Low-Level Placement and Routing Changes to Increase SRAM FPGA Reliability

Mitigation techniques, such as TMR, are used to reduce the negative effects of radiation on FPGAs deployed in space environments. While these techniques increase the robustness of the device, there is still room for improvement in the range of 100 to 1,000x. These improvements can be realized through the low-level implementation of the placement and routing on the device. This work has implemented a wide variety of techniques to realize these gains, achieving an overall improvement of 45,653x through fault-injection testing and an improvement of 368x in radiation testing

Improving SRAM FPGA Radiation Reliability Through Low-Level TMR Implementation

Mitigation techniques, such as TMR with repair, are used to reduce the negative effects of radiation on FPGAs deployed in space environments. While these techniques increase the robustness of the device, there is still room for improvement in the range of 100 to 1,000x. These improvements can be realized through the low-level implementation of the placement and routing on the device. This work has implemented a wide variety of techniques to realize these gains, achieving an overall improvement of 57,443x through fault-injection testing and an improvement of 350x in radiation testing

Fault and Defect Tolerant Computer Architectures: Reliable Computing With Unreliable Devices

This research addresses design of a reliable computer from unreliable device technologies. A system architecture is developed for a fault and defect tolerant (FDT) computer. Trade-offs between different techniques are studied and yield and hardware cost models are developed. Fault and defect tolerant designs are created for the processor and the cache memory. Simulation results for the content-addressable memory (CAM)-based cache show 90% yield with device failure probabilities of 3 x 10(-6), three orders of magnitude better than non fault tolerant caches of the same size. The entire processor achieves 70% yield with device failure probabilities exceeding 10(-6). The required hardware redundancy is approximately 15 times that of a non-fault tolerant design. While larger than current FT designs, this architecture allows the use of devices much more likely to fail than silicon CMOS. As part of model development, an improved model is derived for NAND Multiplexing. The model is the first accurate model for small and medium amounts of redundancy. Previous models are extended to account for dependence between the inputs and produce more accurate results

FPGA dynamic and partial reconfiguration : a survey of architectures, methods, and applications

Dynamic and partial reconfiguration are key differentiating capabilities of field programmable gate arrays (FPGAs). While they have been studied extensively in academic literature, they find limited use in deployed systems. We review FPGA reconfiguration, looking at architectures built for the purpose, and the properties of modern commercial architectures. We then investigate design flows, and identify the key challenges in making reconfigurable FPGA systems easier to design. Finally, we look at applications where reconfiguration has found use, as well as proposing new areas where this capability places FPGAs in a unique position for adoption

Digital design techniques for dependable High-Performance Computing

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Characterisation and mitigation of long-term degradation effects in programmable logic

Reliability has always been an issue in silicon device engineering, but until now it has been managed by the carefully tuned fabrication process. In the future the underlying physical limitations of silicon-based electronics, plus the practical challenges of manufacturing with such complexity at such a small scale, will lead to a crunch point where transistor-level reliability must be forfeited to continue achieving better productivity. Field-programmable gate arrays (FPGAs) are built on state-of-the-art silicon processes, but it has been recognised for some time that their distinctive characteristics put them in a favourable position over application-specific integrated circuits in the face of the reliability challenge. The literature shows how a regular structure, interchangeable resources and an ability to reconfigure can all be exploited to detect, locate, and overcome degradation and keep an FPGA application running. To fully exploit these characteristics, a better understanding is needed of the behavioural changes that are seen in the resources that make up an FPGA under ageing. Modelling is an attractive approach to this and in this thesis the causes and effects are explored of three important degradation mechanisms. All are shown to have an adverse affect on FPGA operation, but their characteristics show novel opportunities for ageing mitigation. Any modelling exercise is built on assumptions and so an empirical method is developed for investigating ageing on hardware with an accelerated-life test. Here, experiments show that timing degradation due to negative-bias temperature instability is the dominant process in the technology considered. Building on simulated and experimental results, this work also demonstrates a variety of methods for increasing the lifetime of FPGA lookup tables. The pre-emptive measure of wear-levelling is investigated in particular detail, and it is shown by experiment how di fferent reconfiguration algorithms can result in a significant reduction to the rate of degradation

Analyse und Erweiterung eines fehler-toleranten NoC für SRAM-basierte FPGAs in Weltraumapplikationen

