Analyse und Erweiterung eines fehler-toleranten NoC für SRAM-basierte FPGAs in Weltraumapplikationen

Data Processing Units for scientific space mission need to process ever higher volumes of data and perform ever complex calculations. But the performance of available space-qualified general purpose processors is just in the lower three digit megahertz range, which is already insufficient for some applications. As an alternative, suitable processing steps can be implemented in hardware on a space-qualified SRAM-based FPGA. However, suitable devices are susceptible against space radiation. At the Institute for Communication and Network Engineering a fault-tolerant, network-based communication architecture was developed, which enables the construction of processing chains on the basis of different processing modules within suitable SRAM-based FPGAs and allows the exchange of single processing modules during runtime, too. The communication architecture and its protocol shall isolate non SEU mitigated or just partial SEU mitigated modules affected by radiation-induced faults to prohibit the propagation of errors within the remaining System-on-Chip. In the context of an ESA study, this communication architecture was extended with further components and implemented in a representative hardware platform. Based on the acquired experiences during the study, this work analyses the actual fault-tolerance characteristics as well as weak points of this initial implementation. At appropriate locations, the communication architecture was extended with mechanisms for fault-detection and fault-differentiation as well as with a hardware-based monitoring solution. Both, the former measures and the extension of the employed hardware-platform with selective fault-injection capabilities for the emulation of radiation-induced faults within critical areas of a non SEU mitigated processing module, are used to evaluate the effects of radiation-induced faults within the communication architecture. By means of the gathered results, further measures to increase fast detection and isolation of faulty nodes are developed, selectively implemented and verified. In particular, the ability of the communication architecture to isolate network nodes without SEU mitigation could be significantly improved.Instrumentenrechner für wissenschaftliche Weltraummissionen müssen ein immer höheres Datenvolumen verarbeiten und immer komplexere Berechnungen ausführen. Die Performanz von verfügbaren qualifizierten Universalprozessoren liegt aber lediglich im unteren dreistelligen Megahertz-Bereich, was für einige Anwendungen bereits nicht mehr ausreicht. Als Alternative bietet sich die Implementierung von entsprechend geeigneten Datenverarbeitungsschritten in Hardware auf einem qualifizierten SRAM-basierten FPGA an. Geeignete Bausteine sind jedoch empfindlich gegenüber der Strahlungsumgebung im Weltraum. Am Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze wurde eine fehlertolerante netzwerk-basierte Kommunikationsarchitektur entwickelt, die innerhalb eines geeigneten SRAM-basierten FPGAs Datenverarbeitungsmodule miteinander nach Bedarf zu Verarbeitungsketten verbindet, sowie den Austausch von einzelnen Modulen im Betrieb ermöglicht. Nicht oder nur partiell SEU mitigierte Module sollen bei strahlungsbedingten Fehlern im Modul durch das Protokoll und die Fehlererkennungsmechanismen der Kommunikationsarchitektur isoliert werden, um ein Ausbreiten des Fehlers im restlichen System-on-Chip zu verhindern. Im Kontext einer ESA Studie wurde diese Kommunikationsarchitektur um Komponenten erweitert und auf einer repräsentativen Hardwareplattform umgesetzt. Basierend auf den gesammelten Erfahrungen aus der Studie, wird in dieser Arbeit eine Analyse der tatsächlichen Fehlertoleranz-Eigenschaften sowie der Schwachstellen dieser ursprünglichen Implementierung durchgeführt. Die Kommunikationsarchitektur wurde an geeigneten Stellen um Fehlerdetektierungs- und Fehlerunterscheidungsmöglichkeiten erweitert, sowie um eine hardwarebasierte Überwachung ergänzt. Sowohl diese Maßnahmen, als auch die Erweiterung der Hardwareplattform um gezielte Fehlerinjektions-Möglichkeiten zum Emulieren von strahlungsinduzierten Fehlern in kritischen Komponenten eines nicht SEU mitigierten Prozessierungsmoduls werden genutzt, um die tatsächlichen auftretenden Effekte in der Kommunikationsarchitektur zu evaluieren. Anhand der Ergebnisse werden weitere Verbesserungsmaßnahmen speziell zur schnellen Detektierung und Isolation von fehlerhaften Knoten erarbeitet, selektiv implementiert und verifiziert. Insbesondere die Fähigkeit, fehlerhafte, nicht SEU mitigierte Netzwerkknoten innerhalb der Kommunikationsarchitektur zu isolieren, konnte dabei deutlich verbessert werden

