New hardware support transactional memory and parallel debugging in multicore processors

This thesis contributes to the area of hardware support for parallel programming by introducing new hardware elements in multicore processors, with the aim of improving the performance and optimize new tools, abstractions and applications related with parallel programming, such as transactional memory and data race detectors. Specifically, we configure a hardware transactional memory system with signatures as part of the hardware support, and we develop a new hardware filter for reducing the signature size. We also develop the first hardware asymmetric data race detector (which is also able to tolerate them), based also in hardware signatures. Finally, we propose a new module of hardware signatures that solves some of the problems that we found in the previous tools related with the lack of flexibility in hardware signatures

Optimización del rendimiento y la eficiencia energética en sistemas masivamente paralelos

RESUMEN Los sistemas heterogéneos son cada vez más relevantes, debido a sus capacidades de rendimiento y eficiencia energética, estando presentes en todo tipo de plataformas de cómputo, desde dispositivos embebidos y servidores, hasta nodos HPC de grandes centros de datos. Su complejidad hace que sean habitualmente usados bajo el paradigma de tareas y el modelo de programación host-device. Esto penaliza fuertemente el aprovechamiento de los aceleradores y el consumo energético del sistema, además de dificultar la adaptación de las aplicaciones. La co-ejecución permite que todos los dispositivos cooperen para computar el mismo problema, consumiendo menos tiempo y energía. No obstante, los programadores deben encargarse de toda la gestión de los dispositivos, la distribución de la carga y la portabilidad del código entre sistemas, complicando notablemente su programación. Esta tesis ofrece contribuciones para mejorar el rendimiento y la eficiencia energética en estos sistemas masivamente paralelos. Se realizan propuestas que abordan objetivos generalmente contrapuestos: se mejora la usabilidad y la programabilidad, a la vez que se garantiza una mayor abstracción y extensibilidad del sistema, y al mismo tiempo se aumenta el rendimiento, la escalabilidad y la eficiencia energética. Para ello, se proponen dos motores de ejecución con enfoques completamente distintos. EngineCL, centrado en OpenCL y con una API de alto nivel, favorece la máxima compatibilidad entre todo tipo de dispositivos y proporciona un sistema modular extensible. Su versatilidad permite adaptarlo a entornos para los que no fue concebido, como aplicaciones con ejecuciones restringidas por tiempo o simuladores HPC de dinámica molecular, como el utilizado en un centro de investigación internacional. Considerando las tendencias industriales y enfatizando la aplicabilidad profesional, CoexecutorRuntime proporciona un sistema flexible centrado en C++/SYCL que dota de soporte a la co-ejecución a la tecnología oneAPI. Este runtime acerca a los programadores al dominio del problema, posibilitando la explotación de estrategias dinámicas adaptativas que mejoran la eficiencia en todo tipo de aplicaciones.ABSTRACT Heterogeneous systems are becoming increasingly relevant, due to their performance and energy efficiency capabilities, being present in all types of computing platforms, from embedded devices and servers to HPC nodes in large data centers. Their complexity implies that they are usually used under the task paradigm and the host-device programming model. This strongly penalizes accelerator utilization and system energy consumption, as well as making it difficult to adapt applications. Co-execution allows all devices to simultaneously compute the same problem, cooperating to consume less time and energy. However, programmers must handle all device management, workload distribution and code portability between systems, significantly complicating their programming. This thesis offers contributions to improve performance and energy efficiency in these massively parallel systems. The proposals address the following generally conflicting objectives: usability and programmability are improved, while ensuring enhanced system abstraction and extensibility, and at the same time performance, scalability and energy efficiency are increased. To achieve this, two runtime systems with completely different approaches are proposed. EngineCL, focused on OpenCL and with a high-level API, provides an extensible modular system and favors maximum compatibility between all types of devices. Its versatility allows it to be adapted to environments for which it was not originally designed, including applications with time-constrained executions or molecular dynamics HPC simulators, such as the one used in an international research center. Considering industrial trends and emphasizing professional applicability, CoexecutorRuntime provides a flexible C++/SYCL-based system that provides co-execution support for oneAPI technology. This runtime brings programmers closer to the problem domain, enabling the exploitation of dynamic adaptive strategies that improve efficiency in all types of applications.Funding: This PhD has been supported by the Spanish Ministry of Education (FPU16/03299 grant), the Spanish Science and Technology Commission under contracts TIN2016-76635-C2-2-R and PID2019-105660RB-C22. This work has also been partially supported by the Mont-Blanc 3: European Scalable and Power Efficient HPC Platform based on Low-Power Embedded Technology project (G.A. No. 671697) from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme (H2020 Programme). Some activities have also been funded by the Spanish Science and Technology Commission under contract TIN2016-81840-REDT (CAPAP-H6 network). The Integration II: Hybrid programming models of Chapter 4 has been partially performed under the Project HPC-EUROPA3 (INFRAIA-2016-1-730897), with the support of the EC Research Innovation Action under the H2020 Programme. In particular, the author gratefully acknowledges the support of the SPMT Department of the High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS)

