VLSI Implementation of Reconfigurable FFT Processor Using Vedic Mathematics

Fast Fourier transform has been used in wide range of applications such as digital signal processing and wireless communications. In this we present a implementation of reconfigurable FFT processor using single path delay feedback architecture. To eliminate the use of read only memory’s (ROM’S). These are used to store the twiddle factors. To achieve the ROM-less FFT processor the proposed architecture applies the bit parallel multipliers and reconfigurable complex multipliers, thus consuming less power. The proposed architecture, Reconfigurable FFT processor based on Vedic mathematics is designed, simulated and implemented using VIRTEX-5 FPGA. Urdhva Triyakbhyam algorithm is an ancient Vedic mathematic sutra, which is used to achieve the high performance. This reconfigurable DIF-FFT is having the high speed and small area as compared with other conventional DIF-FF

Low-power Programmable Processor for Fast Fourier Transform Based on Transport Triggered Architecture

This paper describes a low-power processor tailored for fast Fourier transform computations where transport triggering template is exploited. The processor is software-programmable while retaining an energy-efficiency comparable to existing fixed-function implementations. The power savings are achieved by compressing the computation kernel into one instruction word. The word is stored in an instruction loop buffer, which is more power-efficient than regular instruction memory storage. The processor supports all power-of-two FFT sizes from 64 to 16384 and given 1 mJ of energy, it can compute 20916 transforms of size 1024.Comment: 5 pages, 4 figures, 1 table, ICASSP 2019 conferenc

High Resolution Single-Chip Radix II FFT Processor for High- Tech Application

Electrical motors are vital components of many industrial processes and their operation failure leads losing in production line. Motor functionality and its behavior should be monitored to avoid production failure catastrophe. Hence, a high‐tech DSP processor is a significant method for electrical harmonic analysis that can be realized as embedded systems. This chapter introduces principal embedded design of novel high‐tech 1024‐point FFT processor architecture for high performance harmonic measurement techniques. In FFT processor algorithm pipelining and parallel implementation are incorporated in order to enhance the performance. The proposed FFT makes use of floating point to realize higher precision FFT. Since floating‐point architecture limits the maximum clock frequency and increases the power consumption, the chapter focuses on improving the speed, area, resolution and power consumption, as well as latency for the FFT. It illustrates very large‐scale integration (VLSI) implementation of the floating‐point parallel pipelined (FPP) 1024‐point Radix II FFT processor with applying novel architecture that makes use of only single butterfly incorporation of intelligent controller. The functionality of the conventional Radix II FFT was verified as embedded in FPGA prototyping. For area and power consumption, the proposed Radix II FPP‐FFT was optimized in ASIC under Silterra 0.18 µm and Mimos 0.35 µm technology libraries

FPGA implementation of a 10 GS/s variable-length FFT for OFDM-based optical communication systems

[EN] The transmission rate in current passive optical networks can be increased by employing Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation. The computational kernel of this modulation is the fast Fourier transform (FFT) operator, which has to achieve a very high throughput in order to be used in optical networks. This paper presents the implementation in an FPGA device of a variable-length FFT that can be configured in run-time to compute different FFT lengths between 16 and 1024 points. The FFT reaches a throughput of 10 GS/s in a Virtex-7 485T-3 FPGA device and was used to implement a 20 Gb/s optical OFDM receiver. (C) 2018 Elsevier B.V. All rights reserved.This work was supported by the Spanish Ministerio de Economia y Competitividad under project TEC2015-70858-C2-2-R with FEDER funds.Bruno, JS.; Almenar Terre, V.; Valls Coquillat, J. (2019). FPGA implementation of a 10 GS/s variable-length FFT for OFDM-based optical communication systems. Microprocessors and Microsystems. 64:195-204. https://doi.org/10.1016/j.micpro.2018.12.002S1952046

System-on-chip Computing and Interconnection Architectures for Telecommunications and Signal Processing

