in-memory data management systems, where all business related data and query intermediate results are kept solely in fast main memory, such systems are in great danger to deliver corrupt results to their users. Hardware techniques can not be scaled to compensate the exponentially increasing error rates. In other domains, there is an increasing interest in software-based solutions to this problem, but these proposed methods come along with huge runtime and/or storage overheads. These are unacceptable for in-memory data management systems. In this thesis, we investigate how to integrate bit flip detection mechanisms into in-memory data management systems. To achieve this goal, we first build an understanding of bit flip detection techniques and select two error codes, AN codes and XOR checksums, suitable to the requirements of in-memory data management systems. The most important requirement is effectiveness of the codes to detect bit flips. We meet this goal through AN codes, which exhibit better and adaptable error detection capabilities than those found in today's hardware. The second most important goal is efficiency in terms of coding latency. We meet this by introducing a fundamental performance improvements to AN codes, and by vectorizing both chosen codes' operations. We integrate bit flip detection mechanisms into the lowest storage layer and the query processing layer in such a way that the remaining data management system and the user can stay oblivious of any error detection. This includes both base columns and pointer-heavy index structures such as the ubiquitous B-Tree. Additionally, our approach allows adaptable, on-the-fly bit flip detection during query processing, with only very little impact on query latency. AN coding allows to recode intermediate results with virtually no performance penalty. We support our claims by providing exhaustive runtime and throughput measurements throughout the whole thesis and with an end-to-end evaluation using the Star Schema Benchmark. To the best of our knowledge, we are the first to present such holistic and fast bit flip detection in a large software infrastructure such as in-memory data management systems. Finally, most of the source code fragments used to obtain the results in this thesis are open source and freely available.:1 INTRODUCTION 1.1 Contributions of this Thesis 1.2 Outline 2 PROBLEM DESCRIPTION AND RELATED WORK 2.1 Reliable Data Management on Reliable Hardware 2.2 The Shift Towards Unreliable Hardware 2.3 Hardware-Based Mitigation of Bit Flips 2.4 Data Management System Requirements 2.5 Software-Based Techniques For Handling Bit Flips 2.5.1 Operating System-Level Techniques 2.5.2 Compiler-Level Techniques 2.5.3 Application-Level Techniques 2.6 Summary and Conclusions 3 ANALYSIS OF CODING TECHNIQUES 3.1 Selection of Error Codes 3.1.1 Hamming Coding 3.1.2 XOR Checksums 3.1.3 AN Coding 3.1.4 Summary and Conclusions 3.2 Probabilities of Silent Data Corruption 3.2.1 Probabilities of Hamming Codes 3.2.2 Probabilities of XOR Checksums 3.2.3 Probabilities of AN Codes 3.2.4 Concrete Error Models 3.2.5 Summary and Conclusions 3.3 Throughput Considerations 3.3.1 Test Systems Descriptions 3.3.2 Vectorizing Hamming Coding 3.3.3 Vectorizing XOR Checksums 3.3.4 Vectorizing AN Coding 3.3.5 Summary and Conclusions 3.4 Comparison of Error Codes 3.4.1 Effectiveness 3.4.2 Efficiency 3.4.3 Runtime Adaptability 3.5 Performance Optimizations for AN Coding 3.5.1 The Modular Multiplicative Inverse 3.5.2 Faster Softening 3.5.3 Faster Error Detection 3.5.4 Comparison to Original AN Coding 3.5.5 The Multiplicative Inverse Anomaly 3.6 Summary 4 BIT FLIP DETECTING STORAGE 4.1 Column Store Architecture 4.1.1 Logical Data Types 4.1.2 Storage Model 4.1.3 Data Representation 4.1.4 Data Layout 4.1.5 Tree Index Structures 4.1.6 Summary 4.2 Hardened Data Storage 4.2.1 Hardened Physical Data Types 4.2.2 Hardened Lightweight Compression 4.2.3 Hardened Data Layout 4.2.4 UDI Operations 4.2.5 Summary and Conclusions 4.3 Hardened Tree Index Structures 4.3.1 B-Tree Verification Techniques 4.3.2 Justification For Further Techniques 4.3.3 The Error Detecting B-Tree 4.4 Summary 5 BIT FLIP DETECTING QUERY PROCESSING 5.1 Column Store Query Processing 5.2 Bit Flip Detection Opportunities 5.2.1 Early Onetime Detection 5.2.2 Late Onetime Detection 5.2.3 Continuous Detection 5.2.4 Miscellaneous Processing Aspects 5.2.5 Summary and Conclusions 5.3 Hardened Intermediate Results 5.3.1 Materialization of Hardened Intermediates 5.3.2 Hardened Bitmaps 5.4 Summary 6 END-TO-END EVALUATION 6.1 Prototype Implementation 6.1.1 AHEAD Architecture 6.1.2 Diversity of Physical Operators 6.1.3 One Concrete Operator Realization 6.1.4 Summary and Conclusions 6.2 Performance of Individual Operators 6.2.1 Selection on One Predicate 6.2.2 Selection on Two Predicates 6.2.3 Join Operators 6.2.4 Grouping and Aggregation 6.2.5 Delta Operator 6.2.6 Summary and Conclusions 6.3 Star Schema Benchmark Queries 6.3.1 Query Runtimes 6.3.2 Improvements Through Vectorization 6.3.3 Storage Overhead 6.3.4 Summary and Conclusions 6.4 Error Detecting B-Tree 6.4.1 Single Key Lookup 6.4.2 Key Value-Pair Insertion 6.5 Summary 7 SUMMARY AND CONCLUSIONS 7.1 Future Work A APPENDIX A.1 List of Golden As A.2 More on Hamming Coding A.2.1 Code examples A.2.2 Vectorization BIBLIOGRAPHY LIST OF FIGURES LIST OF TABLES LIST OF LISTINGS LIST OF ACRONYMS LIST OF SYMBOLS LIST OF DEFINITION