MPSoCBench : um framework para avaliação de ferramentas e metodologias para sistemas multiprocessados em chip

Orientador: Rodolfo Jardim de AzevedoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Recentes metodologias e ferramentas de projetos de sistemas multiprocessados em chip (MPSoC) aumentam a produtividade por meio da utilização de plataformas baseadas em simuladores, antes de definir os últimos detalhes da arquitetura. No entanto, a simulação só é eficiente quando utiliza ferramentas de modelagem que suportem a descrição do comportamento do sistema em um elevado nível de abstração. A escassez de plataformas virtuais de MPSoCs que integrem hardware e software escaláveis nos motivou a desenvolver o MPSoCBench, que consiste de um conjunto escalável de MPSoCs incluindo quatro modelos de processadores (PowerPC, MIPS, SPARC e ARM), organizado em plataformas com 1, 2, 4, 8, 16, 32 e 64 núcleos, cross-compiladores, IPs, interconexões, 17 aplicações paralelas e estimativa de consumo de energia para os principais componentes (processadores, roteadores, memória principal e caches). Uma importante demanda em projetos MPSoC é atender às restrições de consumo de energia o mais cedo possível. Considerando que o desempenho do processador está diretamente relacionado ao consumo, há um crescente interesse em explorar o trade-off entre consumo de energia e desempenho, tendo em conta o domínio da aplicação alvo. Técnicas de escalabilidade dinâmica de freqüência e voltagem fundamentam-se em gerenciar o nível de tensão e frequência da CPU, permitindo que o sistema alcance apenas o desempenho suficiente para processar a carga de trabalho, reduzindo, consequentemente, o consumo de energia. Para explorar a eficiência energética e desempenho, foram adicionados recursos ao MPSoCBench, visando explorar escalabilidade dinâmica de voltaegem e frequência (DVFS) e foram validados três mecanismos com base na estimativa dinâmica de energia e taxa de uso de CPUAbstract: Recent design methodologies and tools aim at enhancing the design productivity by providing a software development platform before the definition of the final Multiprocessor System on Chip (MPSoC) architecture details. However, simulation can only be efficiently performed when using a modeling and simulation engine that supports system behavior description at a high abstraction level. The lack of MPSoC virtual platform prototyping integrating both scalable hardware and software in order to create and evaluate new methodologies and tools motivated us to develop the MPSoCBench, a scalable set of MPSoCs including four different ISAs (PowerPC, MIPS, SPARC, and ARM) organized in platforms with 1, 2, 4, 8, 16, 32, and 64 cores, cross-compilers, IPs, interconnections, 17 parallel version of software from well-known benchmarks, and power consumption estimation for main components (processors, routers, memory, and caches). An important demand in MPSoC designs is the addressing of energy consumption constraints as early as possible. Whereas processor performance comes with a high power cost, there is an increasing interest in exploring the trade-off between power and performance, taking into account the target application domain. Dynamic Voltage and Frequency Scaling techniques adaptively scale the voltage and frequency levels of the CPU allowing it to reach just enough performance to process the system workload while meeting throughput constraints, and thereby, reducing the energy consumption. To explore this wide design space for energy efficiency and performance, both for hardware and software components, we provided MPSoCBench features to explore dynamic voltage and frequency scalability (DVFS) and evaluated three mechanisms based on energy estimation and CPU usage rateDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutora em Ciência da Computaçã

