On the Evaluation of the PIPB Effect within SRAM-based FPGAs

SRAM-based FPGAs are widely used in mission critical applications. Due to the increasing working frequency and technology scaling of ultra-nanometer technology, Single Event Transients (SETs) are becoming a major source of errors for these devices. In this paper, we propose an approach for evaluating the Propagation-induced Pulse Broadening (PIPB) effect introduced by the logic resources traversed by transient pulses. The proposed methodology is applicable to any recent technology to provide SET analysis, necessary for an efficient mitigation technology. Experimental results achieved from a set of benchmarks are compared with fault injection experiments executed on a 28 nm SRAM-based FPGA to demonstrate the effectiveness of our technique

Digital design techniques for dependable High-Performance Computing

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Digital Design Techniques for Dependable High Performance Computing

As today’s process technologies continuously scale down, circuits become increasingly more vulnerable to radiation-induced soft errors in nanoscale VLSI technologies. The reduction of node capacitance and supply voltages coupled with increasingly denser chips are raising soft error rates and making them an important design issue. This research work is focused on the development of design techniques for high-reliability modern VLSI technologies, focusing mainly on Radiation-induced Single Event Transient. In this work, we evaluate the complete life-cycle of the SET pulse from the generation to the mitigation. A new simulation tool, Rad-Ray, has been developed to simulate and model the passage of heavy ion into the silicon matter of modern Integrated Circuit and predict the transient voltage pulse taking into account the physical description of the design. An analysis and mitigation tool has been developed to evaluate the propagation of the predicted SET pulses within the circuit and apply a selective mitigation technique to the sensitive nodes of the circuit. The analysis and mitigation tools have been applied to many industrial projects as well as the EUCLID space mission project, including more than ten modules. The obtained results demonstrated the effectiveness of the proposed tools

Toward Fault-Tolerant Applications on Reconfigurable Systems-on-Chip

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Fault Tolerant Electronic System Design

Due to technology scaling, which means reduced transistor size, higher density, lower voltage and more aggressive clock frequency, VLSI devices may become more sensitive against soft errors. Especially for those devices used in safety- and mission-critical applications, dependability and reliability are becoming increasingly important constraints during the development of system on/around them. Other phenomena (e.g., aging and wear-out effects) also have negative impacts on reliability of modern circuits. Recent researches show that even at sea level, radiation particles can still induce soft errors in electronic systems. On one hand, processor-based system are commonly used in a wide variety of applications, including safety-critical and high availability missions, e.g., in the automotive, biomedical and aerospace domains. In these fields, an error may produce catastrophic consequences. Thus, dependability is a primary target that must be achieved taking into account tight constraints in terms of cost, performance, power and time to market. With standards and regulations (e.g., ISO-26262, DO-254, IEC-61508) clearly specify the targets to be achieved and the methods to prove their achievement, techniques working at system level are particularly attracting. On the other hand, Field Programmable Gate Array (FPGA) devices are becoming more and more attractive, also in safety- and mission-critical applications due to the high performance, low power consumption and the flexibility for reconfiguration they provide. Two types of FPGAs are commonly used, based on their configuration memory cell technology, i.e., SRAM-based and Flash-based FPGA. For SRAM-based FPGAs, the SRAM cells of the configuration memory highly susceptible to radiation induced effects which can leads to system failure; and for Flash-based FPGAs, even though their non-volatile configuration memory cells are almost immune to Single Event Upsets induced by energetic particles, the floating gate switches and the logic cells in the configuration tiles can still suffer from Single Event Effects when hit by an highly charged particle. So analysis and mitigation techniques for Single Event Effects on FPGAs are becoming increasingly important in the design flow especially when reliability is one of the main requirements

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.

Soft-Error Resilience Framework For Reliable and Energy-Efficient CMOS Logic and Spintronic Memory Architectures

