5 research outputs found
Novel lockstep-based fault mitigation approach for SoCs with roll-back and roll-forward recovery
All-Programmable System-on-Chips (APSoCs) constitute a compelling option for employing applications in radiation environments thanks to their high-performance computing and power efficiency merits. Despite these advantages, APSoCs are sensitive to radiation like any other electronic device. Processors embedded in APSoCs, therefore, have to be adequately hardened against ionizing-radiation to make them a viable choice of design for harsh environments. This paper proposes a novel lockstep-based approach to harden the dual-core ARM Cortex-A9 processor in the Xilinx Zynq-7000 APSoC against radiation-induced soft errors by coupling it with a MicroBlaze TMR subsystem in the programmable logic (PL) layer of the Zynq. The proposed technique uses the concepts of checkpointing along with roll-back and roll-forward mechanisms at the software level, i.e. software redundancy, as well as processor replication and checker circuits at the hardware level (i.e. hardware redundancy). Results of fault injection experiments show that the proposed approach achieves high levels of protection against soft errors by mitigating around 98% of bit-flips injected into the register files of both ARM cores while keeping timing performance overhead as low as 25% if block and application sizes are adjusted appropriately. Furthermore, the incorporation of the roll-forward recovery operation in addition to the roll-back operation improves the Mean Workload between Failures (MWBF) of the system by up to ≈19% depending on the nature of the running application, since the application can proceed faster, in a scenario where a fault occurs, when treated with the roll-forward operation rather than roll-back operation. Thus, relatively more data can be processed before the next error occurs in the system
Approximate Computing Strategies for Low-Overhead Fault Tolerance in Safety-Critical Applications
This work studies the reliability of embedded systems with approximate computing on software and hardware designs. It presents approximate computing methods and proposes approximate fault tolerance techniques applied to programmable hardware and embedded software to provide reliability at low computational costs. The objective of this thesis is the development of fault tolerance techniques based on approximate computing and proving that approximate computing can be applied to most safety-critical systems. It starts with an experimental analysis of the reliability of embedded systems used at safety-critical projects. Results show that the reliability of single-core systems, and types of errors they are sensitive to, differ from multicore processing systems. The usage of an operating system and two different parallel programming APIs are also evaluated. Fault injection experiment results show that embedded Linux has a critical impact on the system’s reliability and the types of errors to which it is most sensitive. Traditional fault tolerance techniques and parallel variants of them are evaluated for their fault-masking capability on multicore systems. The work shows that parallel fault tolerance can indeed not only improve execution time but also fault-masking. Lastly, an approximate parallel fault tolerance technique is proposed, where the system abandons faulty execution tasks. This first approximate computing approach to fault tolerance in parallel processing systems was able to improve the reliability and the fault-masking capability of the techniques, significantly reducing errors that would cause system crashes. Inspired by the conflict between the improvements provided by approximate computing and the safety-critical systems requirements, this work presents an analysis of the applicability of approximate computing techniques on critical systems. The proposed techniques are tested under simulation, emulation, and laser fault injection experiments. Results show that approximate computing algorithms do have a particular behavior, different from traditional algorithms. The approximation techniques presented and proposed in this work are also used to develop fault tolerance techniques. Results show that those new approximate fault tolerance techniques are less costly than traditional ones and able to achieve almost the same level of error masking.Este trabalho estuda a confiabilidade de sistemas embarcados com computação aproximada em software e projetos de hardware. Ele apresenta métodos de computação aproximada e técnicas aproximadas para tolerância a falhas em hardware programável e software embarcado que provêem alta confiabilidade a baixos custos computacionais. O objetivo desta tese é o desenvolvimento de técnicas de tolerância a falhas baseadas em computação aproximada e provar que este paradigma pode ser usado em sistemas críticos. O texto começa com uma análise da confiabilidade de sistemas embarcados usados em sistemas de tolerância crítica. Os resultados mostram que a resiliência de sistemas singlecore, e os tipos de erros aos quais eles são mais sensíveis, é diferente dos multi-core. O uso de sistemas operacionais também