A novel co-design approach for soft errors mitigation in embedded systems

Comunicación presentada en the 11th European Conference on Radiation and its Effects on Components and Systems RADECS 2010, Längenfeld, Austria, September 20-24, 2010.A novel proposal to design radiation-tolerant embedded systems combining hardware and software mitigation techniques is presented. Two suites of tools are developed to automatically apply the techniques and to facilitate the trade-offs analyses.This work makes part of RENASER project (ESP2007-65914-C03-03) funded by the 2007 Spain Research National Plan of the Ministry of Science and Education in which context this work has been possible. The work presented here has been carried out thanks to the support of the research project ’Aceleración de algoritmos industriales y de seguridad en entornos críticos mediante hardware’ (GV/2009/098) (Generalitat Valenciana, Spain)

High-Level Analysis of the Impact of Soft-Faults in Cyberphysical Systems

As digital systems grow in complexity and are used in a broader variety of safety-critical applications, there is an ever-increasing demand for assessing the dependability and safety of such systems, especially when subjected to hazardous environments. As a result, it is important to identify and correct any functional abnormalities and component faults as early as possible in order to minimize performance degradation and to avoid potential perilous situations. Existing techniques often lack the capacity to perform a comprehensive and exhaustive analysis on complex redundant architectures, leading to less than optimal risk evaluation. Hence, an early analysis of dependability of such safety-critical applications enables designers to develop systems that meets high dependability requirements. Existing techniques in the field often lack the capacity to perform full system analyses due to state-explosion limitations (such as transistor and gate-level analyses), or due to the time and monetary costs attached to them (such as simulation, emulation, and physical testing). In this work we develop a system-level methodology to model and analyze the effects of Single Event Upsets (SEUs) in cyberphysical system designs. The proposed methodology investigates the impacts of SEUs in the entire system model (fault tree level), including SEU propagation paths, logical masking of errors, vulnerability to specific events, and critical nodes. The methodology also provides insights on a system's weaknesses, such as the impact of each component to the system's vulnerability, as well as hidden sources of failure, such as latent faults. Moreover, the proposed methodology is able to identify and categorize the system's components in order of criticality, and to evaluate different approaches to the mitigation of such criticality (in the form of different configurations of TMR) in order to obtain the most efficient mitigation solution available. The proposed methodology is also able to model and analyze system components individually (system component level), in order to more accurately estimate the component's vulnerability to SEUs. In this case, a more refined analysis of the component is conducted, which enables us to identify the source of the component's criticality. Thereafter, a second mitigation mechanic (internal to the component) takes place, in order to evaluate the gains and costs of applying different configurations of TMR to the component internally. Finally, our approach will draw a comparison between the results obtained at both levels of analysis in order to evaluate the most efficient way of improving the targeted system design

Contributions to the detection and diagnosis of soft errors in radiation environments