Data Processing Units for scientific space mission need to process ever higher volumes of data and perform ever complex calculations. But the performance of available space-qualified general purpose processors is just in the lower three digit megahertz range, which is already insufficient for some applications. As an alternative, suitable processing steps can be implemented in hardware on a space-qualified SRAM-based FPGA. However, suitable devices are susceptible against space radiation. At the Institute for Communication and Network Engineering a fault-tolerant, network-based communication architecture was developed, which enables the construction of processing chains on the basis of different processing modules within suitable SRAM-based FPGAs and allows the exchange of single processing modules during runtime, too. The communication architecture and its protocol shall isolate non SEU mitigated or just partial SEU mitigated modules affected by radiation-induced faults to prohibit the propagation of errors within the remaining System-on-Chip. In the context of an ESA study, this communication architecture was extended with further components and implemented in a representative hardware platform. Based on the acquired experiences during the study, this work analyses the actual fault-tolerance characteristics as well as weak points of this initial implementation. At appropriate locations, the communication architecture was extended with mechanisms for fault-detection and fault-differentiation as well as with a hardware-based monitoring solution. Both, the former measures and the extension of the employed hardware-platform with selective fault-injection capabilities for the emulation of radiation-induced faults within critical areas of a non SEU mitigated processing module, are used to evaluate the effects of radiation-induced faults within the communication architecture. By means of the gathered results, further measures to increase fast detection and isolation of faulty nodes are developed, selectively implemented and verified. In particular, the ability of the communication architecture to isolate network nodes without SEU mitigation could be significantly improved.Instrumentenrechner für wissenschaftliche Weltraummissionen müssen ein immer höheres Datenvolumen verarbeiten und immer komplexere Berechnungen ausführen. Die Performanz von verfügbaren qualifizierten Universalprozessoren liegt aber lediglich im unteren dreistelligen Megahertz-Bereich, was für einige Anwendungen bereits nicht mehr ausreicht. Als Alternative bietet sich die Implementierung von entsprechend geeigneten Datenverarbeitungsschritten in Hardware auf einem qualifizierten SRAM-basierten FPGA an. Geeignete Bausteine sind jedoch empfindlich gegenüber der Strahlungsumgebung im Weltraum. Am Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze wurde eine fehlertolerante netzwerk-basierte Kommunikationsarchitektur entwickelt, die innerhalb eines geeigneten SRAM-basierten FPGAs Datenverarbeitungsmodule miteinander nach Bedarf zu Verarbeitungsketten verbindet, sowie den Austausch von einzelnen Modulen im Betrieb ermöglicht. Nicht oder nur partiell SEU mitigierte Module sollen bei strahlungsbedingten Fehlern im Modul durch das Protokoll und die Fehlererkennungsmechanismen der Kommunikationsarchitektur isoliert werden, um ein Ausbreiten des Fehlers im restlichen System-on-Chip zu verhindern. Im Kontext einer ESA Studie wurde diese Kommunikationsarchitektur um Komponenten erweitert und auf einer repräsentativen Hardwareplattform umgesetzt. Basierend auf den gesammelten Erfahrungen aus der Studie, wird in dieser Arbeit eine Analyse der tatsächlichen Fehlertoleranz-Eigenschaften sowie der Schwachstellen dieser ursprünglichen Implementierung durchgeführt. Die Kommunikationsarchitektur wurde an geeigneten Stellen um Fehlerdetektierungs- und Fehlerunterscheidungsmöglichkeiten erweitert, sowie um eine hardwarebasierte Überwachung ergänzt. Sowohl diese Maßnahmen, als auch die Erweiterung der Hardwareplattform um gezielte Fehlerinjektions-Möglichkeiten zum Emulieren von strahlungsinduzierten Fehlern in kritischen Komponenten eines nicht SEU mitigierten Prozessierungsmoduls werden genutzt, um die tatsächlichen auftretenden Effekte in der Kommunikationsarchitektur zu evaluieren. Anhand der Ergebnisse werden weitere Verbesserungsmaßnahmen speziell zur schnellen Detektierung und Isolation von fehlerhaften Knoten erarbeitet, selektiv implementiert und verifiziert. Insbesondere die Fähigkeit, fehlerhafte, nicht SEU mitigierte Netzwerkknoten innerhalb der Kommunikationsarchitektur zu isolieren, konnte dabei deutlich verbessert werden

Contributions to the fault tolerance of soft-core processors implemented in SRAM-based FPGA Systems.

