Functional and timing implications of transient faults in critical systems

Embedded systems in critical domains, such as auto-motive, aviation, space domains, are often required to guarantee both functional and temporal correctness. Considering transient faults, fault analysis and mitigation approaches are implemented at various levels of the system design, in order to maintain the functional correctness. However, transient faults and their mitigation methods have a timing impact, which can affect the temporal correctness of the system. In this work, we expose the functional and the timing implications of transient faults for critical systems. More precisely, we initially highlight the timing effect of transient faults occurring in the combinational and sequential logic of a processor. Furthermore, we propose a full stack vulnerability analysis that drives the design of selective hardware-based mitigation for real-time applications. Last, we study the timing impact of software-based reliability mitigation methods applied in a COTS GPU, using a fault tolerant middleware.This work has been partially funded by ANR-FASY (ANR-21-CE25-0008-01) and received funding by ESA through the 4000136514/21/NL/GLC/my co-funded PhD activity ”Mixed Software/Hardware-based Fault-tolerance Techniques for Complex COTS System-on-Chip in Radiation Environments” and the GPU4S (GPU for Space) project. Moreover, it was partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness under grants PID2019-107255GB-C21 and IJC2020-045931-I (Spanish State Research Agency / http://dx.doi.org/10.13039/501100011033), by the European Union’s Horizon 2020 grant agreement No 739551 (KIOS CoE) and from the Government of the Republic of Cyprus through the Cyprus Deputy Ministry of Research, Innovation and Digital Policy.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems

[ES] La utilización de sistemas empotrados en cada vez más ámbitos de aplicación está llevando a que su diseño deba enfrentarse a mayores requisitos de rendimiento, consumo de energía y área (PPA). Asimismo, su utilización en aplicaciones críticas provoca que deban cumplir con estrictos requisitos de confiabilidad para garantizar su correcto funcionamiento durante períodos prolongados de tiempo. En particular, el uso de dispositivos lógicos programables de tipo FPGA es un gran desafío desde la perspectiva de la confiabilidad, ya que estos dispositivos son muy sensibles a la radiación. Por todo ello, la confiabilidad debe considerarse como uno de los criterios principales para la toma de decisiones a lo largo del todo flujo de diseño, que debe complementarse con diversos procesos que permitan alcanzar estrictos requisitos de confiabilidad. Primero, la evaluación de la robustez del diseño permite identificar sus puntos débiles, guiando así la definición de mecanismos de tolerancia a fallos. Segundo, la eficacia de los mecanismos definidos debe validarse experimentalmente. Tercero, la evaluación comparativa de la confiabilidad permite a los diseñadores seleccionar los componentes prediseñados (IP), las tecnologías de implementación y las herramientas de diseño (EDA) más adecuadas desde la perspectiva de la confiabilidad. Por último, la exploración del espacio de diseño (DSE) permite configurar de manera óptima los componentes y las herramientas seleccionados, mejorando así la confiabilidad y las métricas PPA de la implementación resultante. Todos los procesos anteriormente mencionados se basan en técnicas de inyección de fallos para evaluar la robustez del sistema diseñado. A pesar de que existe una amplia variedad de técnicas de inyección de fallos, varias problemas aún deben abordarse para cubrir las necesidades planteadas en el flujo de diseño. Aquellas soluciones basadas en simulación (SBFI) deben adaptarse a los modelos de nivel de implementación, teniendo en cuenta la arquitectura de los diversos componentes de la tecnología utilizada. Las técnicas de inyección de fallos basadas en FPGAs (FFI) deben abordar problemas relacionados con la granularidad del análisis para poder localizar los puntos débiles del diseño. Otro desafío es la reducción del coste temporal de los experimentos de inyección de fallos. Debido a la alta complejidad de los diseños actuales, el tiempo experimental dedicado a la evaluación de la confiabilidad puede ser excesivo incluso en aquellos escenarios más simples, mientras que puede ser inviable en aquellos procesos relacionados con la evaluación de múltiples configuraciones alternativas del diseño. Por último, estos procesos orientados a la confiabilidad carecen de un soporte instrumental que permita cubrir el flujo de diseño con toda su variedad de lenguajes de descripción de hardware, tecnologías de implementación y herramientas de diseño. Esta tesis aborda los retos anteriormente mencionados con el fin de integrar, de manera eficaz, estos procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño. Primeramente, se proponen nuevos métodos de inyección de fallos que permiten una evaluación de la confiabilidad, precisa y detallada, en diferentes niveles del flujo de diseño. Segundo, se definen nuevas técnicas para la aceleración de los experimentos de inyección que mejoran su coste temporal. Tercero, se define dos estrategias DSE que permiten configurar de manera óptima (desde la perspectiva de la confiabilidad) los componentes IP y las herramientas EDA, con un coste experimental mínimo. Cuarto, se propone un kit de herramientas que automatiza e incorpora con eficacia los procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño semicustom. Finalmente, se demuestra la utilidad y eficacia de las propuestas mediante un caso de estudio en el que se implementan tres procesadores empotrados en un FPGA de Xilinx serie 7.[CA] La utilització de sistemes encastats en cada vegada més àmbits d'aplicació està portant al fet que el seu disseny haja d'enfrontar-se a majors requisits de rendiment, consum d'energia i àrea (PPA). Així mateix, la seua utilització en aplicacions crítiques provoca que hagen de complir amb estrictes requisits de confiabilitat per a garantir el seu correcte funcionament durant períodes prolongats de temps. En particular, l'ús de dispositius lògics programables de tipus FPGA és un gran desafiament des de la perspectiva de la confiabilitat, ja que aquests dispositius són molt sensibles a la radiació. Per tot això, la confiabilitat ha de considerar-se com un dels criteris principals per a la presa de decisions al llarg del tot flux de disseny, que ha de complementar-se amb diversos processos que permeten aconseguir estrictes requisits de confiabilitat. Primer, l'avaluació de la robustesa del disseny permet identificar els seus punts febles, guiant així la definició de mecanismes de tolerància a fallades. Segon, l'eficàcia dels mecanismes definits ha de validar-se experimentalment. Tercer, l'avaluació comparativa de la confiabilitat permet als dissenyadors seleccionar els components predissenyats (IP), les tecnologies d'implementació i les eines de disseny (EDA) més adequades des de la perspectiva de la confiabilitat. Finalment, l'exploració de l'espai de disseny (DSE) permet configurar de manera òptima els components i les eines seleccionats, millorant així la confiabilitat i les mètriques PPA de la implementació resultant. Tots els processos anteriorment esmentats es basen en tècniques d'injecció de fallades per a poder avaluar la robustesa del sistema dissenyat. A pesar que existeix una àmplia varietat de tècniques d'injecció de fallades, diverses problemes encara han d'abordar-se per a cobrir les necessitats plantejades en el flux de disseny. Aquelles solucions basades en simulació (SBFI) han d'adaptar-se als models de nivell d'implementació, tenint