Dynamic Partial Reconfiguration for Dependable Systems

Moore’s law has served as goal and motivation for consumer electronics manufacturers in the last decades. The results in terms of processing power increase in the consumer electronics devices have been mainly achieved due to cost reduction and technology shrinking. However, reducing physical geometries mainly affects the electronic devices’ dependability, making them more sensitive to soft-errors like Single Event Transient (SET) of Single Event Upset (SEU) and hard (permanent) faults, e.g. due to aging effects. Accordingly, safety critical systems often rely on the adoption of old technology nodes, even if they introduce longer design time w.r.t. consumer electronics. In fact, functional safety requirements are increasingly pushing industry in developing innovative methodologies to design high-dependable systems with the required diagnostic coverage. On the other hand commercial off-the-shelf (COTS) devices adoption began to be considered for safety-related systems due to real-time requirements, the need for the implementation of computationally hungry algorithms and lower design costs. In this field FPGA market share is constantly increased, thanks to their flexibility and low non-recurrent engineering costs, making them suitable for a set of safety critical applications with low production volumes. The works presented in this thesis tries to face new dependability issues in modern reconfigurable systems, exploiting their special features to take proper counteractions with low impacton performances, namely Dynamic Partial Reconfiguration

Embedded electronic systems driven by run-time reconfigurable hardware

Abstract This doctoral thesis addresses the design of embedded electronic systems based on run-time reconfigurable hardware technology –available through SRAM-based FPGA/SoC devices– aimed at contributing to enhance the life quality of the human beings. This work does research on the conception of the system architecture and the reconfiguration engine that provides to the FPGA the capability of dynamic partial reconfiguration in order to synthesize, by means of hardware/software co-design, a given application partitioned in processing tasks which are multiplexed in time and space, optimizing thus its physical implementation –silicon area, processing time, complexity, flexibility, functional density, cost and power consumption– in comparison with other alternatives based on static hardware (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). The design flow of such technology is evaluated through the prototyping of several engineering applications (control systems, mathematical coprocessors, complex image processors, etc.), showing a high enough level of maturity for its exploitation in the industry.Resumen Esta tesis doctoral abarca el diseño de sistemas electrónicos embebidos basados en tecnología hardware dinámicamente reconfigurable –disponible a través de dispositivos lógicos programables SRAM FPGA/SoC– que contribuyan a la mejora de la calidad de vida de la sociedad. Se investiga la arquitectura del sistema y del motor de reconfiguración que proporcione a la FPGA la capacidad de reconfiguración dinámica parcial de sus recursos programables, con objeto de sintetizar, mediante codiseño hardware/software, una determinada aplicación particionada en tareas multiplexadas en tiempo y en espacio, optimizando así su implementación física –área de silicio, tiempo de procesado, complejidad, flexibilidad, densidad funcional, coste y potencia disipada– comparada con otras alternativas basadas en hardware estático (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). Se evalúa el flujo de diseño de dicha tecnología a través del prototipado de varias aplicaciones de ingeniería (sistemas de control, coprocesadores aritméticos, procesadores de imagen, etc.), evidenciando un nivel de madurez viable ya para su explotación en la industria.Resum Aquesta tesi doctoral està orientada al disseny de sistemes electrònics empotrats basats en tecnologia hardware dinàmicament reconfigurable –disponible mitjançant dispositius lògics programables SRAM FPGA/SoC– que contribueixin a la millora de la qualitat de vida de la societat. S’investiga l’arquitectura del sistema i del motor de reconfiguració que proporcioni a la FPGA la capacitat de reconfiguració dinàmica parcial dels seus recursos programables, amb l’objectiu de sintetitzar, mitjançant codisseny hardware/software, una determinada aplicació particionada en tasques multiplexades en temps i en espai, optimizant així la seva implementació física –àrea de silici, temps de processat, complexitat, flexibilitat, densitat funcional, cost i potència dissipada– comparada amb altres alternatives basades en hardware estàtic (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). S’evalúa el fluxe de disseny d’aquesta tecnologia a través del prototipat de varies aplicacions d’enginyeria (sistemes de control, coprocessadors aritmètics, processadors d’imatge, etc.), demostrant un nivell de maduresa viable ja per a la seva explotació a la indústria