é analisado, assim como duas APIs de programação paralela. Experimentos de injeção de falhas mostram que o uso de Linux embarcado tem um forte impacto na confiabilidade do sistema. Técnicas tradicionais de tolerância a falhas e variações paralelas das mesmas são avaliadas. O trabalho mostra que técnicas de tolerância a falhas paralelas podem de fato melhorar não apenas o tempo de execução da aplicação, mas também seu mascaramento de erros. Por fim, uma técnica de tolerância a falhas paralela aproximada é proposta, onde o sistema abandona instâncias de execuções que apresentam falhas. Esta primeira experiência com computação aproximada foi capaz de melhorar a confiabilidade das técnicas previamente apresentadas, reduzindo significativamente a ocorrência de erros que provocam um crash total do sistema. Inspirado pelo conflito entre as melhorias trazidas pela computação aproximada e os requisitos dos sistemas críticos, este trabalho apresenta uma análise da aplicabilidade de computação aproximada nestes sistemas. As técnicas propostas são testadas sob experimentos de injeção de falhas por simulação, emulação e laser. Os resultados destes experimentos mostram que algoritmos aproximados possuem um comportamento particular que lhes é inerente, diferente dos tradicionais. As técnicas de aproximação apresentadas e propostas no trabalho são também utilizadas para o desenvolvimento de técnicas de tolerância a falhas aproximadas. Estas novas técnicas possuem um custo menor que as tradicionais e são capazes de atingir o mesmo nível de mascaramento de erros
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
Characterization of Interconnection Delays in FPGAS Due to Single Event Upsets and Mitigation
RÉSUMÉ L’utilisation incessante de composants électroniques à géométrie toujours plus faible a engendré de nouveaux défis au fil des ans. Par exemple, des semi-conducteurs à mémoire et à microprocesseur plus avancés sont utilisés dans les systèmes avioniques qui présentent une susceptibilité importante aux phénomènes de rayonnement cosmique. L'une des principales implications des rayons cosmiques, observée principalement dans les satellites en orbite, est l'effet d'événements singuliers (SEE). Le rayonnement atmosphérique suscite plusieurs préoccupations concernant la sécurité et la fiabilité de l'équipement avionique, en particulier pour les systèmes qui impliquent des réseaux de portes programmables (FPGA). Les FPGA à base de cellules de mémoire statique (SRAM) présentent une solution attrayante pour mettre en oeuvre des systèmes complexes dans le domaine de l’avionique. Les expériences de rayonnement réalisées sur les FPGA ont dévoilé la vulnérabilité de ces dispositifs contre un type particulier de SEE, à savoir, les événements singuliers de changement d’état (SEU). Un SEU est considérée comme le changement de l'état d'un élément bistable (c'est-à-dire, un bit-flip) dû à l'effet d'un ion, d'un proton ou d’un neutron énergétique. Cet effet est non destructif et peut être corrigé en réécrivant la partie de la SRAM affectée.
Les changements de délai (DC) potentiels dus aux SEU affectant la mémoire de configuration de routage ont été récemment confirmés. Un des objectifs de cette thèse consiste à caractériser plus précisément les DC dans les FPGA causés par les SEU. Les DC observés expérimentalement sont présentés et la modélisation au niveau circuit de ces DC est proposée. Les circuits impliqués dans la propagation du délai sont validés en effectuant une modélisation précise des blocs internes à l'intérieur du FPGA et en exécutant des simulations. Les résultats montrent l’origine des DC qui sont en accord avec les mesures expérimentales de délais. Les modèles proposés au niveau circuit sont, aux meilleures de notre connaissance, le premier travail qui confirme et explique les délais combinatoires dans les FPGA.
La conception d'un circuit moniteur de délai pour la détection des DC a été faite dans la deuxième partie de cette thèse. Ce moniteur permet de détecter un changement de délai sur les sections critiques du circuit et de prévenir les pannes de synchronisation engendrées par les SEU sans utiliser la redondance modulaire triple (TMR).----------ABSTRACT
The unrelenting demand for electronic components with ever diminishing feature size have emerged new challenges over the years. Among them, more advanced memory and microprocessor semiconductors are being used in avionic systems that exhibit a substantial susceptibility to cosmic radiation phenomena. One of the main implications of cosmic rays, which was primarily observed in orbiting satellites, is single-event effect (SEE). Atmospheric radiation causes several concerns regarding the safety and reliability of avionics equipment, particularly for systems that involve field programmable gate arrays (FPGA). SRAM-based FPGAs, as an attractive solution to implement systems in aeronautic sector, are very susceptible to SEEs in particular Single Event Upset (SEU). An SEU is considered as the change of the state of a bistable element (i.e., bit-flip) due to the effect of an energetic ion or proton. This effect is non-destructive and may be fixed by rewriting the affected part.
