Redundant Logic Insertion and Fault Tolerance Improvement in Combinational Circuits

This paper presents a novel method to identify and insert redundant logic into a combinational circuit to improve its fault tolerance without having to replicate the entire circuit as is the case with conventional redundancy techniques. In this context, it is discussed how to estimate the fault masking capability of a combinational circuit using the truth-cum-fault enumeration table, and then it is shown how to identify the logic that can introduced to add redundancy into the original circuit without affecting its native functionality and with the aim of improving its fault tolerance though this would involve some trade-off in the design metrics. However, care should be taken while introducing redundant logic since redundant logic insertion may give rise to new internal nodes and faults on those may impact the fault tolerance of the resulting circuit. The combinational circuit that is considered and its redundant counterparts are all implemented in semi-custom design style using a 32/28nm CMOS digital cell library and their respective design metrics and fault tolerances are compared

Design and Evaluation of Radiation-Hardened Standard Cell Flip-Flops

Use of a standard non-rad-hard digital cell library in the rad-hard design can be a cost-effective solution for space applications. In this paper we demonstrate how a standard non-rad-hard flip-flop, as one of the most vulnerable digital cells, can be converted into a rad-hard flip-flop without modifying its internal structure. We present five variants of a Triple Modular Redundancy (TMR) flip-flop: baseline TMR flip-flop, latch-based TMR flip-flop, True-Single Phase Clock (TSPC) TMR flip-flop, scannable TMR flip-flop and self-correcting TMR flip-flop. For all variants, the multi-bit upsets have been addressed by applying special placement constraints, while the Single Event Transient (SET) mitigation was achieved through the usage of customized SET filters and selection of optimal inverter sizes for the clock and reset trees. The proposed flip-flop variants feature differing performance, thus enabling to choose the optimal solution for every sensitive node in the circuit, according to the predefined design constraints. Several flip-flop designs have been validated on IHP’s 130nm BiCMOS process, by irradiation of custom-designed shift registers. It has been shown that the proposed TMR flip-flops are robust to soft errors with a threshold Linear Energy Transfer (LET) from ( 32.4 (MeV⋅cm2/mg) ) to ( 62.5 (MeV⋅cm2/mg) ), depending on the variant

Study of Radiation-Tolerant SRAM Design

Static Random Access Memories (SRAMs) are important storage components and widely used in digital systems. Meanwhile, with the continuous development and progress of aerospace technologies, SRAMs are increasingly used in electronic systems for spacecraft and satellites. Energetic particles in space environments can cause single event upsets normally referred as soft errors in the memories, which can lead to the failure of systems. Nowadays electronics at the ground level also experience this kind of upset mainly due to cosmic neutrons and alpha particles from packaging materials, and the failure rate can be 10 to 100 times higher than the errors from hardware failures. Therefore, it is important to study the single event effects in SRAMs and develop cost-effective techniques to mitigate these errors. The objectives of this thesis are to evaluate the current mitigation techniques of single event effects in SRAMs and develop a radiation-tolerant SRAM based on the developed techniques. Various radiation sources and the mechanism of their respective effects in Complementary Metal-Oxide Semiconductors(CMOS) devices are reviewed first in the thesis. The radiation effects in the SRAMs, specifically single event effects are studied, and various mitigation techniques are evaluated. Error-correcting codes (ECC) are studied in the thesis since they can detect and correct single bit errors in the cell array, and it is a effective method with low overhead in terms of area, speed, and power. Hamming codes are selected and implemented in the design of the SRAM, to protect the cells from single event upsets in the SRAM. The simulation results show they can prevent the single bit errors in the cell arrays with low area and speed overhead. Another important and vulnerable part of SRAMs in radiation environments is the sense amplifier. It may not generate the correct output during the reading operation if it is hit by an energetic particle. A novel fault-tolerant sense amplifier is introduced and validated with simulations. The results showed that the performance of the new design can be more than ten times better than that of the reference design. When combining the SRAM cell arrays protected with ECC and the radiation-tolerant hardened sense amplifiers, the SRAM can achieve high reliability with low speed and area overhead

