Cost-Efficient Soft-Error Resiliency for ASIP-based Embedded Systems

Recent decades have witnessed the rapid growth of embedded systems. At present, embedded systems are widely applied in a broad range of critical applications including automotive electronics, telecommunication, healthcare, industrial electronics, consumer electronics military and aerospace. Human society will continue to be greatly transformed by the pervasive deployment of embedded systems. Consequently, substantial amount of efforts from both industry and academic communities have contributed to the research and development of embedded systems. Application-specific instruction-set processor (ASIP) is one of the key advances in embedded processor technology, and a crucial component in some embedded systems. Soft errors have been directly observed since the 1970s. As devices scale, the exponential increase in the integration of computing systems occurs, which leads to correspondingly decrease in the reliability of computing systems. Today, major research forums state that soft errors are one of the major design technology challenges at and beyond the 22 nm technology node. Therefore, a large number of soft-error solutions, including error detection and recovery, have been proposed from differing perspectives. Nonetheless, most of the existing solutions are designed for general or high-performance systems which are different to embedded systems. For embedded systems, the soft-error solutions must be cost-efficient, which requires the tailoring of the processor architecture with respect to the feature of the target application. This thesis embodies a series of explorations for cost-efficient soft-error solutions for ASIP-based embedded systems. In this exploration, five major solutions are proposed. The first proposed solution realizes checkpoint recovery in ASIPs. By generating customized instructions, ASIP-implemented checkpoint recovery can perform at a finer granularity than what was previously possible. The fault-free performance overhead of this solution is only 1.45% on average. The recovery delay is only 62 cycles at the worst case. The area and leakage power overheads are 44.4% and 45.6% on average. The second solution explores utilizing two primitive error recovery techniques jointly. This solution includes three application-specific optimization methodologies. This solution generates the optimized error-resilient ASIPs, based on the characteristics of primitive error recovery techniques, static reliability analysis and design constraints. The resultant ASIP can be configured to perform at runtime according to the optimized recovery scheme. This solution can strategically enhance cost-efficiency for error recovery. In order to guarantee cost-efficiency in unpredictable runtime situations, the third solution explores runtime adaptation for error recovery. This solution aims to budget and adapt the error recovery operations, so as to spend the resources intelligently and to tolerate adverse influences of runtime variations. The resultant ASIP can make runtime decisions to determine the activation of spatial and temporal redundancies, according to the runtime situations. At the best case, this solution can achieve almost 50x reliability gain over the state of the art solutions. Given the increasing demand for multi-core computing systems, the last two proposed solutions target error recovery in multi-core ASIPs. The first solution of these two explores ASIP-implemented fine-grained process migration. This solution is a key infrastructure, which allows cost-efficient task management, for realizing cost-efficient soft-error recovery in multi-core ASIPs. The average time cost is only 289 machine cycles to perform process migration. The last solution explores using dynamic and adaptive mapping to assign heterogeneous recovery operations to the tasks in the multi-core context. This solution allows each individual ASIP-based processing core to dynamically adapt its specific error recovery functionality according to the corresponding task's characteristics, in terms of soft error vulnerability and execution time deadline. This solution can significantly improve the reliability of the system by almost two times, with graceful constraint penalty, in comparison to the state-of-the-art counterparts

Energy efficient enabling technologies for semantic video processing on mobile devices