This dissertation proposes novel architectures and design techniques targeting SoC building blocks for telecommunications and signal processing applications. Hardware implementation of Low-Density Parity-Check decoders is approached at both the algorithmic and the architecture level. Low-Density Parity-Check codes are a promising coding scheme for future communication standards due to their outstanding error correction performance. This work proposes a methodology for analyzing effects of finite precision arithmetic on error correction performance and hardware complexity. The methodology is throughout employed for co-designing the decoder. First, a low-complexity check node based on the P-output decoding principle is designed and characterized on a CMOS standard-cells library. Results demonstrate implementation loss below 0.2 dB down to BER of 10^{-8} and a saving in complexity up to 59% with respect to other works in recent literature. High-throughput and low-latency issues are addressed with modified single-phase decoding schedules. A new "memory-aware" schedule is proposed requiring down to 20% of memory with respect to the traditional two-phase flooding decoding. Additionally, throughput is doubled and logic complexity reduced of 12%. These advantages are traded-off with error correction performance, thus making the solution attractive only for long codes, as those adopted in the DVB-S2 standard. The "layered decoding" principle is extended to those codes not specifically conceived for this technique. Proposed architectures exhibit complexity savings in the order of 40% for both area and power consumption figures, while implementation loss is smaller than 0.05 dB. Most modern communication standards employ Orthogonal Frequency Division Multiplexing as part of their physical layer. The core of OFDM is the Fast Fourier Transform and its inverse in charge of symbols (de)modulation. Requirements on throughput and energy efficiency call for FFT hardware implementation, while ubiquity of FFT suggests the design of parametric, re-configurable and re-usable IP hardware macrocells. In this context, this thesis describes an FFT/IFFT core compiler particularly suited for implementation of OFDM communication systems. The tool employs an accuracy-driven configuration engine which automatically profiles the internal arithmetic and generates a core with minimum operands bit-width and thus minimum circuit complexity. The engine performs a closed-loop optimization over three different internal arithmetic models (fixed-point, block floating-point and convergent block floating-point) using the numerical accuracy budget given by the user as a reference point. The flexibility and re-usability of the proposed macrocell are illustrated through several case studies which encompass all current state-of-the-art OFDM communications standards (WLAN, WMAN, xDSL, DVB-T/H, DAB and UWB). Implementations results are presented for two deep sub-micron standard-cells libraries (65 and 90 nm) and commercially available FPGA devices. Compared with other FFT core compilers, the proposed environment produces macrocells with lower circuit complexity and same system level performance (throughput, transform size and numerical accuracy). The final part of this dissertation focuses on the Network-on-Chip design paradigm whose goal is building scalable communication infrastructures connecting hundreds of core. A low-complexity link architecture for mesochronous on-chip communication is discussed. The link enables skew constraint looseness in the clock tree synthesis, frequency speed-up, power consumption reduction and faster back-end turnarounds. The proposed architecture reaches a maximum clock frequency of 1 GHz on 65 nm low-leakage CMOS standard-cells library. In a complex test case with a full-blown NoC infrastructure, the link overhead is only 3% of chip area and 0.5% of leakage power consumption. Finally, a new methodology, named metacoding, is proposed. Metacoding generates correct-by-construction technology independent RTL codebases for NoC building blocks. The RTL coding phase is abstracted and modeled with an Object Oriented framework, integrated within a commercial tool for IP packaging (Synopsys CoreTools suite). Compared with traditional coding styles based on pre-processor directives, metacoding produces 65% smaller codebases and reduces the configurations to verify up to three orders of magnitude

Design and implementation of components for renewably-powered base-stations with heterogeneous access channel

