Optimizing Scrubbing by Netlist Analysis for FPGA Configuration Bit Classification and Floorplanning

Existing scrubbing techniques for SEU mitigation on FPGAs do not guarantee an error-free operation after SEU recovering if the affected configuration bits do belong to feedback loops of the implemented circuits. In this paper, we a) provide a netlist-based circuit analysis technique to distinguish so-called critical configuration bits from essential bits in order to identify configuration bits which will need also state-restoring actions after a recovered SEU and which not. Furthermore, b) an alternative classification approach using fault injection is developed in order to compare both classification techniques. Moreover, c) we will propose a floorplanning approach for reducing the effective number of scrubbed frames and d), experimental results will give evidence that our optimization methodology not only allows to detect errors earlier but also to minimize the Mean-Time-To-Repair (MTTR) of a circuit considerably. In particular, we show that by using our approach, the MTTR for datapath-intensive circuits can be reduced by up to 48.5% in comparison to standard approaches

Embedded electronic systems driven by run-time reconfigurable hardware

Abstract This doctoral thesis addresses the design of embedded electronic systems based on run-time reconfigurable hardware technology –available through SRAM-based FPGA/SoC devices– aimed at contributing to enhance the life quality of the human beings. This work does research on the conception of the system architecture and the reconfiguration engine that provides to the FPGA the capability of dynamic partial reconfiguration in order to synthesize, by means of hardware/software co-design, a given application partitioned in processing tasks which are multiplexed in time and space, optimizing thus its physical implementation –silicon area, processing time, complexity, flexibility, functional density, cost and power consumption– in comparison with other alternatives based on static hardware (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). The design flow of such technology is evaluated through the prototyping of several engineering applications (control systems, mathematical coprocessors, complex image processors, etc.), showing a high enough level of maturity for its exploitation in the industry.Resumen Esta tesis doctoral abarca el diseño de sistemas electrónicos embebidos basados en tecnología hardware dinámicamente reconfigurable –disponible a través de dispositivos lógicos programables SRAM FPGA/SoC– que contribuyan a la mejora de la calidad de vida de la sociedad. Se investiga la arquitectura del sistema y del motor de reconfiguración que proporcione a la FPGA la capacidad de reconfiguración dinámica parcial de sus recursos programables, con objeto de sintetizar, mediante codiseño hardware/software, una determinada aplicación particionada en tareas multiplexadas en tiempo y en espacio, optimizando así su implementación física –área de silicio, tiempo de procesado, complejidad, flexibilidad, densidad funcional, coste y potencia disipada– comparada con otras alternativas basadas en hardware estático (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). Se evalúa el flujo de diseño de dicha tecnología a través del prototipado de varias aplicaciones de ingeniería (sistemas de control, coprocesadores aritméticos, procesadores de imagen, etc.), evidenciando un nivel de madurez viable ya para su explotación en la industria.Resum Aquesta tesi doctoral està orientada al disseny de sistemes electrònics empotrats basats en tecnologia hardware dinàmicament reconfigurable –disponible mitjançant dispositius lògics programables SRAM FPGA/SoC– que contribueixin a la millora de la qualitat de vida de la societat. S’investiga l’arquitectura del sistema i del motor de reconfiguració que proporcioni a la FPGA la capacitat de reconfiguració dinàmica parcial dels seus recursos programables, amb l’objectiu de sintetitzar, mitjançant codisseny hardware/software, una determinada aplicació particionada en tasques multiplexades en temps i en espai, optimizant així la seva implementació física –àrea de silici, temps de processat, complexitat, flexibilitat, densitat funcional, cost i potència dissipada– comparada amb altres alternatives basades en hardware estàtic (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). S’evalúa el fluxe de disseny d’aquesta tecnologia a través del prototipat de varies aplicacions d’enginyeria (sistemes de control, coprocessadors aritmètics, processadors d’imatge, etc.), demostrant un nivell de maduresa viable ja per a la seva explotació a la indústria