A Study of the Robustness Against SEUs of Digital Circuits Implemented with FPGA DSPs

In this paper we present an experimental validation of the reliability increase of digital circuits implemented in XilinxTMFPGAs when they are implemented using the DSPs (Digital Signal Processors) that are available in the reconfigurable device. For this purpose, we have used a fault-injection platform developed by our research group, NESSY [1]. The presented experiments demonstrate that the probability of occurrence of a SEU effect is similar both in the circuits implemented with and without using embedded DSPs. However, the former are more efficient in terms of area usage, which leads to a decrease in the probability of a SEU occurrence

Lightweight protection of cryptographic hardware accelerators against differential fault analysis

© 2020 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Hardware acceleration circuits for cryptographic algorithms are largely deployed in a wide range of products. The HW implementations of such algorithms often suffer from a number of vulnerabilities that expose systems to several attacks, e.g., differential fault analysis (DFA). The challenge for designers is to protect cryptographic accelerators in a cost-effective and power-efficient way. In this paper, we propose a lightweight technique for protecting hardware accelerators implementing AES and SHA-2 (which are two widely used NIST standards) against DFA. The proposed technique exploits partial redundancy to first detect the occurrence of a fault and then to react to the attack by obfuscating the output values. An experimental campaign demonstrated that the overhead introduced is 8.32% for AES and 3.88% for SHA-2 in terms of area, 0.81% for AES and 12.31% for SHA-2 in terms of power with no working frequency reduction. Moreover, a comparative analysis showed that our proposal outperforms the most recent related countermeasures.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

New Design Techniques for Dynamic Reconfigurable Architectures

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Contributions to the fault tolerance of soft-core processors implemented in SRAM-based FPGA Systems.

239 p.Gracias al desarrollo de las tecnologías de diseño y fabricación, los circuitos electrónicos han llegado a grandes niveles de integración. De esta forma, hoy en día es posible implementar completos y complejos sistemas dentro de un único dispositivo incorporando gran variedad de elementos como: procesadores, osciladores, lazos de seguimiento de fase (PLLs), interfaces, conversores ADC y DAC, módulos de memoria, etc. A este concepto de diseño se le denomina comúnmente SoC (System-on-Chip). Una de las plataformas para implementar estos sistemas que más importancia está cobrando son las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Históricamente la plataforma más utilizada para albergar los SoCs han sido las ASICs (Application- Specific Integrated Circuits), debido a su bajo consumo energético y su gran rendimiento. No obstante, su costoso proceso de desarrollo y fabricación hace que solo sean rentables en el caso de producciones masivas. Las FPGAs, por el contrario, al ser dispositivos configurables ofrecen, la posibilidad de implementar diseños personalizados a un coste mucho más reducido. Por otro lado, los continuos avances en la tecnología de las FPGAs están haciendo que éstas compitan con las ASICs a nivel de prestaciones (consumo, nivel de integración y eficiencia). Ciertas tecnologías de FPGA, como las SRAM y Flash, poseen una característica que las hace especialmente interesantes en multitud de diseños: la capacidad de reconfiguración. Dicha característica, que incluso puede ser realizada de forma autónoma, permite cambiar completamente el diseño hardware implementado con solo cargar en la FPGA un archivo de configuración denominado bitstream. La reconfiguración puede incluso permitir modificar una parte del circuito configurado en la matriz de la FPGA, mientras el resto del circuito implementado continua inalterado. Esto que se conoce como reconfiguración parcial dinámica, posibilita que un mismo chip albergue en su interior numerosos diseños hardware que pueden ser cargados a demanda. Gracias a la capacidad de reconfiguración, las FPGAs ofrecen numerosas ventajas como: posibilidad de personalización de diseños, capacidad de readaptación durante el funcionamiento