Transient error mitigation by means of approximate logic circuits

Mención Internacional en el título de doctorThe technological advances in the manufacturing of electronic circuits have allowed to greatly improve their performance, but they have also increased the sensitivity of electronic devices to radiation-induced errors. Among them, the most common effects are the SEEs, i.e., electrical perturbations provoked by the strike of high-energy particles, which may modify the internal state of a memory element (SEU) or generate erroneous transient pulses (SET), among other effects. These events pose a threat for the reliability of electronic circuits, and therefore fault-tolerance techniques must be applied to deal with them. The most common fault-tolerance techniques are based in full replication (DWC or TMR). These techniques are able to cover a wide range of failure mechanisms present in electronic circuits. However, they suffer from high overheads in terms of area and power consumption. For this reason, lighter alternatives are often sought at the expense of slightly reducing reliability for the least critical circuit sections. In this context a new paradigm of electronic design is emerging, known as approximate computing, which is based on improving the circuit performance in change of slight modifications of the intended functionality. This is an interesting approach for the design of lightweight fault-tolerant solutions, which has not been yet studied in depth. The main goal of this thesis consists in developing new lightweight fault-tolerant techniques with partial replication, by means of approximate logic circuits. These circuits can be designed with great flexibility. This way, the level of protection as well as the overheads can be adjusted at will depending on the necessities of each application. However, finding optimal approximate circuits for a given application is still a challenge. In this thesis a method for approximate circuit generation is proposed, denoted as fault approximation, which consists in assigning constant logic values to specific circuit lines. On the other hand, several criteria are developed to generate the most suitable approximate circuits for each application, by using this fault approximation mechanism. These criteria are based on the idea of approximating the least testable sections of circuits, which allows reducing overheads while minimising the loss of reliability. Therefore, in this thesis the selection of approximations is linked to testability measures. The first criterion for fault selection developed in this thesis uses static testability measures. The approximations are generated from the results of a fault simulation of the target circuit, and from a user-specified testability threshold. The amount of approximated faults depends on the chosen threshold, which allows to generate approximate circuits with different performances. Although this approach was initially intended for combinational circuits, an extension to sequential circuits has been performed as well, by considering the flip-flops as both inputs and outputs of the combinational part of the circuit. The experimental results show that this technique achieves a wide scalability, and an acceptable trade-off between reliability versus overheads. In addition, its computational complexity is very low. However, the selection criterion based in static testability measures has some drawbacks. Adjusting the performance of the generated approximate circuits by means of the approximation threshold is not intuitive, and the static testability measures do not take into account the changes as long as faults are approximated. Therefore, an alternative criterion is proposed, which is based on dynamic testability measures. With this criterion, the testability of each fault is computed by means of an implication-based probability analysis. The probabilities are updated with each new approximated fault, in such a way that on each iteration the most beneficial approximation is chosen, that is, the fault with the lowest probability. In addition, the computed probabilities allow to estimate the level of protection against faults that the generated approximate circuits provide. Therefore, it is possible to generate circuits which stick to a target error rate. By modifying this target, circuits with different performances can be obtained. The experimental results show that this new approach is able to stick to the target error rate with reasonably good precision. In addition, the approximate circuits generated with this technique show better performance than with the approach based in static testability measures. In addition, the fault implications have been reused too in order to implement a new type of logic transformation, which consists in substituting functionally similar nodes. Once the fault selection criteria have been developed, they are applied to different scenarios. First, an extension of the proposed techniques to FPGAs is performed, taking into account the particularities of this kind of circuits. This approach has been validated by means of radiation experiments, which show that a partial replication with approximate circuits can be even more robust than a full replication approach, because a smaller area reduces the probability of SEE occurrence. Besides, the proposed techniques have been applied to a real application circuit as well, in particular to the microprocessor ARM Cortex M0. A set of software benchmarks is used to generate the required testability measures. Finally, a comparative study of the proposed approaches with approximate circuit generation by means of evolutive techniques have been performed. These approaches make use of a high computational capacity to generate multiple circuits by trial-and-error, thus reducing the possibility of falling into local minima. The experimental results demonstrate that the circuits generated with evolutive approaches are slightly better in performance than the circuits generated with the techniques here proposed, although with a much higher computational effort. In summary, several original fault mitigation techniques with approximate logic circuits are proposed. These approaches are demonstrated in various scenarios, showing that the scalability and adaptability to the requirements of each application are their main virtuesLos avances tecnológicos en la fabricación de