On Fault Tolerance Methods for Networks-on-Chip

Technology scaling has proceeded into dimensions in which the reliability of manufactured devices is becoming endangered. The reliability decrease is a consequence of physical limitations, relative increase of variations, and decreasing noise margins, among others. A promising solution for bringing the reliability of circuits back to a desired level is the use of design methods which introduce tolerance against possible faults in an integrated circuit. This thesis studies and presents fault tolerance methods for network-onchip (NoC) which is a design paradigm targeted for very large systems-onchip. In a NoC resources, such as processors and memories, are connected to a communication network; comparable to the Internet. Fault tolerance in such a system can be achieved at many abstraction levels. The thesis studies the origin of faults in modern technologies and explains the classification to transient, intermittent and permanent faults. A survey of fault tolerance methods is presented to demonstrate the diversity of available methods. Networks-on-chip are approached by exploring their main design choices: the selection of a topology, routing protocol, and flow control method. Fault tolerance methods for NoCs are studied at different layers of the OSI reference model. The data link layer provides a reliable communication link over a physical channel. Error control coding is an efficient fault tolerance method especially against transient faults at this abstraction level. Error control coding methods suitable for on-chip communication are studied and their implementations presented. Error control coding loses its effectiveness in the presence of intermittent and permanent faults. Therefore, other solutions against them are presented. The introduction of spare wires and split transmissions are shown to provide good tolerance against intermittent and permanent errors and their combination to error control coding is illustrated. At the network layer positioned above the data link layer, fault tolerance can be achieved with the design of fault tolerant network topologies and routing algorithms. Both of these approaches are presented in the thesis together with realizations in the both categories. The thesis concludes that an optimal fault tolerance solution contains carefully co-designed elements from different abstraction levelsSiirretty Doriast

Entwurfsmethodologie für höchst zuverlässige digitale ASIC-Designs angewandt auf Network-Centric System Middleware Switch Prozessor

The sensitivity of application-specific integrated circuits (ASICs) to single event effects (SEE) can lead to failures of subsystems which are exposed to increased radiation levels in space and on the ground. The work described in this thesis presents a design methodology for a fully fault-tolerant ASIC that is immune to single event upset effects (SEU) in sequential logic, single event transient effects (SET) in combinatorial logic, and single event latchup effects (SEL). Redundant circuits combined with SEL power switches (SPS) are the basis for a design methodology which achieves this goal. Within the standard ASIC design flow enhancements were made in order to incorporate redundancy and SPS cells and, consequently, enable protection against SEU, SET, and SEL. In order to validate the resulting fault-tolerant circuits a fault-injection environment with carefully designed fault models was developed. The moments of fault occurrence and their durations are modeled according to the real effects in actual hardware. The proposed design methodology was applied to an innovative space craft area network (SCAN) central processor unit, known as middleware switch processor. The measurement results presented in this thesis prove the correct functionality of DMR and SPS circuits, as well as the high fault-tolerance of the implemented ASICs along with moderate overhead with respect to power consumption and occupied silicon area. Irradiation measurements demonstrated the correct design and successful implementation of the SPS cell.Die Empfindlichkeit von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) zu den einzelnen Ereigniseffekten (SEE), kann zu Ausfällen von Subsystemen führen, die erhöhten Strahlungspegeln im Raum und auf dem Boden ausgesetzt werden. Die Arbeit, die in dieser Thesis beschrieben wird, stellt eine Entwurfsmethodologie vor um fehlertolerante ASICs zu entwerfen, welche die immun gegen singuläre Störung Effekte (SEU) in sequentielle Logik ist, einzelne Ereignis vorübergehende Effekte (SET) in der kombinatorischen Logik und einzelnes Ereignis Latchup-Effekte (SEL). Modulare Redundanz und SEL-Schalter (SPS) sind die Basis für eine Design-Methodik, die volle fehlertolerante ASIC liefert. Der Standard ASIC-Designflow ist erweitert worden, um Redundanz mit SPS-Schalter zu enthalten und Schutz gegen SEU, SET und SEL zu ermöglichen. Um die fehlertoleranten Stromkreise zu validieren ist eine Fault-Injektion Umgebung mit Fault Modellen entwickelt worden. Die Momente des Auftretens und der Dauer der injizierten Fehler werden entsprechend den realen Effekten in die Hardware modelliert. Die Methodologie des vorgeschlagenen Entwurfs ist an einem innovativen Space Craft Area Network (SCAN) Schaltkreis angewendet worden, bekannt als Middleware Switch Prozessor. Die Messergebnisse, die in dieser These dargestellt werden, haben die korrekte Funktionalität von Redundanz- und SPS-Stromkreisen sowie die hohe Fehler-Toleranz der resultierende ASICs zusammen mit mäßigen Unkosten in Bezug auf Leistungsaufnahme und besetzten Silikonfläche nachgewiesen. Die Strahlungsmessungen haben das korrekte Design und die erfolgreiche Umsetzung der SPS-Zelle bewiesen