para responder a cambios o corregir errores, mitigación de obsolescencia, diferenciación, menores costes de diseño o reducido tiempo para el lanzamiento de productos al mercado. Los SoC basados en FPGAs allanan el camino hacia un nuevo concepto de integración de hardware y software, permitiendo que los diseñadores de sistemas electrónicos sean capaces de integrar procesadores embebidos en los diseños para beneficiarse de su gran capacidad de computación. Gracias a esto, una parte importante de la electrónica hace uso de la tecnología FPGA abarcando un gran abanico de campos, como por ejemplo: la electrónica de consumo y el entretenimiento, la medicina o industrias como la espacial, la aviónica, la automovilística o la militar. Las tecnologías de FPGA existentes ofrecen dos vías de utilización de procesado- res embebidos: procesadores hardcore y procesadores softcore. Los hardcore son procesadores discretos integrados en el mismo chip de la FPGA. Generalmente ofrecen altas frecuencias de trabajo y una mayor previsibilidad en términos de rendimiento y uso del área, pero su diseño hardware no puede alterarse para ser personalizado. Por otro lado, un procesador soft-core, es la descripción hardware en lenguaje HDL (normalmente VDHL o Verilog) de un procesador, sintetizable e implementable en una FPGA. Habitualmente, los procesadores softcore suelen basarse en diseños hardware ya existentes, siendo compatibles con sus juegos de instrucciones, muchos de ellos en forma de IP cores (Intellectual Property co- res). Los IP cores ofrecen procesadores softcore prediseñados y testeados, que dependiendo del caso pueden ser de pago, gratuitos u otro tipo de licencias. Debido a su naturaleza, los procesadores softcore, pueden ser personalizados para una adaptación óptima a diseños específicos. Así mismo, ofrecen la posibilidad de integrar en el diseño tantos procesadores como se desee (siempre que haya disponibles recursos lógicos suficientes). Otra ventaja importante es que, gracias a la reconfiguración parcial dinámica, es posible añadir el procesador al diseño únicamente en los casos necesarios, ahorrando de esta forma, recursos lógicos y consumo energético. Uno de los mayores problemas que surgen al usar dispositivos basados en las tecnologías SRAM o la flash, como es el caso de las FPGAs, es que son especialmente sensibles a los efectos producidos por partículas energéticas provenientes de la radiación cósmica (como protones, neutrones, partículas alfa u otros iones pesados) denominados efectos de eventos simples o SEEs (Single Event Effects). Estos efectos pueden ocasionar diferentes tipos de fallos en los sistemas: desde fallos despreciables hasta fallos realmente graves que comprometan la funcionalidad del sistema. El correcto funcionamiento de los sistemas cobra especial relevancia cuando se trata de tecnologías de elevado costo o aquellas en las que peligran vidas humanas, como, por ejemplo, en campos tales como el transporte ferroviario, la automoción, la aviónica o la industria aeroespacial. Dependiendo de distintos factores, los SEEs pueden causar fallos de operación transitorios, cambios de estados lógicos o daños permanentes en el dispositivo. Cuando se trata de un fallo físico permanente se denomina hard-error, mientras que cuando el fallo afecta el circuito momentáneamente se denomina soft-error. Los SEEs más frecuentes son los soft-errors y afectan tanto a aplicaciones comerciales a nivel terrestre, como a aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales (con mayor incidencia en estas últimas). La contribución exacta de este tipo de fallos a la tasa de errores depende del diseño específico de cada circuito, pero en general se asume que entorno al 90 % de la tasa de error se debe a fallos en elementos de memoria (latches, biestables o celdas de memoria). Los soft-errors pueden afectar tanto al circuito lógico como al bitstream cargado en la memoria de configuración de la FPGA. Debido a su gran tamaño, la memoria de configuración tiene más probabilidades de ser afectada por un SEE. La existencia de problemas generados por estos efectos reafirma la importancia del concepto de tolerancia a fallos. La tolerancia a fallos es una propiedad relativa a los sistemas digitales, por la cual se asegura cierta calidad en el funcionamiento ante la presencia de fallos, debiendo los sistemas poder soportar los efectos de dichos fallos y funcionar correctamente en todo momento. Por tanto, para lograr un diseño robusto, es necesario garantizar la funcionalidad de los circuitos y asegurar la seguridad y confiabilidad