Semantic object-based processing will play an increasingly important role in future multimedia systems due to the ubiquity of digital multimedia capture/playback technologies and increasing storage capacity. Although the object based paradigm has many undeniable benefits, numerous technical challenges remain before the applications becomes pervasive, particularly on computational constrained mobile devices. A fundamental issue is the ill-posed problem of semantic object segmentation. Furthermore, on battery powered mobile computing devices, the additional algorithmic complexity of semantic object based processing compared to conventional video processing is highly undesirable both from a real-time operation and battery life perspective. This thesis attempts to tackle these issues by firstly constraining the solution space and focusing on the human face as a primary semantic concept of use to users of mobile devices. A novel face detection algorithm is proposed, which from the outset was designed to be amenable to be offloaded from the host microprocessor to dedicated hardware, thereby providing real-time performance and reducing power consumption. The algorithm uses an Artificial Neural Network (ANN), whose topology and weights are evolved via a genetic algorithm (GA). The computational burden of the ANN evaluation is offloaded to a dedicated hardware accelerator, which is capable of processing any evolved network topology. Efficient arithmetic circuitry, which leverages modified Booth recoding, column compressors and carry save adders, is adopted throughout the design. To tackle the increased computational costs associated with object tracking or object based shape encoding, a novel energy efficient binary motion estimation architecture is proposed. Energy is reduced in the proposed motion estimation architecture by minimising the redundant operations inherent in the binary data. Both architectures are shown to compare favourable with the relevant prior art

SSFT: selective software fault tolerance

Cataloged from PDF version of article.As technology advances, the processors are shrunk in size and manufactured using higher density transistors which makes them cheaper, more power efficient and more powerful. While this progress is most beneficial to end-users, these advances make processors more vulnerable to outside radiation causing soft errors which occur mostly in the form of single bit flips on data. For protection against soft errors, hardware techniques like ECC (Error Correcting Code) and Ram Parity Memory are proposed to provide error detection and even error correction capabilities. While hardware techniques provide effective solutions, software only techniques may offer cheaper and more flexible alternatives where additional hardware is not available or cannot be introduced to existing architectures. Software fault detection techniques -while powerful- rely mostly on redundancy which causes significant amount of performance overhead and increase in the number of bits susceptible to soft errors. In most cases, where reliability is a concern, the availability and performance of the system is even a bigger concern, which actually requires a multi objective optimization approach. In applications where a certain margin of error is acceptable and availability is important, the existing software fault tolerance techniques may not be applied directly because of the unacceptable performance overheads they introduce to the system. Our technique Selective Software Fault Tolerance (SSFT) aims at providing availability and reliability simultaneously, by providing only required amount of protection while preserving the quality of the program output. SSFT uses software profiling information to understand application’s vulnerabilities against transient faults. Transient faults are more likely to occur in instructions that have higher execution counts. Additionally, the instructions that cause greater damage in program output when hit by transient faults, should be considered as application weaknesses in terms of reliability. SSFT combines these information to eliminate the instructions from fault tolerance, that are less likely to be hit by transient errors or cause errors in program output. This approach reduces power consumption and redundancy (therefore less data bits susceptible to soft errors), while improving performance and providing acceptable reliability. This technique can easily be adapted to existing software fault tolerance techniques in order to achieve a more suitable form of protection that will satisfy different concerns of the application. Similarly, hybrid and hardware only approaches may also take advantage of the optimizations provided by our technique.Turhan, TuncerM.S

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

NASA Space Engineering Research Center Symposium on VLSI Design

The NASA Space Engineering Research Center (SERC) is proud to offer, at its second symposium on VLSI design, presentations by an outstanding set of individuals from national laboratories and the electronics industry. These featured speakers share insights into next generation advances that will serve as a basis for future VLSI design. Questions of reliability in the space environment along with new directions in CAD and design are addressed by the featured speakers

Towards the development of a reliable reconfigurable real-time operating system on FPGAs