239 p.Gracias al desarrollo de las tecnologías de diseño y fabricación, los circuitos electrónicos han llegado a grandes niveles de integración. De esta forma, hoy en día es posible implementar completos y complejos sistemas dentro de un único dispositivo incorporando gran variedad de elementos como: procesadores, osciladores, lazos de seguimiento de fase (PLLs), interfaces, conversores ADC y DAC, módulos de memoria, etc. A este concepto de diseño se le denomina comúnmente SoC (System-on-Chip). Una de las plataformas para implementar estos sistemas que más importancia está cobrando son las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Históricamente la plataforma más utilizada para albergar los SoCs han sido las ASICs (Application- Specific Integrated Circuits), debido a su bajo consumo energético y su gran rendimiento. No obstante, su costoso proceso de desarrollo y fabricación hace que solo sean rentables en el caso de producciones masivas. Las FPGAs, por el contrario, al ser dispositivos configurables ofrecen, la posibilidad de implementar diseños personalizados a un coste mucho más reducido. Por otro lado, los continuos avances en la tecnología de las FPGAs están haciendo que éstas compitan con las ASICs a nivel de prestaciones (consumo, nivel de integración y eficiencia). Ciertas tecnologías de FPGA, como las SRAM y Flash, poseen una característica que las hace especialmente interesantes en multitud de diseños: la capacidad de reconfiguración. Dicha característica, que incluso puede ser realizada de forma autónoma, permite cambiar completamente el diseño hardware implementado con solo cargar en la FPGA un archivo de configuración denominado bitstream. La reconfiguración puede incluso permitir modificar una parte del circuito configurado en la matriz de la FPGA, mientras el resto del circuito implementado continua inalterado. Esto que se conoce como reconfiguración parcial dinámica, posibilita que un mismo chip albergue en su interior numerosos diseños hardware que pueden ser cargados a demanda. Gracias a la capacidad de reconfiguración, las FPGAs ofrecen numerosas ventajas como: posibilidad de personalización de diseños, capacidad de readaptación durante el funcionamiento para responder a cambios o corregir errores, mitigación de obsolescencia, diferenciación, menores costes de diseño o reducido tiempo para el lanzamiento de productos al mercado. Los SoC basados en FPGAs allanan el camino hacia un nuevo concepto de integración de hardware y software, permitiendo que los diseñadores de sistemas electrónicos sean capaces de integrar procesadores embebidos en los diseños para beneficiarse de su gran capacidad de computación. Gracias a esto, una parte importante de la electrónica hace uso de la tecnología FPGA abarcando un gran abanico de campos, como por ejemplo: la electrónica de consumo y el entretenimiento, la medicina o industrias como la espacial, la aviónica, la automovilística o la militar. Las tecnologías de FPGA existentes ofrecen dos vías de utilización de procesado- res embebidos: procesadores hardcore y procesadores softcore. Los hardcore son procesadores discretos integrados en el mismo chip de la FPGA. Generalmente ofrecen altas frecuencias de trabajo y una mayor previsibilidad en términos de rendimiento y uso del área, pero su diseño hardware no puede alterarse para ser personalizado. Por otro lado, un procesador soft-core, es la descripción hardware en lenguaje HDL (normalmente VDHL o Verilog) de un procesador, sintetizable e implementable en una FPGA. Habitualmente, los procesadores softcore suelen basarse en diseños hardware ya existentes, siendo compatibles con sus juegos de instrucciones, muchos de ellos en forma de IP cores (Intellectual Property co- res). Los IP cores ofrecen procesadores softcore prediseñados y testeados, que dependiendo del caso pueden ser de pago, gratuitos u otro tipo de licencias. Debido a su naturaleza, los procesadores softcore, pueden ser personalizados para una adaptación óptima a diseños específicos. Así mismo, ofrecen la posibilidad de integrar en el diseño tantos procesadores como se desee (siempre que haya disponibles recursos lógicos suficientes). Otra ventaja importante es que, gracias a la reconfiguración parcial dinámica, es posible añadir el procesador al diseño únicamente en los casos necesarios, ahorrando de esta forma, recursos lógicos y consumo energético. Uno de los mayores problemas que surgen al usar dispositivos basados en las tecnologías SRAM o la flash, como es el caso de las FPGAs, es que son especialmente sensibles a los efectos producidos por partículas energéticas provenientes de la radiación cósmica (como protones, neutrones, partículas alfa u otros iones pesados) denominados efectos de eventos simples o SEEs (Single Event Effects). Estos efectos pueden ocasionar diferentes tipos de fallos en los sistemas: desde fallos despreciables hasta fallos realmente graves que comprometan la funcionalidad del sistema. El correcto funcionamiento de los sistemas cobra especial relevancia cuando se trata de tecnologías de elevado costo o aquellas en las que peligran vidas humanas, como, por ejemplo, en campos tales como el transporte ferroviario, la automoción, la aviónica o la industria aeroespacial. Dependiendo de distintos factores, los SEEs pueden causar fallos de operación transitorios, cambios de estados lógicos o daños permanentes en el dispositivo. Cuando se trata de un fallo físico permanente se denomina hard-error, mientras que cuando el fallo afecta el circuito momentáneamente se denomina soft-error. Los SEEs más frecuentes son los soft-errors y afectan tanto a aplicaciones comerciales a nivel terrestre, como a aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales (con mayor incidencia en estas últimas). La contribución exacta de este tipo de fallos a la tasa de errores depende del diseño específico de cada circuito, pero en general se asume que entorno al 90 % de la tasa de error se debe a fallos en elementos de memoria (latches, biestables o celdas de memoria). Los soft-errors pueden afectar tanto al circuito lógico como al bitstream cargado en la memoria de configuración de la FPGA. Debido a su gran tamaño, la memoria de configuración tiene más probabilidades de ser afectada por un SEE. La existencia de problemas generados por estos efectos reafirma la importancia del concepto de tolerancia a fallos. La tolerancia a