Aspect-oriented technology for dependable operating systems

Modern computer devices exhibit transient hardware faults that disturb the electrical behavior but do not cause permanent physical damage to the devices. Transient faults are caused by a multitude of sources, such as fluctuation of the supply voltage, electromagnetic interference, and radiation from the natural environment. Therefore, dependable computer systems must incorporate methods of fault tolerance to cope with transient faults. Software-implemented fault tolerance represents a promising approach that does not need expensive hardware redundancy for reducing the probability of failure to an acceptable level. This thesis focuses on software-implemented fault tolerance for operating systems because they are the most critical pieces of software in a computer system: All computer programs depend on the integrity of the operating system. However, the C/C++ source code of common operating systems tends to be already exceedingly complex, so that a manual extension by fault tolerance is no viable solution. Thus, this thesis proposes a generic solution based on Aspect-Oriented Programming (AOP). To evaluate AOP as a means to improve the dependability of operating systems, this thesis presents the design and implementation of a library of aspect-oriented fault-tolerance mechanisms. These mechanisms constitute separate program modules that can be integrated automatically into common off-the-shelf operating systems using a compiler for the AOP language. Thus, the aspect-oriented approach facilitates improving the dependability of large-scale software systems without affecting the maintainability of the source code. The library allows choosing between several error-detection and error-correction schemes, and provides wait-free synchronization for handling asynchronous and multi-threaded operating-system code. This thesis evaluates the aspect-oriented approach to fault tolerance on the basis of two off-the-shelf operating systems. Furthermore, the evaluation also considers one user-level program for protection, as the library of fault-tolerance mechanisms is highly generic and transparent and, thus, not limited to operating systems. Exhaustive fault-injection experiments show an excellent trade-off between runtime overhead and fault tolerance, which can be adjusted and optimized by fine-grained selective placement of the fault-tolerance mechanisms. Finally, this thesis provides evidence for the effectiveness of the approach in detecting and correcting radiation-induced hardware faults: High-energy particle radiation experiments confirm improvements in fault tolerance by almost 80 percent