The revolution in chip manufacturing processes spanning five decades has proliferated high performance and energy-efficient nano-electronic devices across all aspects of daily life. In recent years, CMOS technology scaling has realized billions of transistors within large-scale VLSI chips to elevate performance. However, these advancements have also continually augmented the impact of Single-Event Transient (SET) and Single-Event Upset (SEU) occurrences which precipitate a range of Soft-Error (SE) dependability issues. Consequently, soft-error mitigation techniques have become essential to improve systems\u27 reliability. Herein, first, we proposed optimized soft-error resilience designs to improve robustness of sub-micron computing systems. The proposed approaches were developed to deliver energy-efficiency and tolerate double/multiple errors simultaneously while incurring acceptable speed performance degradation compared to the prior work. Secondly, the impact of Process Variation (PV) at the Near-Threshold Voltage (NTV) region on redundancy-based SE-mitigation approaches for High-Performance Computing (HPC) systems was investigated to highlight the approach that can realize favorable attributes, such as reduced critical datapath delay variation and low speed degradation. Finally, recently, spin-based devices have been widely used to design Non-Volatile (NV) elements such as NV latches and flip-flops, which can be leveraged in normally-off computing architectures for Internet-of-Things (IoT) and energy-harvesting-powered applications. Thus, in the last portion of this dissertation, we design and evaluate for soft-error resilience NV-latching circuits that can achieve intriguing features, such as low energy consumption, high computing performance, and superior soft errors tolerance, i.e., concurrently able to tolerate Multiple Node Upset (MNU), to potentially become a mainstream solution for the aerospace and avionic nanoelectronics. Together, these objectives cooperate to increase energy-efficiency and soft errors mitigation resiliency of larger-scale emerging NV latching circuits within iso-energy constraints. In summary, addressing these reliability concerns is paramount to successful deployment of future reliable and energy-efficient CMOS logic and spintronic memory architectures with deeply-scaled devices operating at low-voltages

Characterization of Interconnection Delays in FPGAS Due to Single Event Upsets and Mitigation

RÉSUMÉ L’utilisation incessante de composants électroniques à géométrie toujours plus faible a engendré de nouveaux défis au fil des ans. Par exemple, des semi-conducteurs à mémoire et à microprocesseur plus avancés sont utilisés dans les systèmes avioniques qui présentent une susceptibilité importante aux phénomènes de rayonnement cosmique. L'une des principales implications des rayons cosmiques, observée principalement dans les satellites en orbite, est l'effet d'événements singuliers (SEE). Le rayonnement atmosphérique suscite plusieurs préoccupations concernant la sécurité et la fiabilité de l'équipement avionique, en particulier pour les systèmes qui impliquent des réseaux de portes programmables (FPGA). Les FPGA à base de cellules de mémoire statique (SRAM) présentent une solution attrayante pour mettre en oeuvre des systèmes complexes dans le domaine de l’avionique. Les expériences de rayonnement réalisées sur les FPGA ont dévoilé la vulnérabilité de ces dispositifs contre un type particulier de SEE, à savoir, les événements singuliers de changement d’état (SEU). Un SEU est considérée comme le changement de l'état d'un élément bistable (c'est-à-dire, un bit-flip) dû à l'effet d'un ion, d'un proton ou d’un neutron énergétique. Cet effet est non destructif et peut être corrigé en réécrivant la partie de la SRAM affectée. Les changements de délai (DC) potentiels dus aux SEU affectant la mémoire de configuration de routage ont été récemment confirmés. Un des objectifs de cette thèse consiste à caractériser plus précisément les DC dans les FPGA causés par les SEU. Les DC observés expérimentalement sont présentés et la modélisation au niveau circuit de ces DC est proposée. Les circuits impliqués dans la propagation du délai sont validés en effectuant une modélisation précise des blocs internes à l'intérieur du FPGA et en exécutant des simulations. Les résultats montrent l’origine des DC qui sont en accord avec les mesures expérimentales de délais. Les modèles proposés au niveau circuit sont, aux meilleures de notre connaissance, le premier travail qui confirme et explique les délais combinatoires dans les FPGA. La conception d'un circuit moniteur de délai pour la détection des DC a été faite dans la deuxième partie de cette thèse. Ce moniteur permet de détecter un changement de délai sur les sections critiques du circuit et de prévenir les pannes de synchronisation engendrées par les SEU sans utiliser la redondance modulaire triple (TMR).----------ABSTRACT The unrelenting demand for electronic components with ever diminishing feature size have emerged new challenges over the years. Among them, more advanced memory and microprocessor semiconductors are being used in avionic systems that exhibit a substantial susceptibility to cosmic radiation phenomena. One of the main implications of cosmic rays, which was primarily observed in orbiting satellites, is single-event effect (SEE). Atmospheric radiation causes several concerns regarding the safety and reliability of avionics equipment, particularly for systems that involve field programmable gate arrays (FPGA). SRAM-based FPGAs, as an attractive solution to implement systems in aeronautic sector, are very susceptible to SEEs in particular Single Event Upset (SEU). An SEU is considered as the change of the state of a bistable element (i.e., bit-flip) due to the effect of an energetic ion or proton. This effect is non-destructive and may be fixed by rewriting the affected part. Sensitivity evaluation of SRAM-based FPGAs to a physical impact such as potential delay changes (DC) has not been addressed thus far in the literature. DCs induced by SEU can affect the functionality of the logic circuits by disturbing the race condition on critical paths. The objective of this thesis is toward the characterization of DCs in SRAM-based FPGAs due to transient ionizing radiation. The DCs observed experimentally are presented and the circuit-level modeling of those DCs is proposed. Circuits involved in delay propagation are reverse-engineered by performing precise modeling of internal blocks inside the FPGA and executing simulations. The results show the root cause of DCs that are in good agreement with experimental delay measurements. The proposed circuit level models are, to the best of our knowledge, the first work on modeling of combinational delays in FPGAs.In addition, the design of a delay monitor circuit for DC detection is investigated in the second part of this thesis. This monitor allowed to show experimentally cumulative DCs on interconnects in FPGA. To this end, by avoiding the use of triple modular redundancy (TMR), a mitigation technique for DCs is proposed and the system downtime is minimized. A method is also proposed to decrease the clock frequency after DC detection without interrupting the process