Design and evaluation of a Thread-Level Speculation runtime library

En los próximos años es más que probable que máquinas con cientos o incluso miles de procesadores sean algo habitual. Para aprovechar estas máquinas, y debido a la dificultad de programar de forma paralela, sería deseable disponer de sistemas de compilación o ejecución que extraigan todo el paralelismo posible de las aplicaciones existentes. Así en los últimos tiempos se han propuesto multitud de técnicas paralelas. Sin embargo, la mayoría de ellas se centran en códigos simples, es decir, sin dependencias entre sus instrucciones. La paralelización especulativa surge como una solución para estos códigos complejos, posibilitando la ejecución de cualquier tipo de códigos, con o sin dependencias. Esta técnica asume de forma optimista que la ejecución paralela de cualquier tipo de código no de lugar a errores y, por lo tanto, necesitan de un mecanismo que detecte cualquier tipo de colisión. Para ello, constan de un monitor responsable que comprueba constantemente que la ejecución no sea errónea, asegurando que los resultados obtenidos de forma paralela sean similares a los de cualquier ejecución secuencial. En caso de que la ejecución fuese errónea los threads se detendrían y reiniciarían su ejecución para asegurar que la ejecución sigue la semántica secuencial. Nuestra contribución en este campo incluye (1) una nueva librería de ejecución especulativa fácil de utilizar; (2) nuevas propuestas que permiten reducir de forma significativa el número de accesos requeridos en las peraciones especulativas, así como consejos para reducir la memoria a utilizar; (3) propuestas para mejorar los métodos de scheduling centradas en la gestión dinámica de los bloques de iteraciones utilizados en las ejecuciones especulativas; (4) una solución híbrida que utiliza memoria transaccional para implementar las secciones críticas de una librería de paralelización especulativa; y (5) un análisis de las técnicas especulativas en uno de los dispositivos más vanguardistas del momento, los coprocesadores Intel Xeon Phi. Como hemos podido comprobar, la paralelización especulativa es un campo de investigación activo. Nuestros resultados demuestran que esta técnica permite obtener mejoras de rendimiento en un gran número de aplicaciones. Así, esperamos que este trabajo contribuya a facilitar el uso de soluciones especulativas en compiladores comerciales y/o modelos de programación paralela de memoria compartida.Departamento de Informática (Arquitectura y Tecnología de Computadores, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, Lenguajes y Sistemas Informáticos