Texto completo descargado desde Teseo1. Introducción Los efectos de la radiación ionizante sobre dispositivos semiconductores es objeto de estudio desde la invención del transistor bipolar en 1947. El espacio es un entorno de alta radiación, como pusieron de manifiesto los primeros satélites puestos en órbita, y fue durante la carrera espacial de los años 50 cuando se impulsó el estudio de errores generados en componentes electrónicos críticos a bordo de las primeras misiones espaciales. La necesidad de robustecer la electrónica frente a la radiación ha estado siempre presente en el sector aeroespacial, además, el progresivo escalado de las tecnologías microelectrónicas, hace que el problema sea cada vez más acuciante, afectando incluso a dispositivos que operan a nivel del mar. El advenimiento de tecnologías nanométricas augura que serán necesarias nuevas y más eficaces técnicas de robustecimiento que garanticen la fiabilidad de equipos electrónicos críticos en sectores tan importantes como la aviación, automoción o energía nuclear. Existen dos métodos de robustecimiento para los dispositivos electrónicos, por proceso y por diseño. En el primer caso, el circuito integrado es fabricado en una tecnología que presenta baja sensibilidad a los efectos de la radiación, como la ampliamente utilizada SOI (Silicon On Insulator). En el segundo caso, el circuito presenta topologías en su diseño que mitigan en mayor o menor grado el daño por radiación. La efectividad de cualquier medida de protección debe ser validada en el correspondiente ensayo de radiación de acuerdo a los estándares vigentes (ESA, NASA, JEDEC, AEC,...). Existen varios tipos de daño por radiación, asociados a dosis acumulada (TID) y a eventos únicos (SEE), fundamentalmente. Estos últimos están asociados al paso de una única partícula energética a través del dispositivo, que genera una estela de carga y puede dar lugar a respuestas eléctricas no deseadas, como conmutación 2 2 Antecedentes de biestables, enclavamiento de un bit o excursiones de voltaje transitorias. A su vez, dentro de los errores asociados a eventos únicos se puede distinguir entre daños físicos, que pueden destruir el dispositivo de manera irreversible, y errores lógicos o soft errors que conllevan la corrupción del estado de un circuito digital, por ejemplo por la conmutación del valor lógico de un biestable. Los tests en aceleradores de partículas o con fuentes radiactivas, se consideran los ensayos más representativos para conocer la inmunidad de un componente frente al daño de tipo SEE. Sin embargo, la complejidad de estos ensayos dificulta la observabilidad experimental y la interpretación de los resultados obtenidos. En particular los tests dinámicos, que implican que el chip esté operando durante la irradiacón, comportan una dificultad añadida a la hora de interpretar los errores observados en las salidas del circuito. El test dinámico de radiación es el más realista, ya que introduce la variable temporal en el experimento y da lugar a efectos reales que no son reproducibles en condiciones estáticas, como el evento único transitorio (SET). El trabajo a realizar durante esta tesis pretende aportar una metodología de test que mejore la observabilidad de errores lógicos en un test dinámico de radiación de circuitos digitales mediante detección y diagnóstico en tiempo real. 2. Antecedentes La experiencia investigadora del grupo al que pertenece el autor de esta tesis en el campo de los efectos de la radiación sobre dispositivos electrónicos, ha puesto de manifiesto la necesidad de establecer una metodología que permita el diagnóstico de los errores observados en un componente electrónico sometido a radiación ionizante. Generalmente, no es posible correlacionar con certeza el efecto (anomalía detectada en los puertos de salida) con la causa del mismo. La complejidad inherente a la instrumentación de un ensayo de radiación en un acelerador 3 3 Hipótesis y Objetivos de partículas, así como la propia comlejidad del circuito bajo estudio, requieren algún criterio de clasificación de los errores observados que pueden ser de muy diversa naturaleza. Algunos autores han aportado técnicas que combinan inyección de fallos dinámica con test en acelerador estáticos para estimar la probabilidad de fallo real del circuito, salvando la complejidad del test de radiación dinámico. La protección selectiva, consistente en adoptar topologías de diseño robustas en ¿puntos calientes¿ o críticos del circuito, requiere técnicas de ensayo que permita el diagnóstico y localización del daño por radiación. El uso de microsondas nucleares permite la focalización de un haz de iones en una región relativamente pequeña, facilitando el diagnóstico. La disponibilidad de uso de la microsonda nuclear en el Centro Nacional de Aceleradores puede contribuir al desarrollo de la técnica de detección y diagnóstico que es objeto de esta tesis. La curva de sección eficaz de fallo SEE es la forma más extendida de representación de resultados de experimentación. Estas curvas representan una colección de datos experimentales que deben ser minuciosamente clasificados. Lo mismo ocurre en los tests destinados a evaluar la tasa de errores lógicos en tiempo real (RTSER). En este sentido, la norma JEDEC JESD89-1A recomienda que se sigan ¿criterios de fallo¿ para la correcta identificación de los errores detectados a la salida de un circuito en tests de radiación. 