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

Caracterización de la tolerancia a fallos de circuitos implementados en FPGAs

213 p.Las FPGAs (Field-Programmable Gate Array) y los SoC (System-on-chip) basados en FPGA son dispositivos electrónicos configurables en campo (in field), que ofrecen la posibilidad de desarrollar un circuito a medida con un tiempo de salida al mercado y unos costes de diseño reducidos en comparación con los ASICs. Debido a la reducción continua del tamaño de los transistores, las prestaciones de estos dispositivos se están incrementando de manera vertiginosa en las últimas décadas, lo que ha generado interés en sectores muy específicos como automoción, ferroviario, industrial, aviónico o aeroespacial. En estos sectores se exige que los diseños estén orientados a confiabilidad y que cumplan con diversas normativas de seguridad, lo que requiere de métodos para la estimación y justificación de la tasa de fallos del sistema. El problema radica en que las FPGAs son especialmente susceptibles al SEU (Single Event Upset) generado por radiación en la memoria de configuración, un tipo de error que provoca la modificación aleatoria de uno o más bits de dicha memoria, afectando al circuito implementado. Por lo tanto, los diseños orientados a confiabilidad que utilicen FPGAs comerciales han de considerar la inclusión de una serie de medidas y mecanismos para mitigar sus efectos. No solo eso, sino que también es necesaria la aplicación de mecanismos de evaluación para corroborar que las estrategias aplicadas permiten alcanzar los objetivos de confiabilidad. De entre los diferentes procedimientos de evaluación aplicables se destaca la emulación de SEUs, que consiste en programar el dispositivo con un archivo intencionadamente corrompido para que se almacene contenido erróneo en la memoria de configuración, lo que genera un efecto análogo al SEU. Se han estudiado diferentes metodologías de emulación en la literatura y se han observado una serie de deficiencias. Por un lado, los métodos de emulación internos (los errores se inyectan desde la propia FPGA) tienen el problema de ser autobloqueantes, ya que el error inyectado puede afectar al propio sistema de emulación. Por otro lado, los sistemas de emulación externos pueden requerir cambios importantes a nivel de hardware.El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de un mecanismo de emulación de SEUs que pueda implementarse de manera sencilla en sistemas ya construidos, cuyo único requisito es que dicho sistema tenga un SoC FPGA del tipo Zynq o similar. Además, se pretenden solventar las deficiencias observadas en la literatura aprovechando las diferentes capacidades que ofrecen los SoCs que combinan FPGA y sistema procesador (PS). Para ello se ha planteado la implementación del sistema de inyección de errores en el PS, ya que de esta manera se previenen las inyecciones de errores bloqueantes. De igual modo, aunque las inyecciones de realicen desde fuera de la FPGA, las inyecciones se llevan a cabo desde el interior del propio chip, evitando la necesidad de añadir modificaciones en el hardware. Se ha propuesto un esquema de verificación universal independiente de la aplicación, de modo que el esquema de test pueda ser adaptado a diferentes sistemas de forma sencilla, independientemente de su complejidad.Una vez planteada la metodología de emulación, se han realizado otras dos aportaciones. En primer lugar se ha comprobado cómo afectan las diferentes decisiones que puedan tomarse en las diferentes etapas de la fase de diseño. Aquí se ha comprobado que un mismo diseño puede tener fluctuaciones de hasta el 50\% si se modifican algunos parámetros. Por otro lado, habiendo observado que los emuladores de SEU existentes en la literatura se centran en el estudio del SBU (Single Bit Upset), se ha propuesto un procedimiento para la estimación de la tasa de fallo en presencia de MCUs (Multiple Cell Upsets)

Enhancing Real-time Embedded Image Processing Robustness on Reconfigurable Devices for Critical Applications

Nowadays, image processing is increasingly used in several application fields, such as biomedical, aerospace, or automotive. Within these fields, image processing is used to serve both non-critical and critical tasks. As example, in automotive, cameras are becoming key sensors in increasing car safety, driving assistance and driving comfort. They have been employed for infotainment (non-critical), as well as for some driver assistance tasks (critical), such as Forward Collision Avoidance, Intelligent Speed Control, or Pedestrian Detection. The complexity of these algorithms brings a challenge in real-time image processing systems, requiring high computing capacity, usually not available in processors for embedded systems. Hardware acceleration is therefore crucial, and devices such as Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) best fit the growing demand of computational capabilities. These devices can assist embedded processors by significantly speeding-up computationally intensive software algorithms. Moreover, critical applications introduce strict requirements not only from the real-time constraints, but also from the device reliability and algorithm robustness points of view. Technology scaling is highlighting reliability problems related to aging phenomena, and to the increasing sensitivity of digital devices to external radiation events that can cause transient or even permanent faults. These faults can lead to wrong information processed or, in the worst case, to a dangerous system failure. In this context, the reconfigurable nature of FPGA devices can be exploited to increase the system reliability and robustness by leveraging Dynamic Partial Reconfiguration features. The research work presented in this thesis focuses on the development of techniques for implementing efficient and robust real-time embedded image processing hardware accelerators and systems for mission-critical applications. Three main challenges have been faced and will be discussed, along with proposed solutions, throughout the thesis: (i) achieving real-time performances, (ii) enhancing algorithm robustness, and (iii) increasing overall system's dependability. In order to ensure real-time performances, efficient FPGA-based hardware accelerators implementing selected image processing algorithms have been developed. Functionalities offered by the target technology, and algorithm's characteristics have been constantly taken into account while designing such accelerators, in order to efficiently tailor algorithm's operations to available hardware resources. On the other hand, the key idea for increasing image processing algorithms' robustness is to introduce self-adaptivity features at algorithm level, in order to maintain constant, or improve, the quality of results for a wide range of input conditions, that are not always fully predictable at design-time (e.g., noise level variations). This has been accomplished by measuring at run-time some characteristics of the input images, and then tuning the algorithm parameters based on such estimations. Dynamic reconfiguration features of modern reconfigurable FPGA have been extensively exploited in order to integrate run-time adaptivity into the designed hardware accelerators. Tools and methodologies have been also developed in order to increase the overall system dependability during reconfiguration processes, thus providing safe run-time adaptation mechanisms. In addition, taking into account the target technology and the environments in which the developed hardware accelerators and systems may be employed, dependability issues have been analyzed, leading to the development of a platform for quickly assessing the reliability and characterizing the behavior of hardware accelerators implemented on reconfigurable FPGAs when they are affected by such faults