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

A study of multiplex data bus techniques for the space shuttle

A comprehensive technology base for the design of a multiplexed data bus subsystem is provided. Extensive analyses, both analytical and empirical, were performed. Subjects covered are classified under the following headings: requirements identification and analysis; transmission media studies; signal design and detection studies; synchronization, timing, and control studies; user-subsystem interface studies; operational reliability analyses; design of candidate data bus configurations; and evaluation of candidate data bus designs

Variability-aware architectures based on hardware redundancy for nanoscale reliable computation

During the last decades, human beings have experienced a significant enhancement in the quality of life thanks in large part to the fast evolution of Integrated Circuits (IC). This unprecedented technological race, along with its significant economic impact, has been grounded on the production of complex processing systems from highly reliable compounding devices. However, the fundamental assumption of nearly ideal devices, which has been true within the past CMOS technology generations, today seems to be coming to an end. In fact, as MOSFET technology scales into nanoscale regime it approaches to fundamental physical limits and starts experiencing higher levels of variability, performance degradation, and higher rates of manufacturing defects. On the other hand, ICs with increasing number of transistors require a decrease in the failure rate per device in order to maintain the overall chip reliability. As a result, it is becoming increasingly important today the development of circuit architectures capable of providing reliable computation while tolerating high levels of variability and defect rates. The main objective of this thesis is to analyze and propose new fault-tolerant architectures based on redundancy for future technologies. Our research is founded on the principles of redundancy established by von Neumann in the 1950s and extends them to three new dimensions: 1. Heterogeneity: Most of the works on fault-tolerant architectures based on redundancy assume homogeneous variability in the replicas like von Neumann's original work. Instead, we explore the possibilities of redundancy when heterogeneity between replicas is taken into account. In this sense, we propose compensating mechanisms that select the weighting of the redundant information to maximize the overall reliability. 2. Asynchrony: Each of the replicas of a redundant system may have associated different processing delays due to variability and degradation; especially in future nanotechnologies. If we design our system to work locally in asynchronous mode then we may consider different voting policies to deal with the redundant information. Depending on how many replicas we collect before taking a decision we can obtain different trade-off between processing delay and reliability. We propose a mechanism for providing these facilities and analyze and simulate its operation. 3. Hierarchy: Finally, we explore the possibilities of redundancy applied at different hierarchy layers of complex processing systems. We propose to distribute redundancy across the various hierarchy layers and analyze the benefits that can be obtained. Drawing on the scenario of future ICs technologies, we push the concept of redundancy to its fullest expression through the study of realistic nano-device architectures. Most of the redundant architectures considered so far do not face properly the era of Terascale Computing and the nanotechnology trends. Since von Neumann applied for the first time redundancy at electronic circuits, never until now effects as common in nanoelectronics as degradation and interconnection failures have been treated directly from the standpoint of redundancy. In this thesis we address in a comprehensive manner the reliability of digital processing systems in the upcoming technology generations