Network-on-Chip

Addresses the Challenges Associated with System-on-Chip Integration Network-on-Chip: The Next Generation of System-on-Chip Integration examines the current issues restricting chip-on-chip communication efficiency, and explores Network-on-chip (NoC), a promising alternative that equips designers with the capability to produce a scalable, reusable, and high-performance communication backbone by allowing for the integration of a large number of cores on a single system-on-chip (SoC). This book provides a basic overview of topics associated with NoC-based design: communication infrastructure design, communication methodology, evaluation framework, and mapping of applications onto NoC. It details the design and evaluation of different proposed NoC structures, low-power techniques, signal integrity and reliability issues, application mapping, testing, and future trends. Utilizing examples of chips that have been implemented in industry and academia, this text presents the full architectural design of components verified through implementation in industrial CAD tools. It describes NoC research and developments, incorporates theoretical proofs strengthening the analysis procedures, and includes algorithms used in NoC design and synthesis. In addition, it considers other upcoming NoC issues, such as low-power NoC design, signal integrity issues, NoC testing, reconfiguration, synthesis, and 3-D NoC design. This text comprises 12 chapters and covers: The evolution of NoC from SoC—its research and developmental challenges NoC protocols, elaborating flow control, available network topologies, routing mechanisms, fault tolerance, quality-of-service support, and the design of network interfaces The router design strategies followed in NoCs The evaluation mechanism of NoC architectures The application mapping strategies followed in NoCs Low-power design techniques specifically followed in NoCs The signal integrity and reliability issues of NoC The details of NoC testing strategies reported so far The problem of synthesizing application-specific NoCs Reconfigurable NoC design issues Direction of future research and development in the field of NoC Network-on-Chip: The Next Generation of System-on-Chip Integration covers the basic topics, technology, and future trends relevant to NoC-based design, and can be used by engineers, students, and researchers and other industry professionals interested in computer architecture, embedded systems, and parallel/distributed systems

VLSI Implementation of Low Power Reconfigurable MIMO Detector

Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems are a key technology for next generation high speed wireless communication standards like 802.11n, WiMax etc. MIMO enables spatial multiplexing to increase channel bandwidth which requires the use of multiple antennas in the receiver and transmitter side. The increase in bandwidth comes at the cost of high silicon complexity of MIMO detectors which result, due to the intricate algorithms required for the separation of these spatially multiplexed streams. Previous implementations of MIMO detector have mainly dealt with the issue of complexity reduction, latency minimization and throughput enhancement. Although, these detectors have successfully mapped algorithms to relatively simpler circuits but still, latency and throughput of these systems need further improvements to meet standard requirements. Additionally, most of these implementations don’t deal with the requirements of reconfigurability of the detector to multiple modulation schemes and different antennae configurations. This necessary requirement provides another dimension to the implementation of MIMO detector and adds to the implementation complexity. This thesis focuses on the efficient VLSI implementation of the MIMO detector with an emphasis on performance and re-configurability to different modulation schemes. MIMO decoding in our detector is based on the fixed sphere decoding algorithm which has been simplified for an effective VLSI implementation without considerably degrading the near optimal bit error rate performance. The regularity of the architecture makes it suitable for a highly parallel and pipelined implementation. The decoder has intrinsic traits for dynamic re-configurability to different modulation and encoding schemes. This detector architecture can be easily tuned for high/low performance requirements with slight degradation/improvement in Bit Error Rate (BER) depending on needs of the overlying application. Additionally, various architectural optimizations like pipelining, parallel processing, hardware scheduling, dynamic voltage and frequency scaling have been explored to improve the performance, energy requirements and re-configurability of the design

Low-overhead fault-tolerant logic for field-programmable gate arrays

While allowing for the fabrication of increasingly complex and efficient circuitry, transistor shrinkage and count-per-device expansion have major downsides: chiefly increased variation, degradation and fault susceptibility. For this reason, design-time consideration of faults will have to be given to increasing numbers of electronic systems in the future to ensure yields, reliabilities and lifetimes remain acceptably high. Many mathematical operators commonly accelerated in hardware are suited to modification resulting in datapath error detection and correction capabilities with far lower area, performance and/or power consumption overheads than those incurred through the utilisation of more established, general-purpose fault tolerance methods such as modular redundancy. Field-programmable gate arrays are uniquely placed to allow further area savings to be made thanks to their dynamic reconfigurability. The majority of the technical work presented within this thesis is based upon a benchmark hardware accelerator---a matrix multiplier---that underwent several evolutions in order to detect and correct faults manifesting along its datapath at runtime. In the first instance, fault detectability in excess of 99% was achieved in return for 7.87% additional area and 45.5% extra latency. In the second, the ability to correct errors caused by those faults was added at the cost of 4.20% more area, while 50.7% of this---and 46.2% of the previously incurred latency overhead---was removed through the introduction of partial reconfiguration in the third. The fourth demonstrates further reductions in both area and performance overheads---of 16.7% and 8.27%, respectively---through systematic data width reduction by allowing errors of less than ±0.5% of the maximum output value to propagate.Open Acces