Scalable and rate adaptive wireless multimedia multicast

The methods that are described in this work enable highly efficient audio-visual streaming over wireless digital communication systems to an arbitrary number of receivers. In the focus of this thesis is thus point-to-multipoint transmission at constrained end-to-end delay. A fundamental difference as compared to point-to-point connections between exactly two communicating sending and receiving stations is in conveying information about successful or unsuccessful packet reception at the receiver side. The information to be transmitted is available at the sender, whereas the information about successful reception is only available to the receiver. Therefore, feedback about reception from the receiver to the sender is necessary. This information may be used for simple packet repetition in case of error, or adaptation of the bit rate of transmission to the momentary bit rate capacity of the channel, or both. This work focuses on the single transmission (including retransmissions) of data from one source to multiple destinations at the same time. A comparison with multi-receiver sequentially redundant transmission systems (simulcast MIMO) is made. With respect to feedback, this work considers time division multiple access systems, in which a single channel is used for data transmission and feedback. Therefore, the amount of time that can be spent for transmitting feedback is limited. An increase in time used for feedback transmissions from potentially many receivers results in a decrease in residual time which is usable for data transmission. This has direct impact on data throughput and hence, the quality of service. In the literature, an approach to reduce feedback overhead which is based on simultaneous feedback exists. In the scope of this work, simultaneous feedback implies equal carrier frequency, bandwidth and signal shape, in this case orthogonal frequency-division multiplex signals, during the event of the herein termed feedback aggregation in time. For this scheme, a constant amount of time is spent for feedback, independent of the number of receivers giving feedback about reception. Therefore, also data throughput remains independent of the number of receivers. This property of audio-visual digital transmission is taken for granted for statically configured, single purpose systems, such as terrestrial television. In the scope of this work are, however, multi-user and multi-purpose digital communication networks. Wireless LANs are a well-known example and are covered in detail herein. In suchlike systems, it is of great importance to remain independent of the number of receivers, as otherwise the service of ubiquitous digital connectivity is at the risk of being degraded. In this regard, the thesis at hand elaborates at what bit rates audio-visual transmission to multiple receivers may take place in conjunction with feedback aggregation. It is shown that the scheme achieves a multi-user throughput gain when used in conjunction with adaptivity of the bit rate to the channel. An assumption is the use of an ideal overlay packet erasure correcting code in this case. Furthermore, for delay constrained transmission, such as in so-called live television, throughput bit rates are examined. Applications have to be tolerant to a certain level of residual error in case of delay constrained transmission. Improvement of the rate adaptation algorithm is shown to increase throughput while residual error rates are decreased. Finally, with a consumer hardware prototype for digital live-TV re-distribution in the local wireless network, most of the mechanisms as described herein can be demonstrated.Die in vorliegender Arbeit aufgezeigten Methoden der paketbasierten drahtlosen digitalen Kommunikation ermöglichen es, Fernsehinhalte, aber auch audio-visuelle Datenströme im Allgemeinen, bei hoher Effizienz an beliebig große Gruppen von Empfängern zu verteilen. Im Fokus dieser Arbeit steht damit die Punkt- zu Mehrpunktübertragung bei begrenzter Ende-zu-Ende Verzögerung. Ein grundlegender Unterschied zur Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen genau zwei miteinander kommunizierenden Sender- und Empfängerstationen liegt in der Übermittlung der Information über erfolgreichen oder nicht erfolgreichen Paketempfang auf Seite der Empfänger. Da die zu übertragende Information am Sender vorliegt, die Information über den Erfolg der Übertragung jedoch ausschließlich beim jeweiligen Empfänger, muss eine Erfolgsmeldung auf dem Rückweg von Empfänger zu Sender erfolgen. Diese Information wird dann zum Beispiel zur einfachen Paketwiederholung im nicht erfolgreichen Fall genutzt, oder aber um die Übertragungsrate an die Kapazität des Kanals anzupassen, oder beides. Grundsätzlich beschäftigt sich diese Arbeit mit der einmaligen, gleichzeitigen Übertragung von Information (einschließlich Wiederholungen) an mehrere Empfänger, wobei ein Vergleich zu an mehrere Empfänger sequentiell redundant übertragenden Systemen (Simulcast MIMO) angestellt wird. In dieser Arbeit ist die Betrachtung bezüglich eines Rückkanals auf Zeitduplexsysteme beschränkt. In diesen Systemen wird der Kanal für Hin- und Rückweg zeitlich orthogonalisiert. Damit steht für die Übermittlung der Erfolgsmeldung eine beschränkte Zeitdauer zur Verfügung. Je mehr an Kanalzugriffszeit für die Erfolgsmeldungen der potentiell vielen Empfänger verbraucht wird, desto geringer wird die Restzeit, in der dann entsprechend weniger audio-visuelle Nutzdaten übertragbar sind, was sich direkt auf die Dienstqualität auswirkt. Ein in der Literatur weniger ausführlich betrachteter Ansatz ist die gleichzeitige Übertragung von Rückmeldungen mehrerer Teilnehmer auf gleicher Frequenz und bei identischer Bandbreite, sowie unter Nutzung gleichartiger Signale (hier: orthogonale Frequenzmultiplexsignalformung). Das Schema wird in dieser Arbeit daher als zeitliche Aggregation von Rückmeldungen, engl. feedback aggregation, bezeichnet. Dabei wird, unabhängig von der Anzahl der Empfänger, eine konstante Zeitdauer für Rückmeldungen genutzt, womit auch der Datendurchsatz durch zusätzliche Empfänger nicht notwendigerweise sinkt. Diese Eigenschaft ist aus statisch konfigurierten und für einen einzigen Zweck konzipierten Systemen, wie z. B. der terrestrischen Fernsehübertragung, bekannt. In dieser Arbeit werden im Gegensatz dazu jedoch am Beispiel von WLAN Mehrzweck- und Mehrbenutzersysteme betrachtet. Es handelt sich in derartigen Systemen zur digitalen Datenübertragung dabei um einen entscheidenden Vorteil, unabhängig von der Empfängeranzahl zu bleiben, da es sonst unweigerlich zu Einschränkungen in der Güte der angebotenen Dienstleistung der allgegenwärtigen digitalen Vernetzung kommen muss. Vorliegende Arbeit zeigt in diesem Zusammenhang auf, welche Datenraten unter Benutzung von feedback aggregation in der Verteilung an mehrere Empfänger und in verschiedenen Szenarien zu erreichen sind. Hierbei zeigt sich, dass das Schema im Zusammenspiel mit einer Adaption der Datenrate an den Übertragungskanal inhärent einen Datenratengewinn durch Mehrbenutzerempfang zu erzielen vermag, wenn ein überlagerter idealer Paketauslöschungsschutz-Code angenommen wird. Des weiteren wird bei der Übertragung mit zeitlich begrenzter Ausführungsdauer, z. B. dem sogenannten Live-Fernsehen, aufgezeigt, wie sich die erreichbare Datenrate reduziert und welche Restfehlertoleranz an die Übertragung gestellt werden muss. Hierbei wird ebenso aufgezeigt, wie sich durch Verbesserung der Ratenadaption erstere erhöhen und zweitere verringern lässt. An einem auf handelsüblichen Computer-Systemen realisiertem Prototypen zur Live-Fernsehübertragung können die hierin beschriebenen Mechanismen zu großen Teilen gezeigt werden