Providing high-speed broadband services in remote areas can be a challenging task, especially because of the lack of network infrastructure. As typical broadband technologies are often expensive to deploy, they require large investment from the local authorities. Previous studies have shown that a viable alternative is to use wireless base stations with high-throughput point to point (PTP) backhaul links. With base stations comes the problem of powering their systems, it is tackled in this thesis by relying on renewable energy harvesting, such as solar panels or wind turbines. This thesis, in the context of the sustainable cellular network harvesting ambient energy (SCAVENGE) project, aims to contribute to a reliable and energy efficient solution to this problem, by adjusting the design of an existing multi-radio energy harvesting base station. In Western Europe, 49 channels of 8 MHz were used for analogue TV transmissions, ranging from 470 MHz (Channel 21) to 862 MHz (Channel 69); this spectrum, now partially unused due to the digital television (DTV) switch-over, has been opened to alternative uses by the regulatory authorities. Using this newly freed ultra high frequency (UHF) range, also known as TV white space (TVWS), can offer reliable low-cost broadband access to housings and businesses in low-density areas. While UHF transmitters allow long range links, the overcrowding of the TV spectrum limits the achievable throughput; to increase the capacity of such TVWS rural broadband base station the UHF radio has previously been combined with a lower-range higher throughput GHz radio like Wireless Fidelity (WiFi). From the regulatory constraints of TVWS applications arises the need for frequency agile transceivers that observe strict spectral mask requirements, this guided previous works towards discrete Fourier transform (DFT) modulated filter-bank multicarrier (FBMC) systems. These systems are numerically efficient, as they permit the up-and-down conversion of the 40 TV channels at the cost of a single channel transceiver and the modulating transform. Typical implementations rely on power-of two fast Fourier transforms (FFTs); however the smallest transform covering the full 40 channels of the TVWS spectrum is a 64 points wide, thus involving 24 unused channels. In order to attain a more numerically-efficient implemented design, we introduce the use of mixed-radix FFTs modulating transform. Testing various sizes and architectures, this approach provides up to 6.7% of energy saving compared to previous designs. Different from orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), FBMC systems are generally expected to be more robust to synchronisation errors, as oversampled FBMC systems can include a guard band, and even in a doubly-dispersive channel, inter-carrier interference (ICI) can be considered negligible. Even though sub-channels can be treated independently—i.e. without the use of cross-terms—they still require equalisation. We introduce a per-band equalisation, amongst different options, a robust and fast blind approach based on a concurrent constant modulus (CM)/decision directed (DD) fractionally-space equaliser (FSE) is selected. The selected approach is capable of equalising a frequency-selective channel. Furthermore the proposed architecture is advantageous in terms of power consumption and implementation cost. After focussing on the design of the radio for TVWS transmission, we address a multi-radio user assignment problem. Using various power consumption and harvesting models for the base station, we formulate two optimisation problems, the first focuses on the base station power consumption, while the second concentrates on load balancing. We employ a dynamic programming approach to optimise the user assignment. The use of such algorithms could allow a downsizing of the power supply systems (harvesters and batteries), thus reducing the cost of the base station. Furthermore the algorithms provide a better balance between the number of users assigned to each network, resulting in a higher quality of service (QoS) and energy efficiency.Providing high-speed broadband services in remote areas can be a challenging task, especially because of the lack of network infrastructure. As typical broadband technologies are often expensive to deploy, they require large investment from the local authorities. Previous studies have shown that a viable alternative is to use wireless base stations with high-throughput point to point (PTP) backhaul links. With base stations comes the problem of powering their systems, it is tackled in this thesis by relying on renewable energy harvesting, such as solar panels or wind turbines. This thesis, in the context of the sustainable cellular network harvesting ambient energy (SCAVENGE) project, aims to contribute to a reliable and energy efficient solution to this problem, by adjusting the design of an existing multi-radio energy harvesting base station. In Western Europe, 49 channels of 8 MHz were used for analogue TV transmissions, ranging from 470 MHz (Channel 21) to 862 MHz (Channel 69); this spectrum, now partially unused due to the digital television (DTV) switch-over, has been opened to alternative uses by the regulatory authorities. Using this newly freed ultra high frequency (UHF) range, also known as TV white space (TVWS), can offer reliable low-cost broadband access to housings and businesses in low-density areas. While UHF transmitters allow long range links, the overcrowding of the TV spectrum limits the achievable throughput; to increase the capacity of such TVWS rural broadband base station the UHF radio has previously been combined with a lower-range higher throughput GHz radio like Wireless Fidelity (WiFi). From the regulatory constraints of TVWS applications arises the need for frequency agile transceivers that observe strict spectral mask requirements, this guided previous works towards discrete Fourier transform (DFT) modulated filter-bank multicarrier (FBMC) systems. These systems are numerically efficient, as they permit the up-and-down conversion of the 40 TV channels at the cost of a single channel transceiver and the modulating transform. Typical implementations rely on power-of two fast Fourier transforms (FFTs); however the smallest transform covering the full 40 channels of the TVWS spectrum is a 64 points wide, thus involving 24 unused channels. In order to attain a more numerically-efficient implemented design, we introduce the use of mixed-radix FFTs modulating transform. Testing various sizes and architectures, this approach provides up to 6.7% of energy saving compared to previous designs. Different from orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), FBMC systems are generally expected to be more robust to synchronisation errors, as oversampled FBMC systems can include a guard band, and even in a doubly-dispersive channel, inter-carrier interference (ICI) can be considered negligible. Even though sub-channels can be treated independently—i.e. without the use of cross-terms—they still require equalisation. We introduce a per-band equalisation, amongst different options, a robust and fast blind approach based on a concurrent constant modulus (CM)/decision directed (DD) fractionally-space equaliser (FSE) is selected. The selected approach is capable of equalising a frequency-selective channel. Furthermore the proposed architecture is advantageous in terms of power consumption and implementation cost. After focussing on the design of the radio for TVWS transmission, we address a multi-radio user assignment problem. Using various power consumption and harvesting models for the base station, we formulate two optimisation problems, the first focuses on the base station power consumption, while the second concentrates on load balancing. We employ a dynamic programming approach to optimise the user assignment. The use of such algorithms could allow a downsizing of the power supply systems (harvesters and batteries), thus reducing the cost of the base station. Furthermore the algorithms provide a better balance between the number of users assigned to each network, resulting in a higher quality of service (QoS) and energy efficiency

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