Adaptive Intelligent Systems for Extreme Environments

As embedded processors become powerful, a growing number of embedded systems equipped with artificial intelligence (AI) algorithms have been used in radiation environments to perform routine tasks to reduce radiation risk for human workers. On the one hand, because of the low price, commercial-off-the-shelf devices and components are becoming increasingly popular to make such tasks more affordable. Meanwhile, it also presents new challenges to improve radiation tolerance, the capability to conduct multiple AI tasks and deliver the power efficiency of the embedded systems in harsh environments. There are three aspects of research work that have been completed in this thesis: 1) a fast simulation method for analysis of single event effect (SEE) in integrated circuits, 2) a self-refresh scheme to detect and correct bit-flips in random access memory (RAM), and 3) a hardware AI system with dynamic hardware accelerators and AI models for increasing flexibility and efficiency. The variances of the physical parameters in practical implementation, such as the nature of the particle, linear energy transfer and circuit characteristics, may have a large impact on the final simulation accuracy, which will significantly increase the complexity and cost in the workflow of the transistor level simulation for large-scale circuits. It makes it difficult to conduct SEE simulations for large-scale circuits. Therefore, in the first research work, a new SEE simulation scheme is proposed, to offer a fast and cost-efficient method to evaluate and compare the performance of large-scale circuits which subject to the effects of radiation particles. The advantages of transistor and hardware description language (HDL) simulations are combined here to produce accurate SEE digital error models for rapid error analysis in large-scale circuits. Under the proposed scheme, time-consuming back-end steps are skipped. The SEE analysis for large-scale circuits can be completed in just few hours. In high-radiation environments, bit-flips in RAMs can not only occur but may also be accumulated. However, the typical error mitigation methods can not handle high error rates with low hardware costs. In the second work, an adaptive scheme combined with correcting codes and refreshing techniques is proposed, to correct errors and mitigate error accumulation in extreme radiation environments. This scheme is proposed to continuously refresh the data in RAMs so that errors can not be accumulated. Furthermore, because the proposed design can share the same ports with the user module without changing the timing sequence, it thus can be easily applied to the system where the hardware modules are designed with fixed reading and writing latency. It is a challenge to implement intelligent systems with constrained hardware resources. In the third work, an adaptive hardware resource management system for multiple AI tasks in harsh environments was designed. Inspired by the “refreshing” concept in the second work, we utilise a key feature of FPGAs, partial reconfiguration, to improve the reliability and efficiency of the AI system. More importantly, this feature provides the capability to manage the hardware resources for deep learning acceleration. In the proposed design, the on-chip hardware resources are dynamically managed to improve the flexibility, performance and power efficiency of deep learning inference systems. The deep learning units provided by Xilinx are used to perform multiple AI tasks simultaneously, and the experiments show significant improvements in power efficiency for a wide range of scenarios with different workloads. To further improve the performance of the system, the concept of reconfiguration was further extended. As a result, an adaptive DL software framework was designed. This framework can provide a significant level of adaptability support for various deep learning algorithms on an FPGA-based edge computing platform. To meet the specific accuracy and latency requirements derived from the running applications and operating environments, the platform may dynamically update hardware and software (e.g., processing pipelines) to achieve better cost, power, and processing efficiency compared to the static system