Energy Efficient Hardware Design for Securing the Internet-of-Things

The Internet of Things (IoT) is a rapidly growing field that holds potential to transform our everyday lives by placing tiny devices and sensors everywhere. The ubiquity and scale of IoT devices require them to be extremely energy efficient. Given the physical exposure to malicious agents, security is a critical challenge within the constrained resources. This dissertation presents energy-efficient hardware designs for IoT security. First, this dissertation presents a lightweight Advanced Encryption Standard (AES) accelerator design. By analyzing the algorithm, a novel method to manipulate two internal steps to eliminate storage registers and replace flip-flops with latches to save area is discovered. The proposed AES accelerator achieves state-of-art area and energy efficiency. Second, the inflexibility and high Non-Recurring Engineering (NRE) costs of Application-Specific-Integrated-Circuits (ASICs) motivate a more flexible solution. This dissertation presents a reconfigurable cryptographic processor, called Recryptor, which achieves performance and energy improvements for a wide range of security algorithms across public key/secret key cryptography and hash functions. The proposed design employs circuit techniques in-memory and near-memory computing and is more resilient to power analysis attack. In addition, a simulator for in-memory computation is proposed. It is of high cost to design and evaluate new-architecture like in-memory computing in Register-transfer level (RTL). A C-based simulator is designed to enable fast design space exploration and large workload simulations. Elliptic curve arithmetic and Galois counter mode are evaluated in this work. Lastly, an error resilient register circuit, called iRazor, is designed to tolerate unpredictable variations in manufacturing process operating temperature and voltage of VLSI systems. When integrated into an ARM processor, this adaptive approach outperforms competing industrial techniques such as frequency binning and canary circuits in performance and energy.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/147546/1/zhyiqun_1.pd

Energy-Efficient Digital Signal Processing Hardware Design.

As CMOS technology has developed considerably in the last few decades, many SoCs have been implemented across different application areas due to reduced area and power consumption. Digital signal processing (DSP) algorithms are frequently employed in these systems to achieve more accurate operation or faster computation. However, CMOS technology scaling started to slow down recently and relatively large systems consume too much power to rely only on the scaling effect while system power budget such as battery capacity improves slowly. In addition, there exist increasing needs for miniaturized computing systems including sensor nodes that can accomplish similar operations with significantly smaller power budget. Voltage scaling is one of the most promising power saving techniques due to quadratic switching power reduction effect, making it necessary feature for even high-end processors. However, in order to achieve maximum possible energy efficiency, systems should operate in near or sub-threshold regimes where leakage takes significant portion of power. In this dissertation, a few key energy-aware design approaches are described. Considering prominent leakage and larger PVT variability in low operating voltages, multi-level energy saving techniques to be described are applied to key building blocks in DSP applications: architecture study, algorithm-architecture co-optimization, and robust yet low-power memory design. Finally, described approaches are applied to design examples including a visual navigation accelerator, ultra-low power biomedical SoC and face detection/recognition processor, resulting in 2~100 times power savings than state-of-the-art.PhDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/110496/1/djeon_1.pd

Algorithm Development and VLSI Implementation of Energy Efficient Decoders of Polar Codes