Design and implementation of a bootrom in a Linux capable RISC-V processor

El moviment de codi obert promet revolucionar el món del maquinari igual que el programari ha revolucionat. Gràcies a l'arquitectura de conjunt d'instruccions o ISA (de l'anglès Instruction Set Architecture) RISC-V de codi obert, molts projectes s'estan obrint camí per oferir una alternativa a l'hermètic i privatiu món de l'arquitectura de computadors. En aquest context neix el projecte DRAC, les sigles del qual fan referència, de l'anglès, a Designing RISC-V-based Accelerators for next-generation Computers. Aquest projecte, liderat pel Barcelona Supercomputing Center (BSC), desenvolupa processadors i acceleradors basats en la tecnologia RISC-V, amb l'objectiu d'accelerar tasques de seguretat, medicina personalitzada i navegació autònoma. Aquesta tesi té com a propòsit dissenyar, implementar i verificar una bootrom pel SoC (de l'anglès System on Chip) de 64 bits DRAC 22 nm. Aquest SoC integra un processador RISC-V de 7 etapes anomenat Sargantana. El disseny del SoC, basat en l'anterior \textit{tape-out} anomenat PreDRAC, es divideix en dues parts. Una part conté tots els components orientats a l'ASIC; l'altra conté els elements orientats a la FPGA. Una de les raons principals d'aquesta divisió és que no existia una bootrom orientada a ASIC i, per tant, calia utilitzar la FPGA per arrencar el xip. Amb la integració de la bootrom desenvolupada en aquesta tesi, el SoC serà capaç d'arrencar per ell mateix, eliminant la part orientada a la FPGA del disseny del SoC.The open-source movement promises to revolutionize the hardware world just as it has revolutionized software. Thanks to the open-source RISC-V instruction set architecture (ISA), many projects are making their way to offer an alternative in the hermetic and proprietary world of computer architecture. The DRAC project, whose acronym refers to Designing RISC-V-based Accelerators for next-generation Computers, was created in this context. This project, led by the Barcelona Supercomputing Center (BSC), develops processors and accelerators based on RISC-V technology, and their purpose is to accelerate security tasks, personalized medicine and autonomous navigation. This thesis aims to design, implement and verify a bootrom for the 64-bit DRAC 22 nm System on Chip (SoC). This SoC integrates an in-order 7-stage RISC-V core called Sargantana. The SoC design, based on the previous tape-out PreDRAC, is divided into two parts. One part contains all the ASIC-oriented components; the other contains the FPGA-oriented components. One of the main reasons for this division is that there was no ASIC-oriented bootrom, and therefore, it was necessary to use the FPGA to boot the chip. With the integration of the bootrom developed in this thesis, the SoC will be able to boot by itself, eliminating the FPGA-oriented part of the SoC design

Real-Time Trace Decoding and Monitoring for Safety and Security in Embedded Systems

Integrated circuits and systems can be found almost everywhere in today’s world. As their use increases, they need to be made safer and more perfor mant to meet current demands in processing power. FPGA integrated SoCs can provide the ideal trade-off between performance, adaptability, and energy usage. One of today’s vital challenges lies in updating existing fault tolerance techniques for these new systems while utilizing all available processing capa bilities, such as multi-core and heterogeneous processing units. Control-flow monitoring is one of the primary mechanisms described for error detection at the software architectural level for the highest grade of hazard level clas sifications (e.g., ASIL D) described in industry safety standards ISO-26262. Control-flow errors are also known to compose the majority of detected errors for ICs and embedded systems in safety-critical and risk-susceptible environ ments [5]. Software-based monitoring methods remain the most popular [6–8]. However, recent studies show that the overheads they impose make actual reliability gains negligible [9, 10]. This work proposes and demonstrates a new control flow checking method implemented in FPGA for multi-core embedded systems called control-flow trace checker (CFTC). CFTC uses existing trace and debug subsystems of modern processors to rebuild their execution states. It can iden tify any errors in real-time by comparing executed states to a set of permitted state transitions determined statically. This novel implementation weighs hardware resource trade-offs to target mul tiple independent tasks in multi-core embedded applications, as well as single core systems. The proposed system is entirely implemented in hardware and isolated from all monitored software components, requiring 2.4% of the target FPGA platform resources to protect an execution unit in its entirety. There fore, it avoids undesired overheads and maintains deterministic error detection latencies, which guarantees reliability improvements without impairing the target software system. Finally, CFTC is evaluated under different software i Resumo fault-injection scenarios, achieving detection rates of 100% of all control-flow errors to wrong destinations and 98% of all injected faults to program binaries. All detection times are further analyzed and precisely described by a model based on the monitor’s resources and speed and the software application’s control-flow structure and binary characteristics.Circuitos integrados estão presentes em quase todos sistemas complexos do mundo moderno. Conforme sua frequência de uso aumenta, eles precisam se tornar mais seguros e performantes para conseguir atender as novas demandas em potência de processamento. Sistemas em Chip integrados com FPGAs conseguem prover o balanço perfeito entre desempenho, adaptabilidade, e uso de energia. Um dos maiores desafios agora é a necessidade de atualizar técnicas de tolerância à falhas para estes novos sistemas, aproveitando os novos avanços em capacidade de processamento. Monitoramento de fluxo de controle é um dos principais mecanismos para a detecção de erros em nível de software para sistemas classificados como de alto risco (e.g. ASIL D), descrito em padrões de segurança como o ISO-26262. Estes erros são conhecidos por compor a maioria dos erros detectados em sistemas integrados [5]. Embora métodos de monitoramento baseados em software continuem sendo os mais populares [6–8], estudos recentes mostram que seus custos adicionais, em termos de performance e área, diminuem consideravelmente seus ganhos reais em confiabilidade [9, 10]. Propomos aqui um novo método de monitora mento de fluxo de controle implementado em FPGA para sistemas embarcados multi-core. Este método usa subsistemas de trace e execução de código para reconstruir o estado atual do processador, identificando erros através de com parações entre diferentes estados de execução da CPU. Propomos uma implementação que considera trade-offs no uso de recuros de sistema para monitorar múltiplas tarefas independetes. Nossa abordagem suporta o monitoramento de sistemas simples e também de sistemas multi-core multitarefa. Por fim, nossa técnica é totalmente implementada em hardware, evitando o uso de unidades de processamento de software que possa adicionar custos indesejáveis à aplicação em perda de confiabilidade. Propomos, assim, um mecanismo de verificação de fluxo de controle, escalável e extensível, para proteção de sistemas embarcados críticos e multi-core

