Microarchitecture-level reliability assessment of multi-bit upsets in processors

Η συνεχιζόμενη μείωση στις διαστάσεις των μοντέρνων Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων (Ο.Κ.) οδηγούν στον ολοένα και πιο σημαντικό ρόλο των αξιολογήσεων αξιοπιστίας και ευπάθειας στον επεξεργαστή, σε πρόωρα στάδια της σχεδίασης (pre-silicon validation). Με την εξέλιξη των τεχνολογικών κόμβων, τα αποτελέσματα της ακτινοβολίας παίζουν μεγαλύτερο ρόλο, οδηγώντας σε πιο σημαντικά αποτελέσματα στις συσκευές, με μια επιπρόσθετη αύξηση σε σφάλματα πολλαπλών bit. Συνεπώς, είναι καθοριστική η χρησιμοποίηση κάποιων κοινών μηχανισμών εισαγωγής σφαλμάτων για την αξιολόγηση κάθε σχεδίου, χρησιμοποιώντας προσομοιωτές μικρό-αρχιτεκτονικής, που μας παρέχουν ευελιξία και βελτιωμένη ταχύτητα, σε σύγκριση με τα σχέδια Επιπέδου Μεταφοράς Καταχωρητή. Αυτή η διπλωματική εργασία, εστιάζει στα σφάλματα πολλών bit, παρουσιάζοντας τα αποτελέσματα τους σε διαφορετικές δομές ενός μικρό-αρχιτεκτονικού μοντέλου του επεξεργαστή ARM Cortex-A9, που έχει υλοποιηθεί στον προσομοιωτή Gem5. Για αυτό τον λόγο χρησιμοποιείται για τις εκστρατείες εισαγωγής σφαλμάτων o GeFIN (Gem-5 based Fault INjector), με την προσθήκη μιας βελτιωμένης γεννήτριας σφαλμάτων, για τη δημιουργία μασκών σφαλμάτων με κάποια πολύ συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Η βελτιωμένη έκδοση της γεννήτριας, περιλαμβάνει την δυνατότητα για την εισαγωγή σφαλμάτων πολλών bit σε γειτονικές περιοχές κάθε δομής, μια πολύ συνηθισμένη περίπτωση σε πραγματικά περιβάλλοντα. Η γεννήτρια περιλαμβάνει επίσης της δυνατότητα για την εισαγωγή σφαλμάτων σε διεμπλεκόμενες (interleaved) μνήμες, ένας μηχανισμός που χρησιμοποιείται για το περιορισμό των αποτελεσμάτων των σφαλμάτων πολλών bit. Τα αποτελέσματα αυτής της διπλωματικής εργασίας, έδειξαν ότι κάποιες συγκεκριμένες δομές του επεξεργαστή-υπό-εξέταση (π.χ. ο Instruction Translation Lookaside Buffer) έδειξαν μεγάλη ευπάθεια στην εισαγωγή σφαλμάτων, με ποσοστά έως και 25% σωστών εκτελέσεων για 1000 πειράματα, ενώ άλλες δομές όπως οι Κρυφές Μνήμες Εντολών και Δεδομένων 1ου επιπέδου και η Κρυφή Μνήμη 2ου επιπέδου, έδειξαν μεγαλύτερη ευπάθεια στον αυξανόμενο αριθμό εισαγόμενων σφαλμάτων, με διακυμάνσεις μέχρι και 24% ανάμεσα στη εισαγωγή ενός και τριών σφαλμάτων στην κρυφή μνήμη 1ου επιπέδου. Αυτοί οι αριθμοί σχετιζόταν με τον θεωρητικό Architectural Vulnerability Factor (AVF) και ήταν ανεξάρτητοι από την τεχνολογία κατασκευής. Πραγματοποιήθηκε μια επέκταση στους υπολογισμούς για τον υπολογισμό των AVFs για κάθε τεχνολογικό κόμβο από 250 έως 22 nm, που έδειξε αυξημένα ποσοστά AVF όσο ο κόμβος μειωνόταν. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μια ανάλυση αξιοπιστίας, χρησιμοποιώντας την μετρική Failures in Time (FIT), που έδειξε του υψηλότερους αριθμούς για την Κρυφή Μνήμη 2ου επιπέδου, κυρίως λόγω του μεγέθους της (4 MBits) με ένα FIT ίσο με 822.9 στα 130 nm. Ο FIT του επεξεργαστή είχε μέγιστο το 918 στον ίδιο κόμβο, ενώ παρατηρήσαμε ότι για κόμβους μικρότερους από 130 nm οι FIT μειώνονται, κυρίως επειδή υπάρχει μείωση στον παράγοντα raw FIT κάθε τεχνολογίας.The continuing decrease in feature sizes for modern Integrated Circuits (ICs) leads to an ever-important role of reliability and vulnerability assessments on the core in early stages of the design (pre-silicon validation). With the increase of the lithography resolution in recent technological nodes, the radiation effects play a bigger role, leading to more severe effects in the devices and increased numbers of multi-bit faults. Therefore, it is crucial to utilize some common fault injection mechanisms to evaluate each design, using micro-architectural simulators, which provide us with flexibility and improved latency, compared to RTL (Register Transfer Level) designs. This thesis focuses on the multi-bit faults, showing their effects on different components of a microarchitectural model of the ARM Cortex-A9 core, implemented on the Gem5 simulator. For that, the GeFIN (Gem-5 based Fault INjector) is used for the fault injection campaigns, with the addition of an improved fault mask generation tool for the creation of fault masks with some particular characteristics. The improved version of the fault mask generator includes the capability for the injection of multi-bit faults in adjacent areas of a structure, a case very common in real environments. The generator also includes the ability to insert faults in interleaved memories, a widely used technique to mitigate the effects of multiple bit upsets. The results of this study showed that some specific components of the core under test (e.g. the Instruction Translation Lookaside Buffer) showed significant vulnerability to fault injection, with rates as low as 25% correct executions for 1000 experiments, while others like the Level 1 Data/Instruction Caches and the Level 2 Cache showed bigger vulnerability to the increasing number of faults injected, with a variation of as high as 24% between single and triple bit fault injection for the L1 D-Cache. Those numbers were related to the “theoretical” Architectural Vulnerability Factor (AVF), independent of the fabrication technology node. An extension in the calculation was done to compute the AVFs for each technology node from 250 nm to 22 nm, showing increasing AVF rates as the node decreases. Lastly, a reliability assessment was done, using the Failures in Time (FIT) metric, which showed the highest numbers for the Level 2 Cache, primarily because of its size (4 MBits) with a FIT of 822.9 at the 130 nm. The FIT of the core showed a high of 918 at the same node, while we observed that for nodes smaller than 130 nm the FITs decreased primarily because of the decrease of the raw FIT factor of each technology