en las aplicaciones críticas que puedan verse comprometidos por los SEE. A la hora de hacer frente a los SEE existe la posibilidad de explotar tecnologías específicas centradas en la tolerancia a fallos, como por ejemplo las FPGAs de tipo fusible, o, por otro lado, utilizar la tecnología comercial combinada con técnicas de tolerancia a fallos. Esta última opción va cobrando importancia debido al menor precio y mayores prestaciones de las FPGAs comerciales. Generalmente las técnicas de endurecimiento se aplican durante la fase de diseño. Existe un gran número de técnicas y se pueden llegar a combinar entre sí. Las técnicas prevalentes se basan en emplear algún tipo de redundancia, ya sea hardware, software, temporal o de información. Cada tipo de técnica presenta diferentes ventajas e inconvenientes y se centra en atacar distintos tipos de SEE y sus efectos. Dentro de las técnicas de tipo redundancia, la más utilizada es la hardware, que se basa en replicar el modulo a endurecer. De esta forma, cada una de las réplicas es alimentada con la misma entrada y sus salidas son comparadas para detectar discrepancias. Esta redundancia puede implementarse a diferentes niveles. En términos generales, un mayor nivel de redundancia hardware implica una mayor robustez, pero también incrementa el uso de recursos. Este incremento en el uso de recursos de una FPGA supone tener menos recursos disponibles para el diseño, mayor consumo energético, el tener más elementos susceptibles de ser afectados por un SEE y generalmente, una reducción de la máxima frecuencia alcanzable por el diseño. Por ello, los niveles de redundancia hardware más utilizados son la doble, conocida como DMR (Dual Modular Redundancy) y la triple o TMR (Triple Modular Redundancy). La DMR minimiza el número de recursos redundantes, pero presenta el problema de no poder identificar el módulo fallido ya que solo es capaz de detectar que se ha producido un error. Ello hace necesario combinarlo con técnicas adicionales. Al caso de DMR aplicado a procesadores se le denomina lockstep y se suele combinar con las técnicas checkpoint y rollback recovery. El checkpoint consiste en guardar periódicamente el contexto (contenido de registros y memorias) de instantes identificados como correctos. Gracias a esto, una vez detectado y reparado un fallo es posible emplear el rollback recovery para cargar el último contexto correcto guardado. Las desventajas de estas estrategias son el tiempo requerido por ambas técnicas (checkpoint y rollback recovery) y la necesidad de elementos adicionales (como memorias auxiliares para guardar el contexto). Por otro lado, el TMR ofrece la posibilidad de detectar el módulo fallido mediante la votación por mayoría. Es decir, si tras comparar las tres salidas una de ellas presenta un estado distinto, se asume que las otras dos son correctas. Esto permite que el sistema continúe funcionando correctamente (como sistema DMR) aun cuando uno de los módulos quede inutilizado. En todo caso, el TMR solo enmascara los errores, es decir, no los corrige. Una de las desventajas más destacables de esta técnica es que incrementa el uso de recursos en más de un 300 %. También cabe la posibilidad de que la salida discrepante sea la realmente correcta (y que, por tanto, las otras dos sean incorrectas), aunque este caso es bastante improbable. Uno de los problemas que no se ha analizado con profundidad en la bibliografía es el problema de la sincronización de procesadores soft-core en sistemas TMR (o de mayor nivel de redundancia). Dicho problema reside en que, si tras un fallo se inutiliza uno de los procesadores y el sistema continúa funcionando con el resto de procesadores, una vez reparado el procesador fallido éste necesita sincronizar su contexto al nuevo estado del sistema. Una práctica bastante común en la implementación de sistemas redundantes es combinarlos con la técnica conocida como scrubbing. Esta técnica basada en la reconfiguración parcial dinámica, consiste en sobrescribir periódicamente el bitstream con una copia libre de errores apropiadamente guardada. Gracias a ella, es posible corregir los errores enmascarados por el uso de algunas técnicas de endurecimiento como la redundancia hardware. Esta copia libre de errores suele omitir los bits del bitstream correspondientes a la memoria de usuario, por lo que solo actualiza los bits relacionados con la configuración de la FPGA. Por ello, a esta técnica también se la conoce como configuration scrubbing. En toda la literatura consultada se ha detectado un vacío en cuanto a técnicas que propongan estrategias