REAL-TIME ERROR DETECTION AND CORRECTION FOR ROBUST OPERATION OF AUTONOMOUS SYSTEMS USING ENCODED STATE CHECKS

The objective of the proposed research is to develop methodologies, support algorithms and software-hardware infrastructure for detection, diagnosis, and correction of failures for actuators, sensors and control software in linear and nonlinear state variable systems with the help of multiple checks employed in the system. This objective is motivated by the proliferation of autonomous sense-and-control real-time systems, such as intelligent robots and self-driven cars which must maintain a minimum level of performance in the presence of electro-mechanical degradation of system-level components in the field as well as external attacks in the form of transient errors. A key focus is on rapid recovery from the effects of such anomalies and impairments with minimal impact on system performance while maintaining low implementation overhead as opposed to traditional schemes for recovery that rely on duplication or triplication. On-line detection, diagnosis and correction techniques are investigated and rely on analysis of system under test response signatures to real-time stimulus. For on-line error detection and diagnosis, linear and nonlinear state space encodings of the system under test are used and specific properties of the codes, as well as machine learning model based approaches were used are analyzed in real-time. Recovery is initiated by copying check model values to correct error for sensor and control software malfunction, and by redesigning the controller parameter on-the-fly for actuators to restore system performance. Future challenges that need to be addressed include viability studies of the proposed techniques on mobile autonomous system in distributed setting as well as application to systems with soft as well as hard real-time performance constraints.Ph.D

Fault tolerance issues in nanoelectronics

The astonishing success story of microelectronics cannot go on indefinitely. In fact, once devices reach the few-atom scale (nanoelectronics), transient quantum effects are expected to impair their behaviour. Fault tolerant techniques will then be required. The aim of this thesis is to investigate the problem of transient errors in nanoelectronic devices. Transient error rates for a selection of nanoelectronic gates, based upon quantum cellular automata and single electron devices, in which the electrostatic interaction between electrons is used to create Boolean circuits, are estimated. On the bases of such results, various fault tolerant solutions are proposed, for both logic and memory nanochips. As for logic chips, traditional techniques are found to be unsuitable. A new technique, in which the voting approach of triple modular redundancy (TMR) is extended by cascading TMR units composed of nanogate clusters, is proposed and generalised to other voting approaches. For memory chips, an error correcting code approach is found to be suitable. Various codes are considered and a lookup table approach is proposed for encoding and decoding. We are then able to give estimations for the redundancy level to be provided on nanochips, so as to make their mean time between failures acceptable. It is found that, for logic chips, space redundancies up to a few tens are required, if mean times between failures have to be of the order of a few years. Space redundancy can also be traded for time redundancy. As for memory chips, mean times between failures of the order of a few years are found to imply both space and time redundancies of the order of ten

Error Behaviour In Optical Networks

Optical fibre communications are now widely used in many applications, including local area computer networks. I postulate that many future optical LANs will be required to operate with limited optical power budgets for a variety of reasons, including increased system complexity and link speed, low cost components and minimal increases in transmit power. Some developers will wish to run links with reduced power budget margins, and the received data in these systems will be more susceptible to errors than has been the case previously. The errors observed in optical systems are investigated using the particular case of Gigabit Ethernet on fibre as an example. Gigabit Ethernet is one of three popular optical local area interconnects which use 8B/10B line coding, along with Fibre Channel and Infiniband, and is widely deployed. This line encoding is also used by packet switched optical LANs currently under development. A probabilistic analysis follows the effects of a single channel error in a frame, through the line coding scheme and the MAC layer frame error detection mechanisms. Empirical data is used to enhance this original analysis, making it directly relevant to deployed systems. Experiments using Gigabit Ethernet on fibre with reduced power levels at the receiver to simulate the effect of limited power margins are described. It is found that channel bit error rate and packet loss rate have only a weakly deterministic relationship, due to interactions between a number of non-uniform error characteristics at various network sub-layers. Some data payloads suffer from high bit error rates and low packet loss rates, compared to others with lower bit error rates and yet higher packet losses. Experiments using real Internet traffic contribute to the development of a novel model linking packet loss, the payload damage rate, and channel bit error rate. The observed error behaviours at various points in the physical and data link layers are detailed. These include data-dependent channel errors; this error hot- spotting is in contrast to the failure modes observed in a copper-based system. It is also found that both multiple channel errors within a single code-group, and multiple error instances within a frame, occur more frequently than might be expected. The overall effects of these error characteristics on the ability of cyclic redundancy checks (CRCs) to detect errors, and on the performance of higher layers in the network, is considered. This dissertation contributes to the discussion of layer interactions, which may lead to un-foreseen performance issues at higher levels of the network stack, and extends it by considering the physical and data link layers for a common form of optical link. The increased risk of errors in future optical networks, and my findings for 8B/10B encoded optical links, demonstrate the need for a cross-layer understanding of error characteristics in such systems. The development of these new networks should take error performance into account in light of the particular requirements of the application in question.The UK Engineering and Physical Sciences Research Council and Marconi Corporation supported my work financially through an Industrial CASE studentship