fallos es una propiedad relativa a los sistemas digitales, por la cual se asegura cierta calidad en el funcionamiento ante la presencia de fallos, debiendo los sistemas poder soportar los efectos de dichos fallos y funcionar correctamente en todo momento. Por tanto, para lograr un diseño robusto, es necesario garantizar la funcionalidad de los circuitos y asegurar la seguridad y confiabilidad en las aplicaciones críticas que puedan verse comprometidos por los SEE. A la hora de hacer frente a los SEE existe la posibilidad de explotar tecnologías específicas centradas en la tolerancia a fallos, como por ejemplo las FPGAs de tipo fusible, o, por otro lado, utilizar la tecnología comercial combinada con técnicas de tolerancia a fallos. Esta última opción va cobrando importancia debido al menor precio y mayores prestaciones de las FPGAs comerciales. Generalmente las técnicas de endurecimiento se aplican durante la fase de diseño. Existe un gran número de técnicas y se pueden llegar a combinar entre sí. Las técnicas prevalentes se basan en emplear algún tipo de redundancia, ya sea hardware, software, temporal o de información. Cada tipo de técnica presenta diferentes ventajas e inconvenientes y se centra en atacar distintos tipos de SEE y sus efectos. Dentro de las técnicas de tipo redundancia, la más utilizada es la hardware, que se basa en replicar el modulo a endurecer. De esta forma, cada una de las réplicas es alimentada con la misma entrada y sus salidas son comparadas para detectar discrepancias. Esta redundancia puede implementarse a diferentes niveles. En términos generales, un mayor nivel de redundancia hardware implica una mayor robustez, pero también incrementa el uso de recursos. Este incremento en el uso de recursos de una FPGA supone tener menos recursos disponibles para el diseño, mayor consumo energético, el tener más elementos susceptibles de ser afectados por un SEE y generalmente, una reducción de la máxima frecuencia alcanzable por el diseño. Por ello, los niveles de redundancia hardware más utilizados son la doble, conocida como DMR (Dual Modular Redundancy) y la triple o TMR (Triple Modular Redundancy). La DMR minimiza el número de recursos redundantes, pero presenta el problema de no poder identificar el módulo fallido ya que solo es capaz de detectar que se ha producido un error. Ello hace necesario combinarlo con técnicas adicionales. Al caso de DMR aplicado a procesadores se le denomina lockstep y se suele combinar con las técnicas checkpoint y rollback recovery. El checkpoint consiste en guardar periódicamente el contexto (contenido de registros y memorias) de instantes identificados como correctos. Gracias a esto, una vez detectado y reparado un fallo es posible emplear el rollback recovery para cargar el último contexto correcto guardado. Las desventajas de estas estrategias son el tiempo requerido por ambas técnicas (checkpoint y rollback recovery) y la necesidad de elementos adicionales (como memorias auxiliares para guardar el contexto). Por otro lado, el TMR ofrece la posibilidad de detectar el módulo fallido mediante la votación por mayoría. Es decir, si tras comparar las tres salidas una de ellas presenta un estado distinto, se asume que las otras dos son correctas. Esto permite que el sistema continúe funcionando correctamente (como sistema DMR) aun cuando uno de los módulos quede inutilizado. En todo caso, el TMR solo enmascara los errores, es decir, no los corrige. Una de las desventajas más destacables de esta técnica es que incrementa el uso de recursos en más de un 300 %. También cabe la posibilidad de que la salida discrepante sea la realmente correcta (y que, por tanto, las otras dos sean incorrectas), aunque este caso es bastante improbable. Uno de los problemas que no se ha analizado con profundidad en la bibliografía es el problema de la sincronización de procesadores soft-core en sistemas TMR (o de mayor nivel de redundancia). Dicho problema reside en que, si tras un fallo se inutiliza uno de los procesadores y el sistema continúa funcionando con el resto de procesadores, una vez reparado el procesador fallido éste necesita sincronizar su contexto al nuevo estado del sistema. Una práctica bastante común en la implementación de sistemas redundantes es combinarlos con la técnica conocida como scrubbing. Esta técnica basada en la reconfiguración parcial dinámica, consiste en sobrescribir periódicamente el bitstream con una copia libre de errores apropiadamente guardada. Gracias a ella, es posible corregir los errores enmascarados por el uso de algunas técnicas de endurecimiento como la redundancia hardware. Esta copia libre de errores suele omitir los bits del bitstream correspondientes a la memoria de usuario, por lo que solo actualiza los bits relacionados con la configuración de la FPGA. Por ello, a esta técnica también se la conoce como configuration scrubbing. En toda la literatura consultada se ha detectado un vacío en cuanto a técnicas que propongan estrategias de scrubbing para la memoria de usuario. Con el objetivo de proponer alternativas innovadoras en el terreno de la tolerancia a fallos para procesadores softcore, en este trabajo de investigación se han desarrollado varias técnicas y flujos de diseño para manejar los datos de usuario a través del bitstream, pudiendo leer, escribir o copiar la información de registros o de memorias implementadas en bloques RAMs de forma autónoma. Así mismo se ha desarrollado un abanico de propuestas tanto como para estrategias lockstep como para la sincronización de sistemas TMR, de las cuales varias hacen uso de las técnicas desarrolladas para manejar las memorias de usuario a través del bitstream. Estas últimas técnicas tienen en común la minimización de utilización de recursos respecto a las estrategias tradicionales. De forma similar, se proponen dos alternativas adicionales basadas en dichas técnicas: una propuesta de scrubbing para las memorias de usuario y una para la recuperación de información en memorias implementadas en bloques RAM cuyas interfaces hayan sido inutilizadas por SEEs.Todas las propuestas han sido validadas en hardware utilizando una FPGA de Xilinx, la empresa líder en fabricación de dispositivos reconfigurables. De esta forma se proporcionan resultados sobre los impactos de las técnicas propuestas en términos de utilización de recursos, consumos energéticos y máximas frecuencias alcanzables