de scrubbing para la memoria de usuario. Con el objetivo de proponer alternativas innovadoras en el terreno de la tolerancia a fallos para procesadores softcore, en este trabajo de investigación se han desarrollado varias técnicas y flujos de diseño para manejar los datos de usuario a través del bitstream, pudiendo leer, escribir o copiar la información de registros o de memorias implementadas en bloques RAMs de forma autónoma. Así mismo se ha desarrollado un abanico de propuestas tanto como para estrategias lockstep como para la sincronización de sistemas TMR, de las cuales varias hacen uso de las técnicas desarrolladas para manejar las memorias de usuario a través del bitstream. Estas últimas técnicas tienen en común la minimización de utilización de recursos respecto a las estrategias tradicionales. De forma similar, se proponen dos alternativas adicionales basadas en dichas técnicas: una propuesta de scrubbing para las memorias de usuario y una para la recuperación de información en memorias implementadas en bloques RAM cuyas interfaces hayan sido inutilizadas por SEEs.Todas las propuestas han sido validadas en hardware utilizando una FPGA de Xilinx, la empresa líder en fabricación de dispositivos reconfigurables. De esta forma se proporcionan resultados sobre los impactos de las técnicas propuestas en términos de utilización de recursos, consumos energéticos y máximas frecuencias alcanzables

Dynamic partial reconfiguration management for high performance and reliability in FPGAs

Modern Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are no longer used to implement small “glue logic” circuitries. The high-density of reconfigurable logic resources in today’s FPGAs enable the implementation of large systems in a single chip. FPGAs are highly flexible devices; their functionality can be altered by simply loading a new binary file in their configuration memory. While the flexibility of FPGAs is comparable to General-Purpose Processors (GPPs), in the sense that different functions can be performed using the same hardware, the performance gain that can be achieved using FPGAs can be orders of magnitudes higher as FPGAs offer the ability for customisation of parallel computational architectures. Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) allows for changing the functionality of certain blocks on the chip while the rest of the FPGA is operational. DPR has sparked the interest of researchers to explore new computational platforms where computational tasks are off-loaded from a main CPU to be executed using dedicated reconfigurable hardware accelerators configured on demand at run-time. By having a battery of custom accelerators which can be swapped in and out of the FPGA at runtime, a higher computational density can be achieved compared to static systems where the accelerators are bound to fixed locations within the chip. Furthermore, the ability of relocating these accelerators across several locations on the chip allows for the implementation of adaptive systems which can mitigate emerging faults in the FPGA chip when operating in harsh environments. By porting the appropriate fault mitigation techniques in such computational platforms, the advantages of FPGAs can be harnessed in different applications in space and military electronics where FPGAs are usually seen as unreliable devices due to their sensitivity to radiation and extreme environmental conditions. In light of the above, this thesis investigates the deployment of DPR as: 1) a method for enhancing performance by efficient exploitation of the FPGA resources, and 2) a method for enhancing the reliability of systems intended to operate in harsh environments. Achieving optimal performance in such systems requires an efficient internal configuration management system to manage the reconfiguration and execution of the reconfigurable modules in the FPGA. In addition, the system needs to support “fault-resilience” features by integrating parameterisable fault detection and recovery capabilities to meet the reliability standard of fault-tolerant applications. This thesis addresses all the design and implementation aspects of an Internal Configuration Manger (ICM) which supports a novel bitstream relocation model to enable the placement of relocatable accelerators across several locations on the FPGA chip. In addition to supporting all the configuration capabilities required to implement a Reconfigurable Operating System (ROS), the proposed ICM also supports the novel multiple-clone configuration technique which allows for cloning several