Dynamisch partielle Rekonfiguration in fehlertoleranten FPGA-Systemen

Korf S. Dynamisch partielle Rekonfiguration in fehlertoleranten FPGA-Systemen. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2017.Die Anforderungen an mikroelektronische Systeme steigen kontinuierlich. Rekonfigurierbare Architekturen bieten einen Kompromiss zwischen der Leistungsfähigkeit anwendungsspezifischer Schaltungen (ASICs) und der Flexibilität heutiger Prozessoren. Sogenannte im Feld programmierbare Gatter-Arrays (engl. Field-Programmable Gate Arrays, FPGAs) haben sich hierbei in den letzten Jahrzehnten besonders etabliert. Die Konfigurationsart dynamisch partielle Rekonfiguration (DPR) moderner SRAM-basierter FPGAs verdeutlicht die gewonnene System-Flexibilität. DPR wird in verschiedensten Anwendungsgebieten aus unterschiedlichsten Motivationen heraus eingesetzt. Die Hauptanwendung der DPR ist die Erstellung eines Systems, welches Veränderungen an der Schaltung auf dem FPGA zur Laufzeit erlaubt. Obwohl viele FPGA-Familien bereits seit zwei Jahrzehnten DPR hardwareseitig ermöglichen, ist die Unterstützung durch die Hersteller-Software und insbesondere die Eigenschaften des daraus resultierenden DPR-Systems verbesserungswürdig. Um das Potenzial der verfügbaren Hardware-Flexibilität ausnutzen zu können, wird in dieser Dissertation ein neuer Entwurfsablauf (INDRA 2.0, INtegrated Design Flow for Reconfigurable Architectures) vorgestellt. Dieser Entwurfsablauf ermöglicht die Erstellung eines flexiblen DPR-Systems mit geringem Speicher-, Verwaltungs- und Wartungsaufwand. Für Anwendungen mit Homogenitätsanforderungen wird mit DHHarMa (Design Flow for Homogeneous Hard Macros) ein Entwurfsablauf vorgestellt, der die Transformation eines zunächst inhomogenen Designs in ein homogenes Design ermöglicht. Bei dieser Design-Homogenisierung ergibt sich die Fragestellung nach möglichen Auswirkungen bezüglich des FPGA-Ressourcenbedarfs und der Leistungsfähigkeit durch die einzelnen Homogenisierungsschritte. Die einzelnen DHHarMa-Softwarekomponenten wurden daher detailliert durch verschiedene Bewertungsmaße analysiert. Hierbei konnte festgehalten werden, dass die Homogenisierungsschritte im Mittel einen, teils deutlichen, positiven Einfluss auf den FPGA-Ressourcenbedarf jedoch teils einen geringen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit hat. Die verwendete FPGA-Architektur hat hierbei auf beide Größen einen entscheidenden Einfluss. Zusätzlich wird in Anwendungsgebieten mit Strahlungseinfluss die DPR-Funktionalität in Verfahren zur Abschwächung von durch Strahlung induzierten Fehlern eingesetzt. In der Dissertation wird mit der Readback Scrubbing Unit eine Komponente vorgestellt, welche eine Einbitfehlerkorrektur und Zweibitfehlererkennung im FPGA-Konfigurationsspeicher implementiert. Durch integrierte Fehlerstatistikmechanismen wird eine Analyse des Systems zur Laufzeit realisiert. Zusätzlich ist die Erstellung von Readback Scrubbing Schedules möglich, sodass die Fehlererkennung und -korrektur zum einen autonom und zum anderen zur Laufzeit angepasst werden kann. Zusätzlich wird mit OLT(RE)² (On-Line on-demand Testing approach for permanent Radiation Effects in REconfigurable systems) ein Selbsttest für ein SRAM-basiertes FPGA vorgestellt. Dieser Selbsttest ermöglicht zur Systemlaufzeit eine Überprüfung einer FPGA-Fläche vor der Verwendung auf permanente Fehler in den Verdrahtungsressourcen