circuitos electrónicos han permitido mejorar en gran medida sus prestaciones, pero también han incrementado la sensibilidad de los mismos a los errores provocados por la radiación. Entre ellos, los más comunes son los SEEs, perturbaciones eléctricas causadas por el impacto de partículas de alta energía, que entre otros efectos pueden modificar el estado de los elementos de memoria (SEU) o generar pulsos transitorios de valor erróneo (SET). Estos eventos suponen un riesgo para la fiabilidad de los circuitos electrónicos, por lo que deben ser tratados mediante técnicas de tolerancia a fallos. Las técnicas de tolerancia a fallos más comunes se basan en la replicación completa del circuito (DWC o TMR). Estas técnicas son capaces de cubrir una amplia variedad de modos de fallo presentes en los circuitos electrónicos. Sin embargo, presentan un elevado sobrecoste en área y consumo. Por ello, a menudo se buscan alternativas más ligeras, aunque no tan efectivas, basadas en una replicación parcial. En este contexto surge una nueva filosofía de diseño electrónico, conocida como computación aproximada, basada en mejorar las prestaciones de un diseño a cambio de ligeras modificaciones de la funcionalidad prevista. Es un enfoque atractivo y poco explorado para el diseño de soluciones ligeras de tolerancia a fallos. El objetivo de esta tesis consiste en desarrollar nuevas técnicas ligeras de tolerancia a fallos por replicación parcial, mediante el uso de circuitos lógicos aproximados. Estos circuitos se pueden diseñar con una gran flexibilidad. De este forma, tanto el nivel de protección como el sobrecoste se pueden regular libremente en función de los requisitos de cada aplicación. Sin embargo, encontrar los circuitos aproximados óptimos para cada aplicación es actualmente un reto. En la presente tesis se propone un método para generar circuitos aproximados, denominado aproximación de fallos, consistente en asignar constantes lógicas a ciertas líneas del circuito. Por otro lado, se desarrollan varios criterios de selección para, mediante este mecanismo, generar los circuitos aproximados más adecuados para cada aplicación. Estos criterios se basan en la idea de aproximar las secciones menos testables del circuito, lo que permite reducir los sobrecostes minimizando la perdida de fiabilidad. Por tanto, en esta tesis la selección de aproximaciones se realiza a partir de medidas de testabilidad. El primer criterio de selección de fallos desarrollado en la presente tesis hace uso de medidas de testabilidad estáticas. Las aproximaciones se generan a partir de los resultados de una simulación de fallos del circuito objetivo, y de un umbral de testabilidad especificado por el usuario. La cantidad de fallos aproximados depende del umbral escogido, lo que permite generar circuitos aproximados con diferentes prestaciones. Aunque inicialmente este método ha sido concebido para circuitos combinacionales, también se ha realizado una extensión a circuitos secuenciales, considerando los biestables como entradas y salidas de la parte combinacional del circuito. Los resultados experimentales demuestran que esta técnica consigue una buena escalabilidad, y unas prestaciones de coste frente a fiabilidad aceptables. Además, tiene un coste computacional muy bajo. Sin embargo, el criterio de selección basado en medidas estáticas presenta algunos inconvenientes. No resulta intuitivo ajustar las prestaciones de los circuitos aproximados a partir de un umbral de testabilidad, y las medidas estáticas no tienen en cuenta los cambios producidos a medida que se van aproximando fallos. Por ello, se propone un criterio alternativo de selección de fallos, basado en medidas de testabilidad dinámicas. Con este criterio, la testabilidad de cada fallo se calcula mediante un análisis de probabilidades basado en implicaciones. Las probabilidades se actualizan con cada nuevo fallo aproximado, de forma que en cada iteración se elige la aproximación más favorable, es decir, el fallo con menor probabilidad. Además, las probabilidades calculadas permiten estimar la protección frente a fallos que ofrecen los circuitos aproximados generados, por lo que es posible generar circuitos que se ajusten a una tasa de fallos objetivo. Modificando esta tasa se obtienen circuitos aproximados con diferentes prestaciones. Los resultados experimentales muestran que este método es capaz de ajustarse razonablemente bien a la tasa de fallos objetivo. Además, los circuitos generados con esta técnica muestran mejores prestaciones que con el método basado en medidas estáticas. También se han aprovechado las implicaciones de fallos para implementar un nuevo tipo de transformación lógica, consistente en sustituir nodos funcionalmente similares. Una vez desarrollados los criterios de selección de fallos, se aplican a distintos campos. En primer lugar, se hace una extensión de las técnicas propuestas para FPGAs, teniendo en cuenta las particularidades de este tipo de circuitos. Esta técnica se ha validado mediante experimentos de radiación, los cuales demuestran que una replicación parcial con circuitos aproximados puede ser incluso más robusta que una replicación completa, ya que un área más pequeña reduce la probabilidad de SEEs. Por otro lado, también se han aplicado las técnicas propuestas en esta tesis a un circuito de aplicación real, el microprocesador ARM Cortex M0, utilizando un conjunto de benchmarks software para generar las medidas de testabilidad necesarias. Por ´último, se realiza un estudio comparativo de las técnicas desarrolladas con la generación de circuitos aproximados mediante técnicas evolutivas. Estas técnicas hacen uso de una gran capacidad de cálculo para generar múltiples circuitos mediante ensayo y error, reduciendo la posibilidad de caer en algún mínimo local. Los resultados confirman que, en efecto, los circuitos generados mediante técnicas evolutivas son ligeramente mejores en prestaciones que con las técnicas aquí propuestas, pero con un coste computacional mucho mayor. En definitiva, se proponen varias técnicas originales de mitigación de fallos mediante circuitos aproximados. Se demuestra que estas técnicas tienen diversas aplicaciones, haciendo de la flexibilidad y adaptabilidad a los requisitos de cada aplicación sus principales virtudes.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Raoul Velazco.- Secretario: Almudena Lindoso Muñoz.- Vocal: Jaume Segura Fuste

