Runtime Monitoring for Dependable Hardware Design

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

NASA Space Engineering Research Center Symposium on VLSI Design

The NASA Space Engineering Research Center (SERC) is proud to offer, at its second symposium on VLSI design, presentations by an outstanding set of individuals from national laboratories and the electronics industry. These featured speakers share insights into next generation advances that will serve as a basis for future VLSI design. Questions of reliability in the space environment along with new directions in CAD and design are addressed by the featured speakers

Study of spin-scan imaging for outer planets missions

The constraints that are imposed on the Outer Planet Missions (OPM) imager design are of critical importance. Imager system modeling analyses define important parameters and systematic means for trade-offs applied to specific Jupiter orbiter missions. Possible image sequence plans for Jupiter missions are discussed in detail. Considered is a series of orbits that allow repeated near encounters with three of the Jovian satellites. The data handling involved in the image processing is discussed, and it is shown that only minimal processing is required for the majority of images for a Jupiter orbiter mission

Test set generation and optimisation using evolutionary algorithms and cubical calculus.

As the complexity of modern day integrated circuits rises, many of the challenges associated with digital testing rise exponentially. VLSI technology continues to advance at a rapid pace, in accordance with Moore's Law, posing evermore complex, NP-complete problems for the test community. The testing of ICs currently accounts for approximately a third of the overall design costs and according to the Semiconductor Industry Association, the per-transistor test cost will soon exceed the per-transistor production cost. Given the need to test ICs of ever-increasing complexity and to contain the cost of test, the problems of test pattern generation, testability analysis and test set minimisation continue to provide formidable challenges for the research community. This thesis presents original work in these three areas. Firstly, a new method is presented for generating test patterns for multiple output combinational circuits based on the Boolean difference method and cubical calculus. The Boolean difference method has been largely overlooked in automatic test pattern generation algorithms due to its cumbersome, algebraic nature. It is shown that cubical calculus provides an elegant and economical technique for solving Boolean difference equations. Formal mathematical techniques are presented involving the Boolean difference and cubical calculus providing, a test pattern generation method that dispenses with the need for costly circuit simulations. The methods provide the basis for test generation algorithms which are suitable for computer implementation. Secondly, some of the core test pattern generation computations outlined above also provide the basis of a new method for computing testability measures such as controllability and observability. This method is effectively a very economical spin-off of the test pattern generation process using Boolean differences and cubical calculus.The third and largest part of this thesis introduces a new test set minimization algorithm, GA-MITS, based on an evolutionary optimization algorithm. This novel approach applies a genetic algorithm to find minimal or near minimal test sets while maintaining a given fault coverage. The algorithm is designed as a postprocessor to minimise test sets that have been previously generated by an ATPG system and is thus considered a static approach to the test set minimisation problem. It is shown empirically that GA-MITS is remarkably successful in minimizing test sets generated for the ISCAS-85 benchmark circuits and hence potentially capable of reducing the production costs of realistic digital circuits

Regular Datapaths on Field-Programmable Gate Arrays

Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are a recent kind of programmable logic device. They allow the implementation of integrated digital electronic circuits without requiring the complex optical, chemical and mechanical processes used in a conventional chip fabrication. FPGAs can be embedded in traditional system designflows to perform prototyping and emulation tasks. In addition, they also enable novel applications such as configurable computers with hardware dynamically adaptable to a specific problem. The growing chip capacity now allows even the implementation of CPUs and DSPs on single FPGAs. However, current design automation tools trace their roots to times of very limited FPGA sizes, and are primarily optimized for the implementation of random glue logic. The wide datapaths common to CPUs and DSPs are only processed with reduced performance. This thesis presents Structured Design Implementation (SDI), a suite of specialized tools coordinated by a common strategy, which aims to efficiently map even larger regular datapaths to FPGAs. In all steps, regularity is preserved whenever possible, or restored after disruptive operations were required. The circuits are composed from parametrizable modules providing a variety of logical, arithmetical and storage functions. For each module, multiple target FPGA-specific implementation alternatives may be generated in both gatelevel netlist and layout views. A floorplanner based on a genetic algorithm is then used to simultaneously choose an actual implementation from the set of alternatives for each module, and to arrange the selected module implementations in a linear placement. The floorplanning operation optimizes for short routing delays, high routability, and fit into the target FPGA.Field-Programmable Gate-Arrays (FPGAs) sind eine noch junge Art von programmierbaren Logikbausteinen. Sie erlauben die Implementierung von integrierten Digitalschaltungen ohne die komplizierten optischen, chemischen und mechanischen Prozesse, die normalerweise für die Chipfertigung erforderlich sind. FPGAs können im Rahmen konventioneller Entwurfsmethoden zu Emulationszwecken und Prototyp-Aufbauten herangezogen werden. Sie erlauben aber auch völlig neue Anwendungen wie rekonfigurierbare Computer, deren Hardware dynamisch an ein spezielles Problem angepaßt werden kann. Die gewachsene Chip-Kapazität erlaubt nun sogar die Implementierung von CPUs und digitalen Signalprozessoren (DSPs) auf einem einzelnen FPGA. Die Leistungsfähigkeit der entstandenen Schaltungen wird jedoch durch die zur Zeit erhältlichen CAD-Werkzeuge limitiert, da diese noch auf stark beschränkte FPGA-Größen ausgerichtet sind und primär der platzsparenden Verarbeitung unregelmäßiger Logik dienen. Die breiten Datenpfade in Bit-Slice-Struktur, die den Kern vieler CPUs und DSPs darstellen, werden nur suboptimal behandelt. Diese Arbeit stellt Structured Design Implementation (SDI) vor, ein System von spezialisierten CAD-Werkzeugen, die auch größere reguläre Datenpfade effizient auf FPGAs abbilden. In allen Verarbeitungsschritten wird dabei die bestehende Regularität soweit wie möglich erhalten oder nach regularitätsvernichtenden Operationen wiederhergestellt. Zur Schaltungseingabe steht eine Bibliothek von allgemeinen Modulen aus den Bereichen Logik, Arithmetik und Speicherung bereit. Diese können durch Belegung verschiedener Parameter wie Bit-Breiten und Datentypen an aktuelle Anforderungen angepaßt werden

Index to 1986 NASA Tech Briefs, volume 11, numbers 1-4

Short announcements of new technology derived from the R&D activities of NASA are presented. These briefs emphasize information considered likely to be transferrable across industrial, regional, or disciplinary lines and are issued to encourage commercial application. This index for 1986 Tech Briefs contains abstracts and four indexes: subject, personal author, originating center, and Tech Brief Number. The following areas are covered: electronic components and circuits, electronic systems, physical sciences, materials, life sciences, mechanics, machinery, fabrication technology, and mathematics and information sciences

Defense Technical Information Center thesaurus

This DTIC Thesaurus provides a basic multidisciplinary subject term vocabulary used by DTIC to index and retrieve scientific and technical information from its various data bases and to aid DTIC`s users in their information storage and retrieval operations. It includes an alphabetical posting term display, a hierarchy display, and a Keywork Out of Context (KWOC) display