Sensitivity evaluation of SRAM-based FPGAs to a physical impact such as potential delay changes (DC) has not been addressed thus far in the literature. DCs induced by SEU can affect the functionality of the logic circuits by disturbing the race condition on critical paths. The objective of this thesis is toward the characterization of DCs in SRAM-based FPGAs due to transient ionizing radiation. The DCs observed experimentally are presented and the circuit-level modeling of those DCs is proposed. Circuits involved in delay propagation are reverse-engineered by performing precise modeling of internal blocks inside the FPGA and executing simulations. The results show the root cause of DCs that are in good agreement with experimental delay measurements. The proposed circuit level models are, to the best of our knowledge, the first work on modeling of combinational delays in FPGAs.In addition, the design of a delay monitor circuit for DC detection is investigated in the second part of this thesis. This monitor allowed to show experimentally cumulative DCs on interconnects in FPGA. To this end, by avoiding the use of triple modular redundancy (TMR), a mitigation technique for DCs is proposed and the system downtime is minimized. A method is also proposed to decrease the clock frequency after DC detection without interrupting the process
Approximate hardening techniques for digital signal processing circuits against radiation-induced faults
RESUMEN NO TÉCNICO.
Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de
transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida
es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen
de su posición, en un proceso llamado ionización.
La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a
los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en
entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación
ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos
médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de
nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran
altitud.
Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas
fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos
catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce
por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante
Total (TID por sus siglas en inglés), o por distorsiones en el silicio sobre el que se fabrican
los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD). Una única partícula
ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o
permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado
en un elemento de memoria o fallos destructivos en un transistor. Los diferentes tipos de
fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban
en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE por sus siglas en inglés).
Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele
recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación.
Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de
componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia
inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento
se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP por sus
siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y
empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas
electrónicos cotidianos.
En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento
frente a la Radiación Por Diseño (RHBD por sus siglas en inglés). Estas técnicas
permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo
modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de
los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más
espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan
los sistemas modernos.
En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus
capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes
Comerciales (COTS por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD.
Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes
idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener
información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante,
Duplicación Con Comparación [DWC]) o llegar incluso a corregir un error detectado de
manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más
habitual la Redundancia Modular Triple (TMR) en todas sus variantes.
El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento
RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y
caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo
de recursos de las utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de
endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en
circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA
comerciales, dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales a
medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera.
A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos de prueba endurecidos
mediante TMR y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de
Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR),
la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para
Algoritmos Compuestos (ORCA):
• La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas
redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito
original. De este modo se pueden disminuir los recursos necesitados por el circuito,
aunque las correcciones en caso de fallo son menos precisas que en el TMR. En este
trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance
óptimo entre la precisión y el consumo de recursos.
• La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en
esta tesis. Está pensada para algoritmos que trabajan con información en forma de
paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí. Las réplicas
redundantes calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales,
lo que reduce su tamaño y permite correcciones aproximadas en caso de fallo.
• La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación
original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede
expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas
anteriores. Las réplicas redundantes se forman como bloques que calculan resultados intermedios y el resultado de su composición se puede comparar con el resultado
original. Este método permite reducir recursos y proporciona resultados de corrección
exactos en la mayor parte de los casos, lo que supone una mejora importante con
respecto a las correcciones de los métodos anteriores.
La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas se ha probado mediante
experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores
de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. En concreto, se
han realizado ensayos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores
(CNA España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y ensayos de radiación con neutrones
en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido).RESUMEN TÉCNICO.
Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de
transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida
es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen
de su posición, en un proceso llamado ionización.
La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a
los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en
entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación
ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos
médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de
nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran
altitud.
Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas
fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos
catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce
por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante
Total (TID, Total Ionizing Dose), o por distorsiones acumuladas en la matriz cristalina del
silicio en el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento
(DD, Displacement Damage). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar
también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un
circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o la activación
de circuitos parasitarios en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en
circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de
Efectos de Evento Único (SEE, Single Event Effects).
Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele
recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación.
Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de
componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia
inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento
se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP, por sus
siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y
empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas
electrónicos cotidianos.
En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento
frente a la Radiación Por Diseño (RHBD, por sus siglas en inglés). Estas técnicas
permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo
modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de
los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con
la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan
los sistemas modernos.