Partial TMR in FPGAs Using Approximate Logic Circuits

TMR is a very effective technique to mitigate SEU effects in FPGAs, but it is often expensive in terms of FPGA resource utilization and power consumption. For certain applications, Partial TMR can be used to trade off the reliability with the cost of mitigation. In this work we propose a new approach to build Partial TMR circuits for FPGAs using approximate logic circuits. This approach is scalable, with a fine granularity, and can provide a flexible balance between reliability and overheads. The proposed approach has been validated by the results of fault injection experiments and proton irradiation campaigns.This work was supported in part by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness under contract ESP2015-68245-C4-1-P

Investigations into the feasibility of an on-line test methodology

This thesis aims to understand how information coding and the protocol that it supports can affect the characteristics of electronic circuits. More specifically, it investigates an on-line test methodology called IFIS (If it Fails It Stops) and its impact on the design, implementation and subsequent characteristics of circuits intended for application specific lC (ASIC) technology. The first study investigates the influences of information coding and protocol on the characteristics of IFIS systems. The second study investigates methods of circuit design applicable to IFIS cells and identifies the· technique possessing the characteristics most suitable for on-line testing. The third study investigates the characteristics of a 'real-life' commercial UART re-engineered using the techniques resulting from the previous two studies. The final study investigates the effects of the halting properties endowed by the protocol on failure diagnosis within IFIS systems. The outcome of this work is an identification and characterisation of the factors that influence behaviour, implementation costs and the ability to test and diagnose IFIS designs

Autonomous Recovery Of Reconfigurable Logic Devices Using Priority Escalation Of Slack