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

Dependability Analysis Methodology for FPGA-Based UAV Communication Protocols using UPPAAL-SMC

UAVs are multifaceted devices that have enormous versatility and flexibility in a plethora of various fields. Year over year, UAVs see a tremendous amount of research invested in it to make them more efficient and autonomous when performing a task. This increase in autonomy requires the UAVs to have a dependable link between them to exchange crucial information like current position and speed. These messages are transmitted to avoid collisions and perform missions efficiently. The communication between UAVs depends on several factors like the used telemetry device, distance between the UAVs, speed of the UAVs, and application environment. Hence, an UAV designer must analyze the reliability of the communication based on the desired application environment and necessary communication components in the UAV. Faults can also propagate in UAV components built using the FPGA technology when they are placed in harsh radiation environments like radiation monitoring. These errors can lead to complications in the operation of an UAV communication component, and hence, FPGAs require techniques like blind scrubbing to mitigate these faults. The availability of the communication component can be impacted when using this mitigation approach. Therefore, investigating the optimal configuration to maintain high and consistent availability is crucial. This thesis presents a methodology to perform high-level dependability analysis for UAV communication protocols using statistical model checking. First, we evaluate the reliability of a point-to-point UAV communication using the UAV-UAV framework. The main objective of this framework is to investigate the link reliability between UAVs based on the specifications of the telemetry device and the availability of the communication components. To accomplish this, we propose models to emulate the behavior of two UAVs in air, the condition of the transmitter and receiver, and the data exchange phase between two UAVs. Then, we analyze the availability of an UAV communication module in a harsh radiation environment using blind scrubbing as a mitigation approach. The peak availability of UAV-UAV and UAV-GCS communication components is investigated through the UAV-UAV and UAV-GCS frameworks. The two frameworks utilize the SEU rate computed from the RTL code of the communication component design. Then, implement crucial features like scrubbing interval and scrub time in the transmitter and receiver modules to find the optimal scrubbing interval when the UAV communications with other UAVs or the GCS. Finally, the effect of these faults and limitations of blind scrubbing is also investigated in our work

Mobile Robots Navigation

Mobile robots navigation includes different interrelated activities: (i) perception, as obtaining and interpreting sensory information; (ii) exploration, as the strategy that guides the robot to select the next direction to go; (iii) mapping, involving the construction of a spatial representation by using the sensory information perceived; (iv) localization, as the strategy to estimate the robot position within the spatial map; (v) path planning, as the strategy to find a path towards a goal location being optimal or not; and (vi) path execution, where motor actions are determined and adapted to environmental changes. The book addresses those activities by integrating results from the research work of several authors all over the world. Research cases are documented in 32 chapters organized within 7 categories next described