Tracing Fault Effects in FPGA Systems

The paper presents the extent of fault effects in FPGA based systems and concentrates on transient faults (induced by single event upsets – SEUs) within the configuration memory of FPGA. An original method of detailed analysis of fault effect propagation is presented. It is targeted at microprocessor based FPGA systems using the developed fault injection technique. The fault injection is performed at HDL description level of the microprocessor using special simulators and developed supplementary programs. The proposed methodology is illustrated for soft PicoBlaze microprocessor running 3 programs. The presented results reveal some problems with fault handling at the software level.

Analysis and Test of the Effects of Single Event Upsets Affecting the Configuration Memory of SRAM-based FPGAs

SRAM-based FPGAs are increasingly relevant in a growing number of safety-critical application fields, ranging from automotive to aerospace. These application fields are characterized by a harsh radiation environment that can cause the occurrence of Single Event Upsets (SEUs) in digital devices. These faults have particularly adverse effects on SRAM-based FPGA systems because not only can they temporarily affect the behaviour of the system by changing the contents of flip-flops or memories, but they can also permanently change the functionality implemented by the system itself, by changing the content of the configuration memory. Designing safety-critical applications requires accurate methodologies to evaluate the system’s sensitivity to SEUs as early as possible during the design process. Moreover it is necessary to detect the occurrence of SEUs during the system life-time. To this purpose test patterns should be generated during the design process, and then applied to the inputs of the system during its operation. In this thesis we propose a set of software tools that could be used by designers of SRAM-based FPGA safety-critical applications to assess the sensitivity to SEUs of the system and to generate test patterns for in-service testing. The main feature of these tools is that they implement a model of SEUs affecting the configuration bits controlling the logic and routing resources of an FPGA device that has been demonstrated to be much more accurate than the classical stuck-at and open/short models, that are commonly used in the analysis of faults in digital devices. By keeping this accurate fault model into account, the proposed tools are more accurate than similar academic and commercial tools today available for the analysis of faults in digital circuits, that do not take into account the features of the FPGA technology.. In particular three tools have been designed and developed: (i) ASSESS: Accurate Simulator of SEuS affecting the configuration memory of SRAM-based FPGAs, a simulator of SEUs affecting the configuration memory of an SRAM-based FPGA system for the early assessment of the sensitivity to SEUs; (ii) UA2TPG: Untestability Analyzer and Automatic Test Pattern Generator for SEUs Affecting the Configuration Memory of SRAM-based FPGAs, a static analysis tool for the identification of the untestable SEUs and for the automatic generation of test patterns for in-service testing of the 100% of the testable SEUs; and (iii) GABES: Genetic Algorithm Based Environment for SEU Testing in SRAM-FPGAs, a Genetic Algorithm-based Environment for the generation of an optimized set of test patterns for in-service testing of SEUs. The proposed tools have been applied to some circuits from the ITC’99 benchmark. The results obtained from these experiments have been compared with results obtained by similar experiments in which we considered the stuck-at fault model, instead of the more accurate model for SEUs. From the comparison of these experiments we have been able to verify that the proposed software tools are actually more accurate than similar tools today available. In particular the comparison between results obtained using ASSESS with those obtained by fault injection has shown that the proposed fault simulator has an average error of 0:1% and a maximum error of 0:5%, while using a stuck-at fault simulator the average error with respect of the fault injection experiment has been 15:1% with a maximum error of 56:2%. Similarly the comparison between the results obtained using UA2TPG for the accurate SEU model, with the results obtained for stuck-at faults has shown an average difference of untestability of 7:9% with a maximum of 37:4%. Finally the comparison between fault coverages obtained by test patterns generated for the accurate model of SEUs and the fault coverages obtained by test pattern designed for stuck-at faults, shows that the former detect the 100% of the testable faults, while the latter reach an average fault coverage of 78:9%, with a minimum of 54% and a maximum of 93:16%

Effective Characterization of Radiation-induced SET on Flash-based FPGAs

Single Event Transients (SETs) are one of the major concern for Flash-based Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). In this paper, we propose a new analysis to characterize the SET phenomena within Flash-based FPGAs

An Experimental Study of Reduced-Voltage Operation in Modern FPGAs for Neural Network Acceleration

We empirically evaluate an undervolting technique, i.e., underscaling the circuit supply voltage below the nominal level, to improve the power-efficiency of Convolutional Neural Network (CNN) accelerators mapped to Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Undervolting below a safe voltage level can lead to timing faults due to excessive circuit latency increase. We evaluate the reliability-power trade-off for such accelerators. Specifically, we experimentally study the reduced-voltage operation of multiple components of real FPGAs, characterize the corresponding reliability behavior of CNN accelerators, propose techniques to minimize the drawbacks of reduced-voltage operation, and combine undervolting with architectural CNN optimization techniques, i.e., quantization and pruning. We investigate the effect of environmental temperature on the reliability-power trade-off of such accelerators. We perform experiments on three identical samples of modern Xilinx ZCU102 FPGA platforms with five state-of-the-art image classification CNN benchmarks. This approach allows us to study the effects of our undervolting technique for both software and hardware variability. We achieve more than 3X power-efficiency (GOPs/W) gain via undervolting. 2.6X of this gain is the result of eliminating the voltage guardband region, i.e., the safe voltage region below the nominal level that is set by FPGA vendor to ensure correct functionality in worst-case environmental and circuit conditions. 43% of the power-efficiency gain is due to further undervolting below the guardband, which comes at the cost of accuracy loss in the CNN accelerator. We evaluate an effective frequency underscaling technique that prevents this accuracy loss, and find that it reduces the power-efficiency gain from 43% to 25%.Comment: To appear at the DSN 2020 conferenc

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.