En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus
capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes
Comerciales (COTS, por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD.
Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes
idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener
información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante,
Duplicación Con Comparación [DWC, Duplication With Comparison]) o llegar incluso
a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas
redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR, Triple
Modular Redundancy) en todas sus variantes.
El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento
RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y
caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de
recursos de las técnicas utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas
de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos
en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA
(Field Programmable Gate Array) comerciales.
Las FPGA son dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales
diseñados a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. Su capacidad de
reconfiguración y sus altas prestaciones las convierten en dispositivos muy interesantes
para aplicaciones espaciales, donde realizar cambios en los diseños no suele ser posible
una vez comenzada la misión. La reconfigurabilidad de las FPGA permite corregir en
remoto posibles problemas en el diseño, pero también añadir o modificar funcionalidades
a los circuitos implementados en el sistema.
La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas e implementadas en
FPGAs se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante
ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de
dispositivos electrónicos.
Los ensayos de radiación son el estándar industrial para probar el comportamiento de
todos los sistemas electrónicos que se envían a una misión espacial. Con estos ensayos
se trata de emular de manera acelerada las condiciones de radiación a las que se verán
sometidos los sistemas una vez hayan sido lanzados y determinar su resistencia a TID, DD
y/o SEEs. Dependiendo del efecto que se quiera observar, las partículas elegidas para la
radiación varían, pudiendo elegirse entre electrones, neutrones, protones, iones pesados,
fotones... Particularmente, los ensayos de radiación realizados en este trabajo, tratándose
de un estudio de técnicas de endurecimiento para sistemas electrónicos digitales, están
destinados a establecer la sensibilidad de los circuitos estudiados frente a un tipo de SEE conocido como Single Event Upset (SEU), en el que la radiación modifica el valor lógico
de un elemento de memoria. Para ello, hemos recurrido a experimentos de radiación con
protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA, España), el Paul Scherrer Institut
(PSI, Suiza) y experimentos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron
and Muon Source (ChipIR, Reino Unido).
La sensibilidad de un circuito suele medirse en términos de su sección eficaz (cross
section) con respecto a una partícula determinada, calculada como el cociente entre el
número de fallos encontrados y el número de partículas ionizantes por unidad de área
utilizadas en la campaña de radiación. Esta métrica sirve para estimar el número de
fallos que provocará la radiación a lo largo de la vida útil del sistema, pero también
para establecer comparaciones que permitan conocer la eficacia de los sistemas de
endurecimiento implementados y ayudar a mejorarlos.
El método de inyección de fallos utilizado en esta Tesis como complemento a la
radiación se basa en modificar el valor lógico de los datos almacenados en la memoria de
configuración de la FPGA. En esta memoria se guarda la descripción del funcionamiento
del circuito implementado en la FPGA, por lo que modificar sus valores equivale a
modificar el circuito. En FPGAs que utilizan la tecnología SRAM en sus memorias de
configuración, como las utilizadas en esta Tesis, este es el componente más sensible a la
radiación, por lo que es posible comparar los resultados de la inyección de fallos y de las
campañas de radiación. Análogamente a la sección eficaz, en experimentos de inyección
de fallos podemos hablar de la tasa de error, calculada como el cociente entre el número
de fallos encontrados y la cantidad de bits de memoria inyectados.
A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos endurecidos mediante
Redundancia Modular Triple y se ha comparado su rendimiento con los de otras
técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida
(RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada
para Algoritmos Compuestos (ORCA). Estas dos últimas son contribuciones originales
presentadas en esta Tesis.
• La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas
redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito
original. Para cada dato de salida se comparan el resultado del circuito original y
los dos resultados de precisión reducida. Si los dos resultados de precisión reducida
son idénticos y su diferencia con el resultado de precisión completa es mayor que un
determinado valor umbral, se considera que existe un fallo en el circuito original y se
utiliza el resultado de precisión reducida para corregirlo. En cualquier otro caso, el
resultado original se considera correcto, aunque pueda contener errores tolerables por
debajo del umbral de comparación. En comparación con un circuito endurecido con
TMR, los diseños RPR utilizan menos recursos, debido a la reducción en la precisión
de los cálculos de los circuitos redundantes. No obstante, esto también afecta a la
calidad de los resultados obtenidos cuando se corrige un error. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener
un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. En esta variante de
la técnica RPR, los resultados de cada etapa de cálculo en los circuitos redundantes
tienen una precisión diferente, incrementándose hacia las últimas etapas, en las que el
resultado tiene la misma precisión que el circuito original. Con este método se logra
incrementar la calidad de los datos corregidos a la vez que se reducen los recursos
utilizados por el endurecimiento.