In the last two decades, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been rapidly developed from simple “glue-logic” to a powerful platform capable of implementing a System on Chip (SoC). Modern FPGAs achieve not only the high performance compared with General Purpose Processors (GPPs), thanks to hardware parallelism and dedication, but also better programming flexibility, in comparison to Application Specific Integrated Circuits (ASICs). Moreover, the hardware programming flexibility of FPGAs is further harnessed for both performance and manipulability, which makes Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) possible. DPR allows a part or parts of a circuit to be reconfigured at run-time, without interrupting the rest of the chip’s operation. As a result, hardware resources can be more efficiently exploited since the chip resources can be reused by swapping in or out hardware tasks to or from the chip in a time-multiplexed fashion. In addition, DPR improves fault tolerance against transient errors and permanent damage, such as Single Event Upsets (SEUs) can be mitigated by reconfiguring the FPGA to avoid error accumulation. Furthermore, power and heat can be reduced by removing finished or idle tasks from the chip. For all these reasons above, DPR has significantly promoted Reconfigurable Computing (RC) and has become a very hot topic. However, since hardware integration is increasing at an exponential rate, and applications are becoming more complex with the growth of user demands, highlevel application design and low-level hardware implementation are increasingly separated and layered. As a consequence, users can obtain little advantage from DPR without the support of system-level middleware. To bridge the gap between the high-level application and the low-level hardware implementation, this thesis presents the important contributions towards a Reliable, Reconfigurable and Real-Time Operating System (R3TOS), which facilitates the user exploitation of DPR from the application level, by managing the complex hardware in the background. In R3TOS, hardware tasks behave just like software tasks, which can be created, scheduled, and mapped to different computing resources on the fly. The novel contributions of this work are: 1) a novel implementation of an efficient task scheduler and allocator; 2) implementation of a novel real-time scheduling algorithm (FAEDF) and two efficacious allocating algorithms (EAC and EVC), which schedule tasks in real-time and circumvent emerging faults while maintaining more compact empty areas. 3) Design and implementation of a faulttolerant microprocessor by harnessing the existing FPGA resources, such as Error Correction Code (ECC) and configuration primitives. 4) A novel symmetric multiprocessing (SMP)-based architectures that supports shared memory programing interface. 5) Two demonstrations of the integrated system, including a) the K-Nearest Neighbour classifier, which is a non-parametric classification algorithm widely used in various fields of data mining; and b) pairwise sequence alignment, namely the Smith Waterman algorithm, used for identifying similarities between two biological sequences. R3TOS gives considerably higher flexibility to support scalable multi-user, multitasking applications, whereby resources can be dynamically managed in respect of user requirements and hardware availability. Benefiting from this, not only the hardware resources can be more efficiently used, but also the system performance can be significantly increased. Results show that the scheduling and allocating efficiencies have been improved up to 2x, and the overall system performance is further improved by ~2.5x. Future work includes the development of Network on Chip (NoC), which is expected to further increase the communication throughput; as well as the standardization and automation of our system design, which will be carried out in line with the enablement of other high-level synthesis tools, to allow application developers to benefit from the system in a more efficient manner

Cross-Layer Optimization for Power-Efficient and Robust Digital Circuits and Systems

With the increasing digital services demand, performance and power-efficiency become vital requirements for digital circuits and systems. However, the enabling CMOS technology scaling has been facing significant challenges of device uncertainties, such as process, voltage, and temperature variations. To ensure system reliability, worst-case corner assumptions are usually made in each design level. However, the over-pessimistic worst-case margin leads to unnecessary power waste and performance loss as high as 2.2x. Since optimizations are traditionally confined to each specific level, those safe margins can hardly be properly exploited. To tackle the challenge, it is therefore advised in this Ph.D. thesis to perform a cross-layer optimization for digital signal processing circuits and systems, to achieve a global balance of power consumption and output quality. To conclude, the traditional over-pessimistic worst-case approach leads to huge power waste. In contrast, the adaptive voltage scaling approach saves power (25% for the CORDIC application) by providing a just-needed supply voltage. The power saving is maximized (46% for CORDIC) when a more aggressive voltage over-scaling scheme is applied. These sparsely occurred circuit errors produced by aggressive voltage over-scaling are mitigated by higher level error resilient designs. For functions like FFT and CORDIC, smart error mitigation schemes were proposed to enhance reliability (soft-errors and timing-errors, respectively). Applications like Massive MIMO systems are robust against lower level errors, thanks to the intrinsically redundant antennas. This property makes it applicable to embrace digital hardware that trades quality for power savings.Comment: 190 page

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