en compte l'arquitectura dels diversos components de la tecnologia utilitzada. Les tècniques d'injecció de fallades basades en FPGAs (FFI) han d'abordar problemes relacionats amb la granularitat de l'anàlisi per a poder localitzar els punts febles del disseny. Un altre desafiament és la reducció del cost temporal dels experiments d'injecció de fallades. A causa de l'alta complexitat dels dissenys actuals, el temps experimental dedicat a l'avaluació de la confiabilitat pot ser excessiu fins i tot en aquells escenaris més simples, mentre que pot ser inviable en aquells processos relacionats amb l'avaluació de múltiples configuracions alternatives del disseny. Finalment, aquests processos orientats a la confiabilitat manquen d'un suport instrumental que permeta cobrir el flux de disseny amb tota la seua varietat de llenguatges de descripció de maquinari, tecnologies d'implementació i eines de disseny. Aquesta tesi aborda els reptes anteriorment esmentats amb la finalitat d'integrar, de manera eficaç, aquests processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny. Primerament, es proposen nous mètodes d'injecció de fallades que permeten una avaluació de la confiabilitat, precisa i detallada, en diferents nivells del flux de disseny. Segon, es defineixen noves tècniques per a l'acceleració dels experiments d'injecció que milloren el seu cost temporal. Tercer, es defineix dues estratègies DSE que permeten configurar de manera òptima (des de la perspectiva de la confiabilitat) els components IP i les eines EDA, amb un cost experimental mínim. Quart, es proposa un kit d'eines (DAVOS) que automatitza i incorpora amb eficàcia els processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny semicustom. Finalment, es demostra la utilitat i eficàcia de les propostes mitjançant un cas d'estudi en el qual s'implementen tres processadors encastats en un FPGA de Xilinx serie 7.[EN] Embedded systems are steadily extending their application areas, dealing with increasing requirements in performance, power consumption, and area (PPA). Whenever embedded systems are used in safety-critical applications, they must also meet rigorous dependability requirements to guarantee their correct operation during an extended period of time. Meeting these requirements is especially challenging for those systems that are based on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), since they are very susceptible to Single Event Upsets. This leads to increased dependability threats, especially in harsh environments. In such a way, dependability should be considered as one of the primary criteria for decision making throughout the whole design flow, which should be complemented by several dependability-driven processes. First, dependability assessment quantifies the robustness of hardware designs against faults and identifies their weak points. Second, dependability-driven verification ensures the correctness and efficiency of fault mitigation mechanisms. Third, dependability benchmarking allows designers to select (from a dependability perspective) the most suitable IP cores, implementation technologies, and electronic design automation (EDA) tools. Finally, dependability-aware design space exploration (DSE) allows to optimally configure the selected IP cores and EDA tools to improve as much as possible the dependability and PPA features of resulting implementations. The aforementioned processes rely on fault injection testing to quantify the robustness of the designed systems. Despite nowadays there exists a wide variety of fault injection solutions, several important problems still should be addressed to better cover the needs of a dependability-driven design flow. In particular, simulation-based fault injection (SBFI) should be adapted to implementation-level HDL models to take into account the architecture of diverse logic primitives, while keeping the injection procedures generic and low-intrusive. Likewise, the granularity of FPGA-based fault injection (FFI) should be refined to the enable accurate identification of weak points in FPGA-based designs. Another important challenge, that dependability-driven processes face in practice, is the reduction of SBFI and FFI experimental effort. The high complexity of modern designs raises the experimental effort beyond the available time budgets, even in simple dependability assessment scenarios, and it becomes prohibitive in presence of alternative design configurations. Finally, dependability-driven processes lack an instrumental support covering the semicustom design flow in all its variety of description languages, implementation technologies, and EDA tools. Existing fault injection tools only partially cover the individual stages of the design flow, being usually specific to a particular design representation level and implementation technology. This work addresses the aforementioned challenges by efficiently integrating dependability-driven processes into the design flow. First, it proposes new SBFI and FFI approaches that enable an accurate and detailed dependability assessment at different levels of the design flow. Second, it improves the performance of dependability-driven processes by defining new techniques for accelerating SBFI and FFI experiments. Third, it defines two DSE strategies that enable the optimal dependability-aware tuning of IP cores and EDA tools, while reducing as much as possible the robustness evaluation effort. Fourth, it proposes a new toolkit (DAVOS) that automates and seamlessly integrates the aforementioned dependability-driven processes into the semicustom design flow. Finally, it illustrates the usefulness and efficiency of these proposals through a case study consisting of three soft-core embedded processors implemented on a Xilinx 7-series SoC FPGA.Tuzov, I. (2020). Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159883TESI