Field Programmable Gate Array (FPGA) devices offer a suitable platform for survivable hardware architectures in mission-critical systems. In this dissertation, active dynamic redundancy-based fault-handling techniques are proposed which exploit the dynamic partial reconfiguration capability of SRAM-based FPGAs. Self-adaptation is realized by employing reconfiguration in detection, diagnosis, and recovery phases. To extend these concepts to semiconductor aging and process variation in the deep submicron era, resilient adaptable processing systems are sought to maintain quality and throughput requirements despite the vulnerabilities of the underlying computational devices. A new approach to autonomous fault-handling which addresses these goals is developed using only a uniplex hardware arrangement. It operates by observing a health metric to achieve Fault Demotion using Recon- figurable Slack (FaDReS). Here an autonomous fault isolation scheme is employed which neither requires test vectors nor suspends the computational throughput, but instead observes the value of a health metric based on runtime input. The deterministic flow of the fault isolation scheme guarantees success in a bounded number of reconfigurations of the FPGA fabric. FaDReS is then extended to the Priority Using Resource Escalation (PURE) online redundancy scheme which considers fault-isolation latency and throughput trade-offs under a dynamic spare arrangement. While deep-submicron designs introduce new challenges, use of adaptive techniques are seen to provide several promising avenues for improving resilience. The scheme developed is demonstrated by hardware design of various signal processing circuits and their implementation on a Xilinx Virtex-4 FPGA device. These include a Discrete Cosine Transform (DCT) core, Motion Estimation (ME) engine, Finite Impulse Response (FIR) Filter, Support Vector Machine (SVM), and Advanced Encryption Standard (AES) blocks in addition to MCNC benchmark circuits. A iii significant reduction in power consumption is achieved ranging from 83% for low motion-activity scenes to 12.5% for high motion activity video scenes in a novel ME engine configuration. For a typical benchmark video sequence, PURE is shown to maintain a PSNR baseline near 32dB. The diagnosability, reconfiguration latency, and resource overhead of each approach is analyzed. Compared to previous alternatives, PURE maintains a PSNR within a difference of 4.02dB to 6.67dB from the fault-free baseline by escalating healthy resources to higher-priority signal processing functions. The results indicate the benefits of priority-aware resiliency over conventional redundancy approaches in terms of fault-recovery, power consumption, and resource-area requirements. Together, these provide a broad range of strategies to achieve autonomous recovery of reconfigurable logic devices under a variety of constraints, operating conditions, and optimization criteria

Efficient protection of the pipeline core for safety-critical processor-based systems

The increasing number of safety-critical commercial applications has generated a need for components with high levels of reliability. As CMOS process sizes continue to shrink, the reliability of ICs is negatively affected since they become more sensitive to transient faults. New circuit designs must take this fact into consideration, and incorporate adequate protection against the effects of transient faults. This paper presents a novel method for protecting the pipelined execution unit of an embedded processor. It is based on a self-configured architecture with hybrid redundancy that can mask single and multiple errors, which can occur on storage elements due to transient or permanent faults. This concept can be easily applied to any processing architecture of this nature with a high safety integrity level. Results from error-injection experiments are also reported that show that this design can maintain a non-interrupted and failure-free operation under single and double errors with a probability that exceeds 99.4%