3. Hipótesis y Objetivos El grupo de investigación al que pertenece el doctorando, posee una contrastada experiencia en el uso de emuladores hardware para la evaluación temprana de la robustez de diseños digitales ante errores lógicos. Estos emuladores inyectan fallos en la netlist de un diseño digital y estudian la evolución del estado del circuito durante la ejecución de un conjunto de estímulos. La principal ventaja de estas herramientas frente a la simulación, radica en la aceleración hardware de los 4 3 Hipótesis y Objetivos tests que permite la finalización de campañas de inyección masivas en un tiempo relativamente corto. Las campañas masivas o sistemáticas de inyección de fallos permiten comprobar de forma exhaustiva la respuesta de un diseño digital a un entorno de alta radiación. Estas campañas arrojan una ingente cantidad de información acerca de las vulnerabilidades del diseño que debe ser procesada generalmente de forma estadística. La correlación entre el instante y lugar de inyección del fallo emulado y la respuesta del mismo, sería una información que permitiría establecer la causa de un error (comportamiento anómalo) observado durante un test de radiación, donde generalmente sólo están accesibles las salidas del dispositivo. Los resultados de una campaña de inyección dependen, además del diseño bajo test, del conjunto de estímulos aplicado (workload). A partir de los resultados de la campaña de inyección masiva, se puede realizar un estudio estadístico que determine la calidad de los vectores de test desde el punto de vista del diagnóstico. Es de esperar que diferentes fallos inyectados compartan la misma firma, de manera que en caso de obtener dicha firma en un test de radiación, sea imposible determinar exactamente el punto de inyección del fallo. A la hora de preparar un test de radiación, es recomendable emplear vectores de test que garanticen que la certidumbre del diagnóstico sea máxima, lo cual es un aporte adicional de la tesis. Esta tesis pretende establecer un procedimiento que permita obtener ¿diccionarios de fallos¿ en los que se establece una correlación entre el punto de inyección y la respuesta del circuito codificada en una firma de pocos bytes. Durante un test de radiación se pueden obtener en tiempo real las firmas generadas por el circuito, que servirán para diagnosticar en cada caso el origen del daño empleando los diccionarios de fallos previamente generados en un emulador hardware. En el supuesto de que la firma generada durante la irradiación no estuviera contenida en un diccionario exhaustivo, se puede decir que el error no ha sido originado por el 5 4 Metodología y Trabajo Realizado modelo de fallo empleado en la generación del diccionario, debiéndose por tanto a un tipo de daño no contemplado (por ejemplo daño físico). La culminación de la tesis es el test de radiación en un acelerador de partículas. La Universidad de Sevilla cuenta con las instalaciones del Centro Nacional de Aceleradores, que puede ser un banco de pruebas idóneo para comprobar la validez de la metodología y comprobar las ventajas e inconvenientes de la misma. 4. Metodología y Trabajo Realizado El plan de trabajo incluyó los siguientes hitos en el orden expuesto: Estudio de la base de conocimiento genérica relacionada con los efectos de la radiación en circuitos electrónicos Análisis del Estado del Arte en técnicas de inyección de fallos en circuitos digitales. Recopilación de normas y estándares relacionados con los test radiación de componentes electrónicos. Estudio simulado de bajo nivel de los efectos de la radiación en tecnologías submicrométricas. Selección de un módulo adecuado para creación de firmas a partir de las salidas de un circuito digital. Adecuación del emulador hardware FT-UNSHADES para la generación de firmas durante las campañas de inyección. Selección de un vehículo de test para el experimento en la microsonda nuclear del CNA. 6 4 Metodología y Trabajo Realizado Realización de campañas de inyección masivas para la generación de diccionarios de fallos sobre diseños digitales y análisis de resultados. Preparación del setup experimental para el acelerador de partículas. Experimento en la microsonda nuclear del CNA y análisis de resultados. El estudio bibliográfico de la base de conocimiento en el campo de los efectos de la radiación sobre circuitos electrónicos ha sido fundamental para poder establecer el ámbito de aplicación de la tesis. El papel de la emulación hardware para inyección de fallos en esta investigación fue crítica y ha sido necesario un estudio de las plataformas existentes para entender qué puede aportar cada herramienta. Para acabar con la documentación, es necesario además recopilar las normas y estándares relacionados con test de radiación de circuitos electrónicos. La simulación de bajo nivel de los efectos de la radiación sobre una determinada tecnología engloba herramientas como SPICE, SRIM y TCAD. Estas simulaciones permiten estimar cuales deben ser las características del haz de iones empleado en un futuro ensayo en el acelerador de partículas. Los resultados de estas simulaciones fueron discutidos con los técnicos del acelerador para estudiar la viabilidad de los parámetros deseados. Un elemento clave en la metodología fue el bloque que debe generar las firmas a partir de las salidas del circuito digital. Es deseable que se trate de un módulo sencillo y que pueda ser implementado en un dispositivo programable sin suponer un consumo excesivo de recursos. El emulador FT-UNSHADES fue adaptado par incorporar el módulo de firmas. Se dispuso de un circuito integrado que servió vehículo de test para un experimento en el CNA. Es necesaria además la descripción VHDL del mismo para su emulación en FT-UNSHADES. No es objeto de esta tesis el desarrollo de este componente, su diseño y fabricación está fuera del alcance de esta tesis. Se gener- 7 4 Metodología y Trabajo Realizado aron diccionarios de fallos del vehículo de tests y de otros diseños digitales y, a partir de estos diccionarios, se han confeccionado estudios estadísticos de diagnóstico. En una fase ulterior, se desarrolló el hardware necesario para el setup experimental. Todo el hardware se probó en el laboratorio, antes de acudir al CNA. El resultado de esta etapa es la configuración del equipamiento de test automático (ATE) que se encargó de introducir estímulos en el chip y monitorizarlo durante el experimento en el acelerador de partículas. Finalmente, se llevó a cabo un experimento en el Centro Nacional de Aceleradores sobre el vehículo de test elegido para completar una prueba de concepto de la metodología propuesta.