Efficient fault tolerance for selected scientific computing algorithms on heterogeneous and approximate computer architectures

Scientific computing and simulation technology play an essential role to solve central challenges in science and engineering. The high computational power of heterogeneous computer architectures allows to accelerate applications in these domains, which are often dominated by compute-intensive mathematical tasks. Scientific, economic and political decision processes increasingly rely on such applications and therefore induce a strong demand to compute correct and trustworthy results. However, the continued semiconductor technology scaling increasingly imposes serious threats to the reliability and efficiency of upcoming devices. Different reliability threats can cause crashes or erroneous results without indication. Software-based fault tolerance techniques can protect algorithmic tasks by adding appropriate operations to detect and correct errors at runtime. Major challenges are induced by the runtime overhead of such operations and by rounding errors in floating-point arithmetic that can cause false positives. The end of Dennard scaling induces central challenges to further increase the compute efficiency between semiconductor technology generations. Approximate computing exploits the inherent error resilience of different applications to achieve efficiency gains with respect to, for instance, power, energy, and execution times. However, scientific applications often induce strict accuracy requirements which require careful utilization of approximation techniques. This thesis provides fault tolerance and approximate computing methods that enable the reliable and efficient execution of linear algebra operations and Conjugate Gradient solvers using heterogeneous and approximate computer architectures. The presented fault tolerance techniques detect and correct errors at runtime with low runtime overhead and high error coverage. At the same time, these fault tolerance techniques are exploited to enable the execution of the Conjugate Gradient solvers on approximate hardware by monitoring the underlying error resilience while adjusting the approximation error accordingly. Besides, parameter evaluation and estimation methods are presented that determine the computational efficiency of application executions on approximate hardware. An extensive experimental evaluation shows the efficiency and efficacy of the presented methods with respect to the runtime overhead to detect and correct errors, the error coverage as well as the achieved energy reduction in executing the Conjugate Gradient solvers on approximate hardware

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

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

Proceedings of the 5th International Workshop on Reconfigurable Communication-centric Systems on Chip 2010 - ReCoSoC\u2710 - May 17-19, 2010 Karlsruhe, Germany. (KIT Scientific Reports ; 7551)

ReCoSoC is intended to be a periodic annual meeting to expose and discuss gathered expertise as well as state of the art research around SoC related topics through plenary invited papers and posters. The workshop aims to provide a prospective view of tomorrow\u27s challenges in the multibillion transistor era, taking into account the emerging techniques and architectures exploring the synergy between flexible on-chip communication and system reconfigurability

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

Design Space Exploration and Resource Management of Multi/Many-Core Systems

The increasing demand of processing a higher number of applications and related data on computing platforms has resulted in reliance on multi-/many-core chips as they facilitate parallel processing. However, there is a desire for these platforms to be energy-efficient and reliable, and they need to perform secure computations for the interest of the whole community. This book provides perspectives on the aforementioned aspects from leading researchers in terms of state-of-the-art contributions and upcoming trends

From experiment to design – fault characterization and detection in parallel computer systems using computational accelerators

This dissertation summarizes experimental validation and co-design studies conducted to optimize the fault detection capabilities and overheads in hybrid computer systems (e.g., using CPUs and Graphics Processing Units, or GPUs), and consequently to improve the scalability of parallel computer systems using computational accelerators. The experimental validation studies were conducted to help us understand the failure characteristics of CPU-GPU hybrid computer systems under various types of hardware faults. The main characterization targets were faults that are difficult to detect and/or recover from, e.g., faults that cause long latency failures (Ch. 3), faults in dynamically allocated resources (Ch. 4), faults in GPUs (Ch. 5), faults in MPI programs (Ch. 6), and microarchitecture-level faults with specific timing features (Ch. 7). The co-design studies were based on the characterization results. One of the co-designed systems has a set of source-to-source translators that customize and strategically place error detectors in the source code of target GPU programs (Ch. 5). Another co-designed system uses an extension card to learn the normal behavioral and semantic execution patterns of message-passing processes executing on CPUs, and to detect abnormal behaviors of those parallel processes (Ch. 6). The third co-designed system is a co-processor that has a set of new instructions in order to support software-implemented fault detection techniques (Ch. 7). The work described in this dissertation gains more importance because heterogeneous processors have become an essential component of state-of-the-art supercomputers. GPUs were used in three of the five fastest supercomputers that were operating in 2011. Our work included comprehensive fault characterization studies in CPU-GPU hybrid computers. In CPUs, we monitored the target systems for a long period of time after injecting faults (a temporally comprehensive experiment), and injected faults into various types of program states that included dynamically allocated memory (to be spatially comprehensive). In GPUs, we used fault injection studies to demonstrate the importance of detecting silent data corruption (SDC) errors that are mainly due to the lack of fine-grained protections and the massive use of fault-insensitive data. This dissertation also presents transparent fault tolerance frameworks and techniques that are directly applicable to hybrid computers built using only commercial off-the-shelf hardware components. This dissertation shows that by developing understanding of the failure characteristics and error propagation paths of target programs, we were able to create fault tolerance frameworks and techniques that can quickly detect and recover from hardware faults with low performance and hardware overheads