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

Design-for-Test and Test Optimization Techniques for TSV-based 3D Stacked ICs

<p>As integrated circuits (ICs) continue to scale to smaller dimensions, long interconnects</p><p>have become the dominant contributor to circuit delay and a significant component of</p><p>power consumption. In order to reduce the length of these interconnects, 3D integration</p><p>and 3D stacked ICs (3D SICs) are active areas of research in both academia and industry.</p><p>3D SICs not only have the potential to reduce average interconnect length and alleviate</p><p>many of the problems caused by long global interconnects, but they can offer greater design</p><p>flexibility over 2D ICs, significant reductions in power consumption and footprint in</p><p>an era of mobile applications, increased on-chip data bandwidth through delay reduction,</p><p>and improved heterogeneous integration.</p><p>Compared to 2D ICs, the manufacture and test of 3D ICs is significantly more complex.</p><p>Through-silicon vias (TSVs), which constitute the dense vertical interconnects in a</p><p>die stack, are a source of additional and unique defects not seen before in ICs. At the same</p><p>time, testing these TSVs, especially before die stacking, is recognized as a major challenge.</p><p>The testing of a 3D stack is constrained by limited test access, test pin availability,</p><p>power, and thermal constraints. Therefore, efficient and optimized test architectures are</p><p>needed to ensure that pre-bond, partial, and complete stack testing are not prohibitively</p><p>expensive.</p><p>Methods of testing TSVs prior to bonding continue to be a difficult problem due to test</p><p>access and testability issues. Although some built-in self-test (BIST) techniques have been</p><p>proposed, these techniques have numerous drawbacks that render them impractical. In this dissertation, a low-cost test architecture is introduced to enable pre-bond TSV test through</p><p>TSV probing. This has the benefit of not needing large analog test components on the die,</p><p>which is a significant drawback of many BIST architectures. Coupled with an optimization</p><p>method described in this dissertation to create parallel test groups for TSVs, test time for</p><p>pre-bond TSV tests can be significantly reduced. The pre-bond probing methodology is</p><p>expanded upon to allow for pre-bond scan test as well, to enable both pre-bond TSV and</p><p>structural test to bring pre-bond known-good-die (KGD) test under a single test paradigm.</p><p>The addition of boundary registers on functional TSV paths required for pre-bond</p><p>probing results in an increase in delay on inter-die functional paths. This cost of test</p><p>architecture insertion can be a significant drawback, especially considering that one benefit</p><p>of 3D integration is that critical paths can be partitioned between dies to reduce their delay.</p><p>This dissertation derives a retiming flow that is used to recover the additional delay added</p><p>to TSV paths by test cell insertion.</p><p>Reducing the cost of test for 3D-SICs is crucial considering that more tests are necessary</p><p>during 3D-SIC manufacturing. To reduce test cost, the test architecture and test</p><p>scheduling for the stack must be optimized to reduce test time across all necessary test</p><p>insertions. This dissertation examines three paradigms for 3D integration - hard dies, firm</p><p>dies, and soft dies, that give varying degrees of control over 2D test architectures on each</p><p>die while optimizing the 3D test architecture. Integer linear programming models are developed</p><p>to provide an optimal 3D test architecture and test schedule for the dies in the 3D</p><p>stack considering any or all post-bond test insertions. Results show that the ILP models</p><p>outperform other optimization methods across a range of 3D benchmark circuits.</p><p>In summary, this dissertation targets testing and design-for-test (DFT) of 3D SICs.</p><p>The proposed techniques enable pre-bond TSV and structural test while maintaining a</p><p>relatively low test cost. Future work will continue to enable testing of 3D SICs to move</p><p>industry closer to realizing the true potential of 3D integration.</p>Dissertatio