New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs

Tesis por compendio[EN] Relevance of electronics towards safety of common devices has only been growing, as an ever growing stake of the functionality is assigned to them. But of course, this comes along the constant need for higher performances to fulfill such functionality requirements, while keeping power and budget low. In this scenario, industry is struggling to provide a technology which meets all the performance, power and price specifications, at the cost of an increased vulnerability to several types of known faults or the appearance of new ones. To provide a solution for the new and growing faults in the systems, designers have been using traditional techniques from safety-critical applications, which offer in general suboptimal results. In fact, modern embedded architectures offer the possibility of optimizing the dependability properties by enabling the interaction of hardware, firmware and software levels in the process. However, that point is not yet successfully achieved. Advances in every level towards that direction are much needed if flexible, robust, resilient and cost effective fault tolerance is desired. The work presented here focuses on the hardware level, with the background consideration of a potential integration into a holistic approach. The efforts in this thesis have focused several issues: (i) to introduce additional fault models as required for adequate representativity of physical effects blooming in modern manufacturing technologies, (ii) to provide tools and methods to efficiently inject both the proposed models and classical ones, (iii) to analyze the optimum method for assessing the robustness of the systems by using extensive fault injection and later correlation with higher level layers in an effort to cut development time and cost, (iv) to provide new detection methodologies to cope with challenges modeled by proposed fault models, (v) to propose mitigation strategies focused towards tackling such new threat scenarios and (vi) to devise an automated methodology for the deployment of many fault tolerance mechanisms in a systematic robust way. The outcomes of the thesis constitute a suite of tools and methods to help the designer of critical systems in his task to develop robust, validated, and on-time designs tailored to his application.[ES] La relevancia que la electrónica adquiere en la seguridad de los productos ha crecido inexorablemente, puesto que cada vez ésta copa una mayor influencia en la funcionalidad de los mismos. Pero, por supuesto, este hecho viene acompañado de una necesidad constante de mayores prestaciones para cumplir con los requerimientos funcionales, al tiempo que se mantienen los costes y el consumo en unos niveles reducidos. En este escenario, la industria está realizando esfuerzos para proveer una tecnología que cumpla con todas las especificaciones de potencia, consumo y precio, a costa de un incremento en la vulnerabilidad a múltiples tipos de fallos conocidos o la introducción de nuevos. Para ofrecer una solución a los fallos nuevos y crecientes en los sistemas, los diseñadores han recurrido a técnicas tradicionalmente asociadas a sistemas críticos para la seguridad, que ofrecen en general resultados sub-óptimos. De hecho, las arquitecturas empotradas modernas ofrecen la posibilidad de optimizar las propiedades de confiabilidad al habilitar la interacción de los niveles de hardware, firmware y software en el proceso. No obstante, ese punto no está resulto todavía. Se necesitan avances en todos los niveles en la mencionada dirección para poder alcanzar los objetivos de una tolerancia a fallos flexible, robusta, resiliente y a bajo coste. El trabajo presentado aquí se centra en el nivel de hardware, con la consideración de fondo de una potencial integración en una estrategia holística. Los esfuerzos de esta tesis se han centrado en los siguientes aspectos: (i) la introducción de modelos de fallo adicionales requeridos para la representación adecuada de efectos físicos surgentes en las tecnologías de manufactura actuales, (ii) la provisión de herramientas y métodos para la inyección eficiente de los modelos propuestos y de los clásicos, (iii) el análisis del método óptimo para estudiar la robustez de sistemas mediante el uso de inyección de fallos extensiva, y la posterior correlación con capas de más alto nivel en un esfuerzo por recortar el tiempo y coste de desarrollo, (iv) la provisión de nuevos métodos de detección para cubrir los retos planteados por los modelos de fallo propuestos, (v) la propuesta de estrategias de mitigación enfocadas hacia el tratamiento de dichos escenarios de amenaza y (vi) la introducción de una metodología automatizada de despliegue de diversos mecanismos de tolerancia a fallos de forma robusta y sistemática. Los resultados de la presente tesis constituyen un conjunto de herramientas y métodos para ayudar al diseñador de sistemas críticos en su tarea de desarrollo de diseños robustos, validados y en tiempo adaptados a su aplicación.[CA] La rellevància que l'electrònica adquireix en la seguretat dels productes ha crescut inexorablement, puix cada volta més aquesta abasta una major influència en la funcionalitat dels mateixos. Però, per descomptat, aquest fet ve acompanyat d'un constant necessitat de majors prestacions per acomplir els requeriments funcionals, mentre es mantenen els costos i consums en uns nivells reduïts. Donat aquest escenari, la indústria està fent esforços per proveir una tecnologia que complisca amb totes les especificacions de potència, consum i preu, tot a costa d'un increment en la vulnerabilitat a diversos tipus de fallades conegudes, i a la introducció de nous tipus. Per oferir una solució a les noves i creixents fallades als sistemes, els dissenyadors han recorregut a tècniques tradicionalment associades a sistemes crítics per a la seguretat, que en general oferixen resultats sub-òptims. De fet, les arquitectures empotrades modernes oferixen la possibilitat d'optimitzar les propietats de confiabilitat en habilitar la interacció dels nivells de hardware, firmware i software en el procés. Tot i això eixe punt no està resolt encara. Es necessiten avanços a tots els nivells en l'esmentada direcció per poder assolir els objectius d'una tolerància a fallades flexible, robusta, resilient i a baix cost. El treball ací presentat se centra en el nivell de hardware, amb la consideració de fons d'una potencial integració en una estratègia holística. Els esforços d'esta tesi s'han centrat en els següents aspectes: (i) la introducció de models de fallada addicionals requerits per a la representació adequada d'efectes físics que apareixen en les tecnologies de fabricació actuals, (ii) la provisió de ferramentes i mètodes per a la injecció eficient del models proposats i dels clàssics, (iii) l'anàlisi del mètode òptim per estudiar la robustesa de sistemes mitjançant l'ús d'injecció de fallades extensiva, i la posterior correlació amb capes de més alt nivell en un esforç per retallar el temps i cost de desenvolupament, (iv) la provisió de nous mètodes de detecció per cobrir els reptes plantejats pels models de fallades proposats, (v) la proposta d'estratègies de mitigació enfocades cap al tractament dels esmentats escenaris d'amenaça i (vi) la introducció d'una metodologia automatitzada de desplegament de diversos mecanismes de tolerància a fallades de forma robusta i sistemàtica. Els resultats de la present tesi constitueixen un conjunt de ferramentes i mètodes per ajudar el dissenyador de sistemes crítics en la seua tasca de desenvolupament de dissenys robustos, validats i a temps adaptats a la seua aplicació.Espinosa García, J. (2016). New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73146TESISCompendi