Error Detection and Diagnosis for System-on-Chip in Space Applications

Tesis por compendio de publicacionesLos componentes electrónicos comerciales, comúnmente llamados componentes Commercial-Off-The-Shelf (COTS) están presentes en multitud de dispositivos habituales en nuestro día a día. Particularmente, el uso de microprocesadores y sistemas en chip (SoC) altamente integrados ha favorecido la aparición de dispositivos electrónicos cada vez más inteligentes que sostienen el estilo de vida y el avance de la sociedad moderna. Su uso se ha generalizado incluso en aquellos sistemas que se consideran críticos para la seguridad, como vehículos, aviones, armamento, dispositivos médicos, implantes o centrales eléctricas. En cualquiera de ellos, un fallo podría tener graves consecuencias humanas o económicas. Sin embargo, todos los sistemas electrónicos conviven constantemente con factores internos y externos que pueden provocar fallos en su funcionamiento. La capacidad de un sistema para funcionar correctamente en presencia de fallos se denomina tolerancia a fallos, y es un requisito en el diseño y operación de sistemas críticos. Los vehículos espaciales como satélites o naves espaciales también hacen uso de microprocesadores para operar de forma autónoma o semi autónoma durante su vida útil, con la dificultad añadida de que no pueden ser reparados en órbita, por lo que se consideran sistemas críticos. Además, las duras condiciones existentes en el espacio, y en particular los efectos de la radiación, suponen un gran desafío para el correcto funcionamiento de los dispositivos electrónicos. Concretamente, los fallos transitorios provocados por radiación (conocidos como soft errors) tienen el potencial de ser una de las mayores amenazas para la fiabilidad de un sistema en el espacio. Las misiones espaciales de gran envergadura, típicamente financiadas públicamente como en el caso de la NASA o la Agencia Espacial Europea (ESA), han tenido históricamente como requisito evitar el riesgo a toda costa por encima de cualquier restricción de coste o plazo. Por ello, la selección de componentes resistentes a la radiación (rad-hard) específicamente diseñados para su uso en el espacio ha sido la metodología imperante en el paradigma que hoy podemos denominar industria espacial tradicional, u Old Space. Sin embargo, los componentes rad-hard tienen habitualmente un coste mucho más alto y unas prestaciones mucho menores que otros componentes COTS equivalentes. De hecho, los componentes COTS ya han sido utilizados satisfactoriamente en misiones de la NASA o la ESA cuando las prestaciones requeridas por la misión no podían ser cubiertas por ningún componente rad-hard existente. En los últimos años, el acceso al espacio se está facilitando debido en gran parte a la entrada de empresas privadas en la industria espacial. Estas empresas no siempre buscan evitar el riesgo a toda costa, sino que deben perseguir una rentabilidad económica, por lo que hacen un balance entre riesgo, coste y plazo mediante gestión del riesgo en un paradigma denominado Nuevo Espacio o New Space. Estas empresas a menudo están interesadas en entregar servicios basados en el espacio con las máximas prestaciones y el mayor beneficio posibles, para lo cual los componentes rad-hard son menos atractivos debido a su mayor coste y menores prestaciones que los componentes COTS existentes. Sin embargo, los componentes COTS no han sido específicamente diseñados para su uso en el espacio y típicamente no incluyen técnicas específicas para evitar que los efectos de la radiación afecten su funcionamiento. Los componentes COTS se comercializan tal cual son, y habitualmente no es posible modificarlos para mejorar su resistencia a la radiación. Además, los elevados niveles de integración de los sistemas en chip (SoC) complejos de altas prestaciones dificultan su observación y la aplicación de técnicas de tolerancia a fallos. Este problema es especialmente relevante en el caso de los microprocesadores. Por tanto, existe un gran interés en el desarrollo de técnicas que permitan conocer y mejorar el comportamiento de los microprocesadores COTS bajo radiación sin modificar su arquitectura y sin interferir en su funcionamiento para facilitar su uso en el espacio y con ello maximizar las prestaciones de las misiones espaciales presentes