Real-time trace decoding and monitoring for safety and security in embedded systems

Integrated circuits and systems can be found almost everywhere in today’s world. As their use increases, they need to be made safer and more perfor mant to meet current demands in processing power. FPGA integrated SoCs can provide the ideal trade-off between performance, adaptability, and energy usage. One of today’s vital challenges lies in updating existing fault tolerance techniques for these new systems while utilizing all available processing capa bilities, such as multi-core and heterogeneous processing units. Control-flow monitoring is one of the primary mechanisms described for error detection at the software architectural level for the highest grade of hazard level clas sifications (e.g., ASIL D) described in industry safety standards ISO-26262. Control-flow errors are also known to compose the majority of detected errors for ICs and embedded systems in safety-critical and risk-susceptible environ ments [5]. Software-based monitoring methods remain the most popular [6–8]. However, recent studies show that the overheads they impose make actual reliability gains negligible [9, 10]. This work proposes and demonstrates a new control flow checking method implemented in FPGA for multi-core embedded systems called control-flow trace checker (CFTC). CFTC uses existing trace and debug subsystems of modern processors to rebuild their execution states. It can iden tify any errors in real-time by comparing executed states to a set of permitted state transitions determined statically. This novel implementation weighs hardware resource trade-offs to target mul tiple independent tasks in multi-core embedded applications, as well as single core systems. The proposed system is entirely implemented in hardware and isolated from all monitored software components, requiring 2.4% of the target FPGA platform resources to protect an execution unit in its entirety. There fore, it avoids undesired overheads and maintains deterministic error detection latencies, which guarantees reliability improvements without impairing the target software system. Finally, CFTC is evaluated under different software i Resumo fault-injection scenarios, achieving detection rates of 100% of all control-flow errors to wrong destinations and 98% of all injected faults to program binaries. All detection times are further analyzed and precisely described by a model based on the monitor’s resources and speed and the software application’s control-flow structure and binary characteristics.Circuitos integrados estão presentes em quase todos sistemas complexos do mundo moderno. Conforme sua frequência de uso aumenta, eles precisam se tornar mais seguros e performantes para conseguir atender as novas demandas em potência de processamento. Sistemas em Chip integrados com FPGAs conseguem prover o balanço perfeito entre desempenho, adaptabilidade, e uso de energia. Um dos maiores desafios agora é a necessidade de atualizar técnicas de tolerância à falhas para estes novos sistemas, aproveitando os novos avanços em capacidade de processamento. Monitoramento de fluxo de controle é um dos principais mecanismos para a detecção de erros em nível de software para sistemas classificados como de alto risco (e.g. ASIL D), descrito em padrões de segurança como o ISO-26262. Estes erros são conhecidos por compor a maioria dos erros detectados em sistemas integrados [5]. Embora métodos de monitoramento baseados em software continuem sendo os mais populares [6–8], estudos recentes mostram que seus custos adicionais, em termos de performance e área, diminuem consideravelmente seus ganhos reais em confiabilidade [9, 10]. Propomos aqui um novo método de monitora mento de fluxo de controle implementado em FPGA para sistemas embarcados multi-core. Este método usa subsistemas de trace e execução de código para reconstruir o estado atual do processador, identificando erros através de com parações entre diferentes estados de execução da CPU. Propomos uma implementação que considera trade-offs no uso de recuros de sistema para monitorar múltiplas tarefas independetes. Nossa abordagem suporta o monitoramento de sistemas simples e também de sistemas multi-core multitarefa. Por fim, nossa técnica é totalmente implementada em hardware, evitando o uso de unidades de processamento de software que possa adicionar custos indesejáveis à aplicação em perda de confiabilidade. Propomos, assim, um mecanismo de verificação de fluxo de controle, escalável e extensível, para proteção de sistemas embarcados críticos e multi-core