With its low error-floor performance, polar codes attract significant attention as the potential standard error correction code (ECC) for future communication and data storage. However, the VLSI implementation complexity of polar codes decoders is largely influenced by its nature of in-series decoding. This dissertation is dedicated to presenting optimal decoder architectures for polar codes. This dissertation addresses several structural properties of polar codes and key properties of decoding algorithms that are not dealt with in the prior researches. The underlying concept of the proposed architectures is a paradigm that simplifies and schedules the computations such that hardware is simplified, latency is minimized and bandwidth is maximized. In pursuit of the above, throughput centric successive cancellation (TCSC) and overlapping path list successive cancellation (OPLSC) VLSI architectures and express journey BP (XJBP) decoders for the polar codes are presented. An arbitrary polar code can be decomposed by a set of shorter polar codes with special characteristics, those shorter polar codes are referred to as constituent polar codes. By exploiting the homogeneousness between decoding processes of different constituent polar codes, TCSC reduces the decoding latency of the SC decoder by 60% for codes with length n = 1024. The error correction performance of SC decoding is inferior to that of list successive cancellation decoding. The LSC decoding algorithm delivers the most reliable decoding results; however, it consumes most hardware resources and decoding cycles. Instead of using multiple instances of decoding cores in the LSC decoders, a single SC decoder is used in the OPLSC architecture. The computations of each path in the LSC are arranged to occupy the decoder hardware stages serially in a streamlined fashion. This yields a significant reduction of hardware complexity. The OPLSC decoder has achieved about 1.4 times hardware efficiency improvement compared with traditional LSC decoders. The hardware efficient VLSI architectures for TCSC and OPLSC polar codes decoders are also introduced. Decoders based on SC or LSC algorithms suffer from high latency and limited throughput due to their serial decoding natures. An alternative approach to decode the polar codes is belief propagation (BP) based algorithm. In BP algorithm, a graph is set up to guide the beliefs propagated and refined, which is usually referred to as factor graph. BP decoding algorithm allows decoding in parallel to achieve much higher throughput. XJBP decoder facilitates belief propagation by utilizing the specific constituent codes that exist in the conventional factor graph, which results in an express journey (XJ) decoder. Compared with the conventional BP decoding algorithm for polar codes, the proposed decoder reduces the computational complexity by about 40.6%. This enables an energy-efficient hardware implementation. To further explore the hardware consumption of the proposed XJBP decoder, the computations scheduling is modeled and analyzed in this dissertation. With discussions on different hardware scenarios, the optimal scheduling plans are developed. A novel memory-distributed micro-architecture of the XJBP decoder is proposed and analyzed to solve the potential memory access problems of the proposed scheduling strategy. The register-transfer level (RTL) models of the XJBP decoder are set up for comparisons with other state-of-the-art BP decoders. The results show that the power efficiency of BP decoders is improved by about 3 times

Algorithm Development and VLSI Implementation of Energy Efficient Decoders of Polar Codes

With its low error-floor performance, polar codes attract significant attention as the potential standard error correction code (ECC) for future communication and data storage. However, the VLSI implementation complexity of polar codes decoders is largely influenced by its nature of in-series decoding. This dissertation is dedicated to presenting optimal decoder architectures for polar codes. This dissertation addresses several structural properties of polar codes and key properties of decoding algorithms that are not dealt with in the prior researches. The underlying concept of the proposed architectures is a paradigm that simplifies and schedules the computations such that hardware is simplified, latency is minimized and bandwidth is maximized. In pursuit of the above, throughput centric successive cancellation (TCSC) and overlapping path list successive cancellation (OPLSC) VLSI architectures and express journey BP (XJBP) decoders for the polar codes are presented. An arbitrary polar code can be decomposed by a set of shorter polar codes with special characteristics, those shorter polar codes are referred to as constituent polar codes. By exploiting the homogeneousness between decoding processes of different constituent polar codes, TCSC reduces the decoding latency of the SC decoder by 60% for codes with length n = 1024. The error correction performance of SC decoding is inferior to that of list successive cancellation decoding. The LSC decoding algorithm delivers the most reliable decoding results; however, it consumes most hardware resources and decoding cycles. Instead of using multiple instances of decoding cores in the LSC decoders, a single SC decoder is used in the OPLSC architecture. The computations of each path in the LSC are arranged to occupy the decoder hardware stages serially in a streamlined fashion. This yields a significant reduction of hardware complexity. The OPLSC decoder has achieved about 1.4 times hardware efficiency improvement compared with traditional LSC decoders. The hardware efficient VLSI architectures for TCSC and OPLSC polar codes decoders are also introduced. Decoders based on SC or LSC algorithms suffer from high latency and limited throughput due to their serial decoding natures. An alternative approach to decode the polar codes is belief propagation (BP) based algorithm. In BP algorithm, a graph is set up to guide the beliefs propagated and refined, which is usually referred to as factor graph. BP decoding algorithm allows decoding in parallel to achieve much higher throughput. XJBP decoder facilitates belief propagation by utilizing the specific constituent codes that exist in the conventional factor graph, which results in an express journey (XJ) decoder. Compared with the conventional BP decoding algorithm for polar codes, the proposed decoder reduces the computational complexity by about 40.6%. This enables an energy-efficient hardware implementation. To further explore the hardware consumption of the proposed XJBP decoder, the computations scheduling is modeled and analyzed in this dissertation. With discussions on different hardware scenarios, the optimal scheduling plans are developed. A novel memory-distributed micro-architecture of the XJBP decoder is proposed and analyzed to solve the potential memory access problems of the proposed scheduling strategy. The register-transfer level (RTL) models of the XJBP decoder are set up for comparisons with other state-of-the-art BP decoders. The results show that the power efficiency of BP decoders is improved by about 3 times

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