y futuras. En esta Tesis se han desarrollado técnicas novedosas para detectar, diagnosticar y mitigar los errores producidos por radiación en microprocesadores y sistemas en chip (SoC) comerciales, utilizando la interfaz de traza como punto de observación. La interfaz de traza es un recurso habitual en los microprocesadores modernos, principalmente enfocado a soportar las tareas de desarrollo y depuración del software durante la fase de diseño. Sin embargo, una vez el desarrollo ha concluido, la interfaz de traza típicamente no se utiliza durante la fase operativa del sistema, por lo que puede ser reutilizada sin coste. La interfaz de traza constituye un punto de conexión viable para observar el comportamiento de un microprocesador de forma no intrusiva y sin interferir en su funcionamiento. Como resultado de esta Tesis se ha desarrollado un módulo IP capaz de recabar y decodificar la información de traza de un microprocesador COTS moderno de altas prestaciones. El IP es altamente configurable y personalizable para adaptarse a diferentes aplicaciones y tipos de procesadores. Ha sido diseñado y validado utilizando el dispositivo Zynq-7000 de Xilinx como plataforma de desarrollo, que constituye un dispositivo COTS de interés en la industria espacial. Este dispositivo incluye un procesador ARM Cortex-A9 de doble núcleo, que es representativo del conjunto de microprocesadores hard-core modernos de altas prestaciones. El IP resultante es compatible con la tecnología ARM CoreSight, que proporciona acceso a información de traza en los microprocesadores ARM. El IP incorpora técnicas para detectar errores en el flujo de ejecución y en los datos de la aplicación ejecutada utilizando la información de traza, en tiempo real y con muy baja latencia. El IP se ha validado en campañas de inyección de fallos y también en radiación con protones y neutrones en instalaciones especializadas. También se ha combinado con otras técnicas de tolerancia a fallos para construir técnicas híbridas de mitigación de errores. Los resultados experimentales obtenidos demuestran su alta capacidad de detección y potencialidad en el diagnóstico de errores producidos por radiación. El resultado de esta Tesis, desarrollada en el marco de un Doctorado Industrial entre la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) y la empresa Arquimea, se ha transferido satisfactoriamente al entorno empresarial en forma de un proyecto financiado por la Agencia Espacial Europea para continuar su desarrollo y posterior explotación.Commercial electronic components, also known as Commercial-Off-The-Shelf (COTS), are present in a wide variety of devices commonly used in our daily life. Particularly, the use of microprocessors and highly integrated System-on-Chip (SoC) devices has fostered the advent of increasingly intelligent electronic devices which sustain the lifestyles and the progress of modern society. Microprocessors are present even in safety-critical systems, such as vehicles, planes, weapons, medical devices, implants, or power plants. In any of these cases, a fault could involve severe human or economic consequences. However, every electronic system deals continuously with internal and external factors that could provoke faults in its operation. The capacity of a system to operate correctly in presence of faults is known as fault-tolerance, and it becomes a requirement in the design and operation of critical systems. Space vehicles such as satellites or spacecraft also incorporate microprocessors to operate autonomously or semi-autonomously during their service life, with the additional difficulty that they cannot be repaired once in-orbit, so they are considered critical systems. In addition, the harsh conditions in space, and specifically radiation effects, involve a big challenge for the correct operation of electronic devices. In particular, radiation-induced soft errors have the potential to become one of the major risks for the reliability of systems in space. Large space missions, typically publicly funded as in the case of NASA or European Space Agency (ESA), have followed historically the requirement to avoid the risk at any expense, regardless of any cost or schedule restriction. Because of that, the selection of radiation-resistant components (known as rad-hard) specifically designed to be