instances of the same hardware accelerator at the same time resulting in much shorter configuration time compared to traditional configuration techniques. A faulttolerant (FT) version of the proposed ICM which supports a comprehensive faultrecovery scheme is also introduced in this thesis. The proposed FT-ICM is designed with a much smaller area footprint compared to Triple Modular Redundancy (TMR) hardening techniques while keeping a comparable level of fault-resilience. The capabilities of the proposed ICM system are demonstrated with two novel applications. The first application demonstrates a proof-of-concept reliable FPGA server solution used for executing encryption/decryption queries. The proposed server deploys bitstream relocation and modular redundancy to mitigate both permanent and transient faults in the device. It also deploys a novel Built-In Self- Test (BIST) diagnosis scheme, specifically designed to detect emerging permanent faults in the system at run-time. The second application is a data mining application where DPR is used to increase the computational density of a system used to implement the Frequent Itemset Mining (FIM) problem

High-performance hardware accelerators for image processing in space applications

Mars is a hard place to reach. While there have been many notable success stories in getting probes to the Red Planet, the historical record is full of bad news. The success rate for actually landing on the Martian surface is even worse, roughly 30%. This low success rate must be mainly credited to the Mars environment characteristics. In the Mars atmosphere strong winds frequently breath. This phenomena usually modifies the lander descending trajectory diverging it from the target one. Moreover, the Mars surface is not the best place where performing a safe land. It is pitched by many and close craters and huge stones, and characterized by huge mountains and hills (e.g., Olympus Mons is 648 km in diameter and 27 km tall). For these reasons a mission failure due to a landing in huge craters, on big stones or on part of the surface characterized by a high slope is highly probable. In the last years, all space agencies have increased their research efforts in order to enhance the success rate of Mars missions. In particular, the two hottest research topics are: the active debris removal and the guided landing on Mars. The former aims at finding new methods to remove space debris exploiting unmanned spacecrafts. These must be able to autonomously: detect a debris, analyses it, in order to extract its characteristics in terms of weight, speed and dimension, and, eventually, rendezvous with it. In order to perform these tasks, the spacecraft must have high vision capabilities. In other words, it must be able to take pictures and process them with very complex image processing algorithms in order to detect, track and analyse the debris. The latter aims at increasing the landing point precision (i.e., landing ellipse) on Mars. Future space-missions will increasingly adopt Video Based Navigation systems to assist the entry, descent and landing (EDL) phase of space modules (e.g., spacecrafts), enhancing the precision of automatic EDL navigation systems. For instance, recent space exploration missions, e.g., Spirity, Oppurtunity, and Curiosity, made use of an EDL procedure aiming at following a fixed and precomputed descending trajectory to reach a precise landing point. This approach guarantees a maximum landing point precision of 20 km. By comparing this data with the Mars environment characteristics, it is possible to understand how the mission failure probability still remains really high. A very challenging problem is to design an autonomous-guided EDL system able to even more reduce the landing ellipse, guaranteeing to avoid the landing in dangerous area of Mars surface (e.g., huge craters or big stones) that could lead to the mission failure. The autonomous behaviour of the system is mandatory since a manual driven approach is not feasible due to the distance between Earth and Mars. Since this distance varies from 56 to 100 million of km approximately due to the orbit eccentricity, even if a signal transmission at the light speed could be possible, in the best case the transmission time would be around 31 minutes, exceeding so the overall duration of the EDL phase. In both applications, algorithms must guarantee self-adaptability to the environmental conditions. Since the Mars (and in general the space) harsh conditions are difficult to be predicted at design time, these algorithms must be