Desarrollo de una aplicación de audio multicanal utilizando el paralelismo de las GPU

En este trabajo se han analizado las prestaciones que ofrece una GPU ante una aplicación de audio multicanal, aplicando dicho análisis a la implementación un Cancelador Crosstalk que funciona en tiempo real y cuyo código es ejecutado sobre una GPU de un computador personal portatil.Belloch Rodríguez, JA. (2010). Desarrollo de una aplicación de audio multicanal utilizando el paralelismo de las GPU. http://hdl.handle.net/10251/13644Archivo delegad

Compile-time support for thread-level speculation

Una de las principales preocupaciones de las ciencias de la computación es el estudio de las capacidades paralelas tanto de programas como de los procesadores que los ejecutan. Existen varias razones que hacen muy deseable el desarrollo de técnicas que paralelicen automáticamente el código. Entre ellas se encuentran el inmenso número de programas secuenciales existentes ya escritos, la complejidad de los lenguajes de programación paralelos, y los conocimientos que se requieren para paralelizar un código. Sin embargo, los actuales mecanismos de paralelización automática implementados en los compiladores comerciales no son capaces de paralelizar la mayoría de los bucles en un código [1], debido a la dependencias de datos que existen entre ellos [2]. Por lo tanto, se hace necesaria la búsqueda de nuevas técnicas, como la paralelización especulativa [3-5], que saquen beneficio de las potenciales capacidades paralelas del hardware y arquitecturas multiprocesador actuales. Sin embargo, ésta y otras técnicas requieren la intervención manual de programadores experimentados. Antes de ofrecer soluciones alternativas, se han evaluado las capacidades de paralelización de los compiladores comerciales, exponiendo las limitaciones de los mecanismos de paralelización automática que implementan. El estudio revela que estos mecanismos de paralelización automática sólo alcanzan un 19% de speedup en promedio para los benchmarks del SPEC CPU2006 [6], siendo este un resultado significativamente inferior al obtenido por técnicas de paralelización especulativa [7]. Sin embargo, la paralelización especulativa requiere una extensa modificación manual del código por parte de programadores. Esta Tesis aborda este problema definiendo una nueva cláusula OpenMP [8], llamada ¿speculative¿, que permite señalar qué variables pueden llevar a una violación de dependencia. Además, esta Tesis también propone un sistema en tiempo de compilación que, usando la información sobre los accesos a las variables que proporcionan las cláusulas OpenMP, añade automáticamente todo el código necesario para gestionar la ejecución especulativa de un programa. Esto libera al programador de modificar el código manualmente, evitando posibles errores y una tediosa tarea. El código generado por nuestro sistema enlaza con la librería de ejecución especulativamente paralela desarrollada por Estebanez, García-Yagüez, Llanos y Gonzalez-Escribano [9,10].Departamento de Informática (Arquitectura y Tecnología de Computadores, Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, Lenguajes y Sistemas Informáticos

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