Using Relocatable Bitstreams for Fault Tolerance

This research develops a method for relocating reconfigurable modules on the Virtex-II (Pro) family of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). A bitstream translation program is developed which correctly changes the location of a partial bitstream that implements a module on the FPGA. To take advantage of relocatable modules, three fault-tolerance circuit designs are developed and tested. This circuit can operate through a fault by efficiently removing the faulty module and replacing it with a relocated module without faults. The FPGA can recover from faults at a known location, without the need for external intervention using an embedded fault recovery system. The recovery system uses an internal PowerPC to relocate the modules and reprogram the FPGA. Due to the limited architecture of the target FPGA and Xilinx tool errors, an FPGA with automatic fault recovery could not be demonstrated. However, the various components needed to do this type of recovery have been implemented and demonstrated individually

New Design Techniques for Dynamic Reconfigurable Architectures

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

FPGA dynamic and partial reconfiguration : a survey of architectures, methods, and applications

Dynamic and partial reconfiguration are key differentiating capabilities of field programmable gate arrays (FPGAs). While they have been studied extensively in academic literature, they find limited use in deployed systems. We review FPGA reconfiguration, looking at architectures built for the purpose, and the properties of modern commercial architectures. We then investigate design flows, and identify the key challenges in making reconfigurable FPGA systems easier to design. Finally, we look at applications where reconfiguration has found use, as well as proposing new areas where this capability places FPGAs in a unique position for adoption

An embedded system supporting dynamic partial reconfiguration of hardware resources for morphological image processing

Processors for high-performance computing applications are generally designed with a focus on high clock rates, parallelism of operations and high communication bandwidth, often at the expense of large power consumption. However, the emphasis of many embedded systems and untethered devices is on minimal hardware requirements and reduced power consumption. With the incessant growth of computational needs for embedded applications, which contradict chip power and area needs, the burden is put on the hardware designers to come up with designs that optimize power and area requirements. This thesis investigates the efficient design of an embedded system for morphological image processing applications on Xilinx FPGAs (Field Programmable Gate Array) by optimizing both area and power usage while delivering high performance. The design leverages a unique capability of FPGAs called dynamic partial reconfiguration (DPR) which allows changing the hardware configuration of silicon pieces at runtime. DPR allows regions of the FPGA to be reprogrammed with new functionality while applications are still running in the remainder of the device. The main aim of this thesis is to design an embedded system for morphological image processing by accounting for real time and area constraints as compared to a statically configured FPGA. IP (Intellectual Property) cores are synthesized for both static and dynamic time. DPR enables instantiation of more hardware logic over a period of time on an existing device by time-multiplexing the hardware realization of functions. A comparison of power consumption is presented for the statically and dynamically reconfigured designs. Finally, a performance comparison is included for the implementation of the respective algorithms on a hardwired ARM processor as well as on another general-purpose processor. The results prove the viability of DPR for morphological image processing applications

Compact Field Programmable Gate Array Based Physical Unclonable Functions Circuits

The Physical Unclonable Functions (PUFs) is a candidate to provide a secure solid root source for identification and authentication applications. It is precious for FPGA-based systems, as FPGA designs are vulnerable to IP thefts and cloning. Ideally, the PUFs should have strong random variations from one chip to another, and thus each PUF is unique and hard to replicate. Also, the PUFs should be stable over time so that the same challenge bits always yield the same result. Correspondingly, one of the major challenges for FPGA-based PUFs is the difficulty of avoiding systematic bias in the integrated circuits but also pulling out consistent characteristics as the PUF at the same time. This thesis discusses several compact PUF structures relying on programmable delay lines (PDLs) and our novel intertwined programmable delays (IPD). We explore the strategy to extract the genuinely random PUF from these structures by minimizing the systematic biases. Yet, our methods still maintain very high reliability. Furthermore, our proposed designs, especially the TERO-based PUFs, show promising resilience to machine learning (ML) attacks. We also suggest the bit-bias metric to estimate PUF’s complexity quickly

Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

Heutzutage bieten field-programmable gate arrays (FPGAs) enorme Rechenleistung und Flexibilität. Zudem sind sie oft auf einem einzigen Chip mit eingebetteten Multicore-Prozessoren, DSP-Engines und Speicher-Controllern integriert. Dadurch sind sie für große und komplexe Anwendungen geeignet. Gleichzeitig führten die Fortschritte auf dem Gebiet der High-Level-Synthese und die Verfügbarkeit standardisierter Schnittstellen (wie etwa das Advanced eXtensible Interface 4) zur Entwicklung spezialisierter und neuartiger Funktionalitäten durch Designhäuser. All dies schuf einen Bedarf für ein Outsourcing der Entwicklung oder die Lizenzierung von FPGA-IPs (Intellectual Property). Ein Pay-per-Use IP-Lizenzierungsmodell, bei dem diese IPs vor allen Marktteilnehmern geschützt sind, kommt den Entwicklern der IPs zugute. Außerdem handelt es sich bei den Entwicklern von FPGA-Systemen in der Regel um kleine bis mittlere Unternehmen, die in Bezug auf die Markteinführungszeit und die Kosten pro Einheit von einem solchen Lizenzierungsmodell profitieren können. Im akademischen Bereich und in der Industrie gibt es mehrere IP-Lizenzierungsmodelle und Schutzlösungen, die eingesetzt werden können, die jedoch mit zahlreichen Sicherheitsproblemen behaftet sind. In einigen Fällen verursachen die vorgeschlagenen Sicherheitsmaßnahmen einen unnötigen Ressourcenaufwand und Einschränkungen für die Systementwickler, d. h., sie können wesentliche Funktionen ihres Geräts nicht nutzen. Darüber hinaus lassen sie zwei funktionale Herausforderungen außer Acht: das Floorplanning der IP auf der programmierbaren Logik (PL) und die Generierung des Endprodukts der IP (Bitstream) unabhängig vom Gesamtdesign. In dieser Arbeit wird ein Pay-per-Use-Lizenzierungsschema vorgeschlagen und unter Verwendung eines security framework (SFW) realisiert, um all diese Herausforderungen anzugehen. Das vorgestellte Schema ist pragmatisch, weniger restriktiv für Systementwickler und bietet Sicherheit gegen IP-Diebstahl. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, um das System vor einem IP zu schützen, das bösartige Schaltkreise enthält. Das „Secure Framework“ umfasst ein vertrauenswürdiges Betriebssystem, ein reichhaltiges Betriebssystem, mehrere unterstützende Komponenten (z. B. TrustZone- Logik, gegen Seitenkanalangriffe (SCA) resistente Entschlüsselungsschaltungen) und Softwarekomponenten, z. B. für die Bitstromanalyse. Ein Gerät, auf dem das SFW läuft, kann als vertrauenswürdiges Gerät betrachtet werden, das direkt mit einem Repository oder einem IP-Core-Entwickler kommunizieren kann, um IPs in verschlüsselter Form zu erwerben. Die Entschlüsselung und Authentifizierung des IPs erfolgt auf dem Gerät, was die Angriffsfläche verringert und es weniger anfällig für IP-Diebstahl macht. Außerdem werden Klartext-IPs in einem geschützten Speicher des vertrauenswürdigen Betriebssystems abgelegt. Das Klartext-IP wird dann analysiert und nur dann auf der programmierbaren Logik konfiguriert, wenn es authentisch ist und keine bösartigen Schaltungen enthält. Die Bitstrom-Analysefunktionalität und die SFW-Unterkomponenten ermöglichen die Partitionierung der PL-Ressourcen in sichere und unsichere Ressourcen, d. h. die Erweiterung desKonzepts der vertrauenswürdigen Ausführungsumgebung (TEE) auf die PL. Dies ist die erste Arbeit, die das TEE-Konzept auf die programmierbare Logik ausweitet. Bei der oben erwähnten SCA-resistenten Entschlüsselungsschaltung handelt es sich um die Implementierung des Advanced Encryption Standard, der so modifiziert wurde, dass er gegen elektromagnetische und stromverbrauchsbedingte Leckagen resistent ist. Das geschützte Design verfügt über zwei Gegenmaßnahmen, wobei die erste auf einer Vielzahl unterschiedler Implementierungsvarianten und veränderlichen Zielpositionen bei der Konfiguration basiert, während die zweite nur unterschiedliche Implementierungsvarianten verwendet. Diese Gegenmaßnahmen sind auch während der Laufzeit skalierbar. Bei der Bewertung werden auch die Auswirkungen der Skalierbarkeit auf den Flächenbedarf und die Sicherheitsstärke berücksichtigt. Darüber hinaus wird die zuvor erwähnte funktionale Herausforderung des IP Floorplanning durch den Vorschlag eines feinkörnigen Automatic Floorplanners angegangen, der auf gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung basiert und aktuelle FPGAGenerationen mit größeren und komplexen Bausteine unterstützt. Der Floorplanner bildet eine Reihe von IPs auf dem FPGA ab, indem er präzise rekonfigurierbare Regionen schafft. Dadurch werden die verbleibenden verfügbaren Ressourcen für das Gesamtdesign maximiert. Die zweite funktionale Herausforderung besteht darin, dass die vorhandenen Tools keine native Funktionalität zur Erzeugung von IPs in einer eigenständigen Umgebung bieten. Diese Herausforderung wird durch den Vorschlag eines unabhängigen IP-Generierungsansatzes angegangen. Dieser Ansatz kann von den Marktteilnehmern verwendet werden, um IPs eines Entwurfs unabhängig vom Gesamtentwurf zu generieren, ohne die Kompatibilität der IPs mit dem Gesamtentwurf zu beeinträchtigen