The NASA SBIR product catalog

The purpose of this catalog is to assist small business firms in making the community aware of products emerging from their efforts in the Small Business Innovation Research (SBIR) program. It contains descriptions of some products that have advanced into Phase 3 and others that are identified as prospective products. Both lists of products in this catalog are based on information supplied by NASA SBIR contractors in responding to an invitation to be represented in this document. Generally, all products suggested by the small firms were included in order to meet the goals of information exchange for SBIR results. Of the 444 SBIR contractors NASA queried, 137 provided information on 219 products. The catalog presents the product information in the technology areas listed in the table of contents. Within each area, the products are listed in alphabetical order by product name and are given identifying numbers. Also included is an alphabetical listing of the companies that have products described. This listing cross-references the product list and provides information on the business activity of each firm. In addition, there are three indexes: one a list of firms by states, one that lists the products according to NASA Centers that managed the SBIR projects, and one that lists the products by the relevant Technical Topics utilized in NASA's annual program solicitation under which each SBIR project was selected

Industrial Applications: New Solutions for the New Era

This book reprints articles from the Special Issue "Industrial Applications: New Solutions for the New Age" published online in the open-access journal Machines (ISSN 2075-1702). This book consists of twelve published articles. This special edition belongs to the "Mechatronic and Intelligent Machines" section

NASA SBIR abstracts of 1991 phase 1 projects

The objectives of 301 projects placed under contract by the Small Business Innovation Research (SBIR) program of the National Aeronautics and Space Administration (NASA) are described. These projects were selected competitively from among proposals submitted to NASA in response to the 1991 SBIR Program Solicitation. The basic document consists of edited, non-proprietary abstracts of the winning proposals submitted by small businesses. The abstracts are presented under the 15 technical topics within which Phase 1 proposals were solicited. Each project was assigned a sequential identifying number from 001 to 301, in order of its appearance in the body of the report. Appendixes to provide additional information about the SBIR program and permit cross-reference of the 1991 Phase 1 projects by company name, location by state, principal investigator, NASA Field Center responsible for management of each project, and NASA contract number are included

Technology 2002: the Third National Technology Transfer Conference and Exposition, Volume 1

The proceedings from the conference are presented. The topics covered include the following: computer technology, advanced manufacturing, materials science, biotechnology, and electronics

The Federal Conference on Intelligent Processing Equipment

Research and development projects involving intelligent processing equipment within the following U.S. agencies are addressed: Department of Agriculture, Department of Commerce, Department of Energy, Department of Defense, Environmental Protection Agency, Federal Emergency Management Agency, NASA, National Institutes of Health, and the National Science Foundation