used in space has been the dominant methodology in the paradigm of traditional space industry, also known as “Old Space”. However, rad-hard components have commonly a much higher associated cost and much lower performance that other equivalent COTS devices. In fact, COTS components have already been used successfully by NASA and ESA in missions that requested such high performance that could not be satisfied by any available rad-hard component. In the recent years, the access to space is being facilitated in part due to the irruption of private companies in the space industry. Such companies do not always seek to avoid the risk at any cost, but they must pursue profitability, so they perform a trade-off between risk, cost, and schedule through risk management in a paradigm known as “New Space”. Private companies are often interested in deliver space-based services with the maximum performance and maximum benefit as possible. With such objective, rad-hard components are less attractive than COTS due to their higher cost and lower performance. However, COTS components have not been specifically designed to be used in space and typically they do not include specific techniques to avoid or mitigate the radiation effects in their operation. COTS components are commercialized “as is”, so it is not possible to modify them to improve their susceptibility to radiation effects. Moreover, the high levels of integration of complex, high-performance SoC devices hinder their observability and the application of fault-tolerance techniques. This problem is especially relevant in the case of microprocessors. Thus, there is a growing interest in the development of techniques allowing to understand and improve the behavior of COTS microprocessors under radiation without modifying their architecture and without interfering with their operation. Such techniques may facilitate the use of COTS components in space and maximize the performance of present and future space missions. In this Thesis, novel techniques have been developed to detect, diagnose, and mitigate radiation-induced errors in COTS microprocessors and SoCs using the trace interface as an observation point. The trace interface is a resource commonly found in modern microprocessors, mainly intended to support software development and debugging activities during the design phase. However, it is commonly left unused during the operational phase of the system, so it can be reused with no cost. The trace interface constitutes a feasible connection point to observe microprocessor behavior in a non-intrusive manner and without disturbing processor operation. As a result of this Thesis, an IP module has been developed capable to gather and decode the trace information of a modern, high-end, COTS microprocessor. The IP is highly configurable and customizable to support different applications and processor types. The IP has been designed and validated using the Xilinx Zynq-7000 device as a development platform, which is an interesting COTS device for the space industry. This device features a dual-core ARM Cortex-A9 processor, which is a good representative of modern, high-end, hard-core microprocessors. The resulting IP is compatible with the ARM CoreSight technology, which enables access to trace information in ARM microprocessors. The IP is able to detect errors in the execution flow of the microprocessor and in the application data using trace information, in real time and with very low latency. The IP has been validated in fault injection campaigns and also under proton and neutron irradiation campaigns in specialized facilities. It has also been combined with other fault-tolerance techniques to build hybrid error mitigation approaches. Experimental results demonstrate its high detection capabilities and high potential for the diagnosis of radiation-induced errors. The result of this Thesis, developed in the framework of an Industrial Ph.D. between the University Carlos III of Madrid (UC3M) and the company Arquimea, has been successfully transferred to the company business as a project sponsored by European Space Agency to continue its development and subsequent commercialization.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidenta: María Luisa López Vallejo.- Secretario: Enrique San Millán Heredia.- Vocal: Luigi Di Lill