Physically-Adaptive Computing via Introspection and Self-Optimization in Reconfigurable Systems.

Digital electronic systems typically must compute precise and deterministic results, but in principle have flexibility in how they compute. Despite the potential flexibility, the overriding paradigm for more than 50 years has been based on fixed, non-adaptive inte-grated circuits. This one-size-fits-all approach is rapidly losing effectiveness now that technology is advancing into the nanoscale. Physical variation and uncertainty in com-ponent behavior are emerging as fundamental constraints and leading to increasingly sub-optimal fault rates, power consumption, chip costs, and lifetimes. This dissertation pro-poses methods of physically-adaptive computing (PAC), in which reconfigurable elec-tronic systems sense and learn their own physical parameters and adapt with fine granu-larity in the field, leading to higher reliability and efficiency. We formulate the PAC problem and provide a conceptual framework built around two major themes: introspection and self-optimization. We investigate how systems can efficiently acquire useful information about their physical state and related parameters, and how systems can feasibly re-implement their designs on-the-fly using the information learned. We study the role not only of self-adaptation—where the above two tasks are performed by an adaptive system itself—but also of assisted adaptation using a remote server or peer. We introduce low-cost methods for sensing regional variations in a system, including a flexible, ultra-compact sensor that can be embedded in an application and implemented on field-programmable gate arrays (FPGAs). An array of such sensors, with only 1% to-tal overhead, can be employed to gain useful information about circuit delays, voltage noise, and even leakage variations. We present complementary methods of regional self-optimization, such as finding a design alternative that best fits a given system region. We propose a novel approach to characterizing local, uncorrelated variations. Through in-system emulation of noise, previously hidden variations in transient fault sus-ceptibility are uncovered. Correspondingly, we demonstrate practical methods of self-optimization, such as local re-placement, informed by the introspection data. Forms of physically-adaptive computing are strongly needed in areas such as com-munications infrastructure, data centers, and space systems. This dissertation contributes practical methods for improving PAC costs and benefits, and promotes a vision of re-sourceful, dependable digital systems at unimaginably-fine physical scales.Ph.D.Computer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/78922/1/kzick_1.pd