Los resultados de las campañas de radiación y de inyección de fallos realizadas sobre
los diseños endurecidos con RPR sugieren que la reducción de recursos no sólo es
beneficiosa por sí misma en términos de recursos y energía utilizados por el sistema,
sino que también conlleva una reducción de la sensibilidad de los circuitos, medida
tanto en cross section como en tasa de error.
• La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en
esta tesis. Está indicada para algoritmos que trabajan con información en forma de
paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí, como puede ser un
algoritmo de procesamiento de imágenes. En la técnica RRR, se añaden dos circuitos
redundantes que calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada
originales. Tras el cálculo, los resultados diezmados pueden interpolarse para obtener
un resultado aproximado del mismo tamaño que el resultado del circuito original.
Una vez interpolados, los resultados de los tres circuitos pueden ser comparados para
detectar y corregir fallos de una manera similar a la que se utiliza en la técnica RPR.
Aprovechando las características del diseño hardware, la disminución de la cantidad
de datos que procesan los circuitos de Resolución Reducida puede traducirse en una
disminución de recursos, en lugar de una disminución de tiempo de cálculo. De esta
manera, la técnica RRR es capaz de reducir el consumo de recursos en comparación a
los que se necesitarían si se utilizase un endurecimiento TMR.
Los resultados de los experimentos realizados en diseños endurecidos mediante
Redundancia de Resolución Reducida sugieren que la técnica es eficaz en reducir los
recursos utilizados y, al igual que pasaba en el caso de la Redundancia de Precisión
Reducida, también su sensibilidad se ve reducida, comparada con la sensibilidad del
mismo circuito endurecido con Redundancia Modular Triple. Además, se observa una
reducción notable de la sensibilidad de los circuitos frente a errores no corregibles,
comparado con el mismo resultado en TMR y RPR. Este tipo de error engloba aquellos
producidos por fallos en la lógica de comparación y votación o aquellos en los que un
único SEU produce fallos en los resultados de dos o más de los circuitos redundantes
al mismo tiempo, lo que se conoce como Fallo en Modo Común (CMF). No obstante,
también se observa que la calidad de las correcciones realizadas utilizando este método
empeora ligeramente.
• La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación
original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas
anteriores. Para endurecer un circuito usando esta técnica, se añaden dos circuitos
redundantes diferentes entre sí y que procesan cada uno una parte diferente del conjunto
de datos de entrada. Cada uno de estos circuitos aproximados calcula un resultado
intermedio. La composición de los dos resultados intermedios da un resultado idéntico
al del circuito original en ausencia de fallos.
La detección de fallos se realiza comparando el resultado del circuito original con el
de la composición de los circuitos aproximados. En caso de ser diferentes, se puede
determinar el origen del fallo comparando los resultados aproximados intermedios
frente a un umbral. Si la diferencia entre los resultados intermedios supera el umbral,
significa que el fallo se ha producido en uno de los circuitos aproximados y que el
resultado de la composición no debe ser utilizado en la salida. Al igual que ocurre
en la Redundancia de Precisión Reducida y la Redundancia de Resolución Reducida,
utilizar un umbral de comparación implica la existencia de errores tolerables. No
obstante, esta técnica de endurecimiento permite realizar correcciones exactas, en
lugar de aproximadas, en la mayor parte de los casos, lo que mejora la calidad de
los resultados con respecto a otras técnicas de endurecimiento aproximadas, al tiempo
que reduce los recursos utilizados por el sistema endurecido en comparación con las
técnicas tradicionales.
Los resultados de los experimentos realizados con diseños endurecidos mediante
Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos confirman que esta técnica de
endurecimiento es capaz de producir correcciones exactas en un alto porcentaje de los
eventos. Su sensibilidad frente a todo tipo de errores y frente a errores no corregibles
también se ve disminuida, comparada con la obtenida con Redundancia Modular Triple.
Los resultados presentados en esta Tesis respaldan la idea de que las técnicas de
Redundancia Aproximada son alternativas viables a las técnicas de endurecimiento frente
a la radiación habituales, siempre que