Fault-tolerant fpga for mission-critical applications.

One of the devices that play a great role in electronic circuits design, specifically safety-critical design applications, is Field programmable Gate Arrays (FPGAs). This is because of its high performance, re-configurability and low development cost. FPGAs are used in many applications such as data processing, networks, automotive, space and industrial applications. Negative impacts on the reliability of such applications result from moving to smaller feature sizes in the latest FPGA architectures. This increases the need for fault-tolerant techniques to improve reliability and extend system lifetime of FPGA-based applications. In this thesis, two fault-tolerant techniques for FPGA-based applications are proposed with a built-in fault detection region. A low cost fault detection scheme is proposed for detecting faults using the fault detection region used in both schemes. The fault detection scheme primarily detects open faults in the programmable interconnect resources in the FPGAs. In addition, Stuck-At faults and Single Event Upsets (SEUs) fault can be detected. For fault recovery, each scheme has its own fault recovery approach. The first approach uses a spare module and a 2-to-1 multiplexer to recover from any fault detected. On the other hand, the second approach recovers from any fault detected using the property of Partial Reconfiguration (PR) in the FPGAs. It relies on identifying a Partially Reconfigurable block (P_b) in the FPGA that is used in the recovery process after the first faulty module is identified in the system. This technique uses only one location to recover from faults in any of the FPGA’s modules and the FPGA interconnects. Simulation results show that both techniques can detect and recover from open faults. In addition, Stuck-At faults and Single Event Upsets (SEUs) fault can also be detected. Finally, both techniques require low area overhead