Performance and area optimization for reliable FPGA-based shifter design

This thesis addresses the problem of implementing reliable FPGA-based shifters. An FPGA-based design requires optimization between performance and resource utilization, and an effective verification methodology to validate design behavior. The FPGA-based implementation of a large shifter design is restricted by an I/O resource bottleneck. The verification of the design behavior presents a further challenge due to the \u27black-box\u27 nature of FPGAs. To tackle these design challenges, we propose a novel approach to implement FPGA-based shifters. The proposed design alleviates the I/O bottleneck while significantly reducing the logic resources required. This is achieved with a minimal increase in the design delay. The design is seamlessly scalable to a multi-FPGA chip setup to improve performance or to implement larger shifters. It is configured using assertion checkers for efficient design verification. The assertion-based design is further optimized to alleviate the performance degradation caused by the assertion checkers

Investigation on the Benefits of Safety Margin Improvement in CANDU Nuclear Power Plant Using an FPGA-based Shutdown System

The relationship between response time and safety margin of CANadian Deuterium Uranium (CANDU) nuclear power plant (NPP) is investigated in this thesis. Implementation of safety shutdown system using Field Programmable Gate Array (FPGA) is explored. The fast data processing capability of FPGAs shortens the response time of CANDU shutdown systems (SDS) such that the impact of accident transient can be reduced. The safety margin, which is closely related to the reactor behavior in the event of an accident, is improved as a result of such a faster shutdown process. Theoretical analysis based on neutron dynamic theory is carried out to establish the fact that a faster shutdown process can mitigate accidental consequences. To provide more realistic test cases from a thermalhydraulic perspective, an industry grade simulation tool known as CATHENA is used to generate comparable accident-shutdown transients for different SDS response times. Results from both verification methods explicitly prove the feasibility of improving the safety margin via faster shutdown process. To demonstrate this concept, a prototype of the proposed faster SDS is constructed. The trip logic of CANDU shutdown system No.1 (SDS1) is converted into a digital hardware design and implemented within chosen FPGA platform. The functionality of the FPGA-based SDS1 is implemented, and the response times are tested and compared to those of the existing CANDU SDS1. The achieved 10.5 ms response time of the FPGA-based SDS1 is again applied to the CATHENA simulation process to quantitatively present the 26.98% improvement in the safety margin. To investigate potential improvement in safety margin by using FPGA technology, hardware-in-the-loop (HIL) simulation is performed by connecting the FPGA-based SDS1 to an NPP training simulator. The 6.26% improvement in safety margin has been verified, based on which a 10% potential power upgrade is discussed as another benefit of applying FPGA technology to CANDU NPPs

Novel fault tolerant Multi-Bit Upset (MBU) Error-Detection and Correction (EDAC) architecture