able to automatically tune the internal parameters depending on the current conditions. Moreover, real-time performances are another key factor. Since a software implementation of these computational intensive tasks cannot reach the required performances, these algorithms must be accelerated via hardware. For this reasons, this thesis presents my research work done on advanced image processing algorithms for space applications and the associated hardware accelerators. My research activity has been focused on both the algorithm and their hardware implementations. Concerning the first aspect, I mainly focused my research effort to integrate self-adaptability features in the existing algorithms. While concerning the second, I studied and validated a methodology to efficiently develop, verify and validate hardware components aimed at accelerating video-based applications. This approach allowed me to develop and test high performance hardware accelerators that strongly overcome the performances of the actual state-of-the-art implementations. The thesis is organized in four main chapters. Chapter 2 starts with a brief introduction about the story of digital image processing. The main content of this chapter is the description of space missions in which digital image processing has a key role. A major effort has been spent on the missions in which my research activity has a substantial impact. In particular, for these missions, this chapter deeply analizes and evaluates the state-of-the-art approaches and algorithms. Chapter 3 analyzes and compares the two technologies used to implement high performances hardware accelerators, i.e., Application Specific Integrated Circuits (ASICs) and Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Thanks to this information the reader may understand the main reasons behind the decision of space agencies to exploit FPGAs instead of ASICs for high-performance hardware accelerators in space missions, even if FPGAs are more sensible to Single Event Upsets (i.e., transient error induced on hardware component by alpha particles and solar radiation in space). Moreover, this chapter deeply describes the three available space-grade FPGA technologies (i.e., One-time Programmable, Flash-based, and SRAM-based), and the main fault-mitigation techniques against SEUs that are mandatory for employing space-grade FPGAs in actual missions. Chapter 4 describes one of the main contribution of my research work: a library of high-performance hardware accelerators for image processing in space applications. The basic idea behind this library is to offer to designers a set of validated hardware components able to strongly speed up the basic image processing operations commonly used in an image processing chain. In other words, these components can be directly used as elementary building blocks to easily create a complex image processing system, without wasting time in the debug and validation phase. This library groups the proposed hardware accelerators in IP-core families. The components contained in a same family share the same provided functionality and input/output interface. This harmonization in the I/O interface enables to substitute, inside a complex image processing system, components of the same family without requiring modifications to the system communication infrastructure. In addition to the analysis of the internal architecture of the proposed components, another important aspect of this chapter is the methodology used to develop, verify and validate the proposed high performance image processing hardware accelerators. This methodology involves the usage of different programming and hardware description languages in order to support the designer from the algorithm modelling up to the hardware implementation and validation. Chapter 5 presents the proposed complex image processing systems. In particular, it exploits a set of actual case studies, associated with the most recent space agency needs, to show how the hardware accelerator components can be assembled to build a complex image processing system. In addition to the hardware accelerators contained in the library, the described complex system embeds innovative ad-hoc hardware components and software routines able to provide high performance and self-adaptable image processing functionalities. To prove the benefits of the proposed methodology, each case study is concluded with a comparison with the current state-of-the-art implementations, highlighting the benefits in terms of performances and self-adaptability to the environmental conditions