Desde el punto de vista de seguridad, la certificación aeronáutica de aplicaciones críticas de vuelo requiere diferentes técnicas que son usadas para prevenir fallos en los equipos electrónicos. Los fallos de tipo hardware debido a la radiación solar que existe a las alturas standard de vuelo, como SEU (Single Event Upset) y MCU (Multiple Bit Upset), provocan un cambio de estado de los bits que soportan la información almacenada en memoria. Estos fallos se producen, por ejemplo, en la memoria de configuración de una FPGA, que es donde se definen todas las funcionalidades. Las técnicas de protección requieren normalmente de redundancias que incrementan el coste, número de componentes, tamaño de la memoria y peso. En la fase de desarrollo de aplicaciones críticas de vuelo, generalmente se utilizan una serie de estándares o recomendaciones de diseño como ABD100, RTCA DO-160, IEC62395, etc, y diferentes técnicas de protección para evitar fallos del tipo SEU o MCU. Estas técnicas están basadas en procesos tecnológicos específicos como memorias robustas, codificaciones para detección y corrección de errores (EDAC), redundancias software, redundancia modular triple (TMR) o soluciones a nivel sistema. Esta tesis está enfocada a minimizar e incluso suprimir los efectos de los SEUs y MCUs que particularmente ocurren en la electrónica de avión como consecuencia de la exposición a radiación de partículas no cargadas (como son los neutrones) que se encuentra potenciada a las típicas alturas de vuelo. La criticidad en vuelo que tienen determinados sistemas obligan a que dichos sistemas sean tolerantes a fallos, es decir, que garanticen un correcto funcionamiento aún cuando se produzca un fallo en ellos. Es por ello que soluciones como las presentadas en esta tesis tienen interés en el sector industrial. La Tesis incluye una descripción inicial de la física de la radiación incidente sobre aeronaves, y el análisis de sus efectos en los componentes electrónicos aeronaúticos basados en semiconductor, que desembocan en la generación de SEUs y MCUs. Este análisis permite dimensionar adecuadamente y optimizar los procedimientos de corrección que se propongan posteriormente. La Tesis propone un sistema de corrección de fallos SEUs y MCUs que permita cumplir la condición de Sistema Tolerante a Fallos, a la vez que minimiza los niveles de redundancia y de complejidad de los códigos de corrección. El nivel de redundancia es minimizado con la introducción del concepto propuesto HSB (Hardwired Seed Bits), en la que se reduce la información esencial a unos pocos bits semilla, neutros frente a radiación. Los códigos de corrección requeridos se reducen a la corrección de un único error, gracias al uso del concepto de Distancia Virtual entre Bits, a partir del cual será posible corregir múltiples errores simultáneos (MCUs) a partir de códigos simples de corrección. Un ejemplo de aplicación de la Tesis es la implementación de una Protección Tolerante a Fallos sobre la memoria SRAM de una FPGA. Esto significa que queda protegida no sólo la información contenida en la memoria sino que también queda auto-protegida la función de protección misma almacenada en la propia SRAM. De esta forma, el sistema es capaz de auto-regenerarse ante un SEU o incluso un MCU, independientemente de la zona de la SRAM sobre la que impacte la radiación. Adicionalmente, esto se consigue con códigos simples tales como corrección por bit de paridad y Hamming, minimizando la dedicación de recursos de computación hacia tareas de supervisión del sistema.For airborne safety critical applications certification, different techniques are implemented to prevent failures in electronic equipments. The HW failures at flying heights of aircrafts related to solar radiation such as SEU (Single-Event-Upset) and MCU (Multiple Bit Upset), causes bits alterations that corrupt the information at memories. These HW failures cause errors, for example, in the Configuration-Code of an FPGA that defines the functionalities. The protection techniques require classically redundant functionalities that increases the cost, components, memory space and weight. During the development phase for airborne safety critical applications, different aerospace standards are generally recommended as ABD100, RTCA-DO160, IEC62395, etc, and different techniques are classically used to avoid failures such as SEU or MCU. These techniques are based on specific technology processes, Hardened memories, error detection and correction codes (EDAC), SW redundancy, Triple Modular Redundancy (TMR) or System level solutions. This Thesis is focussed to minimize, and even to remove, the effects of SEUs and MCUs, that particularly occurs in the airborne electronics as a consequence of its exposition to solar radiation of non-charged particles (for example the neutrons). These non-charged particles are even powered at flying altitudes due to aircraft volume. The safety categorization of different equipments/functionalities requires a design based on fault-tolerant approach that means, the system will continue its normal operation even if a failure occurs. The solution proposed in this Thesis is relevant for the industrial sector because of its Fault-tolerant capability. Thesis includes an initial description for the physics of the solar radiation that affects into aircrafts, and also the analyses of their effects into the airborne electronics based on semiconductor components that create the SEUs and MCUs. This detailed analysis allows the correct sizing and also the optimization of the procedures used to correct the errors. This Thesis proposes a system that corrects the SEUs and MCUs allowing the fulfilment of the Fault-Tolerant requirement, reducing the redundancy resources and also the complexity of the correction codes. The redundancy resources are minimized thanks to the introduction of the concept of HSB (Hardwired Seed Bits), in which the essential information is reduced to a few seed bits, neutral to radiation. The correction codes required are reduced to the correction of one error thanks to the use of the concept of interleaving distance between adjacent bits, this allows the simultaneous multiple error correction with simple single error correcting codes. An example of the application of this Thesis is the implementation of the Fault-tolerant architecture of an SRAM-based FPGA. That means that the information saved in the memory is protected but also the correction functionality is auto protected as well, also saved into SRAM memory. In this way, the system is able to self-regenerate the information lost in case of SEUs or MCUs. This is independent of the SRAM area affected by the radiation. Furthermore, this performance is achieved by means simple error correcting codes, as parity bits or Hamming, that minimize the use of computational resources to this supervision tasks for system.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Luis Alfonso Entrena Arrontes.- Secretario: Pedro Reviriego Vasallo.- Vocal: Mª Luisa López Vallej