Error Behaviour In Optical Networks

Optical fibre communications are now widely used in many applications, including local area computer networks. I postulate that many future optical LANs will be required to operate with limited optical power budgets for a variety of reasons, including increased system complexity and link speed, low cost components and minimal increases in transmit power. Some developers will wish to run links with reduced power budget margins, and the received data in these systems will be more susceptible to errors than has been the case previously. The errors observed in optical systems are investigated using the particular case of Gigabit Ethernet on fibre as an example. Gigabit Ethernet is one of three popular optical local area interconnects which use 8B/10B line coding, along with Fibre Channel and Infiniband, and is widely deployed. This line encoding is also used by packet switched optical LANs currently under development. A probabilistic analysis follows the effects of a single channel error in a frame, through the line coding scheme and the MAC layer frame error detection mechanisms. Empirical data is used to enhance this original analysis, making it directly relevant to deployed systems. Experiments using Gigabit Ethernet on fibre with reduced power levels at the receiver to simulate the effect of limited power margins are described. It is found that channel bit error rate and packet loss rate have only a weakly deterministic relationship, due to interactions between a number of non-uniform error characteristics at various network sub-layers. Some data payloads suffer from high bit error rates and low packet loss rates, compared to others with lower bit error rates and yet higher packet losses. Experiments using real Internet traffic contribute to the development of a novel model linking packet loss, the payload damage rate, and channel bit error rate. The observed error behaviours at various points in the physical and data link layers are detailed. These include data-dependent channel errors; this error hot- spotting is in contrast to the failure modes observed in a copper-based system. It is also found that both multiple channel errors within a single code-group, and multiple error instances within a frame, occur more frequently than might be expected. The overall effects of these error characteristics on the ability of cyclic redundancy checks (CRCs) to detect errors, and on the performance of higher layers in the network, is considered. This dissertation contributes to the discussion of layer interactions, which may lead to un-foreseen performance issues at higher levels of the network stack, and extends it by considering the physical and data link layers for a common form of optical link. The increased risk of errors in future optical networks, and my findings for 8B/10B encoded optical links, demonstrate the need for a cross-layer understanding of error characteristics in such systems. The development of these new networks should take error performance into account in light of the particular requirements of the application in question.The UK Engineering and Physical Sciences Research Council and Marconi Corporation supported my work financially through an Industrial CASE studentship

Coding approaches to fault tolerance in dynamic systems

Also issued as Thesis (Ph.D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 1999.Includes bibliographical references (p. 189-196).Sponsored through a contract with Sanders, A Lockheed Martin Company.Christoforos N. Hadjicostis

Electronic systems-1. Lecture notes

The discipline «Electronic Systems» belongs to the cycle of professional and practical training of bachelors in the educational program «Electronic Components and Systems» is read over one semester (7) and is one of the final subjects of the bachelor's degree. In the process of studying the course, students get acquainted with the informational assessments of the ES; a description of the signals used in different purposes of the ES; methods of their processing, storage and transformation; principles of construction and operation of the ES - the selection, transformation, transmission, reception, registration and display of information. The basics of device design based on programmable logic integrated circuits (FPGA) are considered. Lecture notes contain theoretical information for up to 18 lectures and a list of recommended reading

Microarchitectures pour la sauvegarde incrémentale, robuste et efficace dans les systèmes à alimentation intermittente

Embedded devices powered with environmental energy harvesting, have to sustain computation while experiencing unexpected power failures.To preserve the progress across the power interruptions, Non-Volatile Memories (NVMs) are used to quickly save the state. This dissertation first presents an overview and comparison of different NVM technologies, based on different surveys from the literature. The second contribution we propose is a dedicated backup controller, called Freezer, that implements an on-demand incremental backup scheme. This can make the size of the backup 87.7% smaller then a full-memory backup strategy from the state of the art (SoA). Our third contribution addresses the problem of corruption of the state, due to interruptions during the backup process. Two algorithms are presented, that improve on the Freezer incremental backup process, making it robust to errors, by always guaranteeing the existence of a correct state, that can be restored in case of backup errors. These two algorithms can consume 23% less energy than the usual double-buffering technique used in the SoA. The fourth contribution, addresses the scalability of our proposed approach. Combining Freezer with Bloom filters, we introduce a backup scheme that can cover much larger address spaces, while achieving a backup size which is half the size of the regular Freezer approach.Les appareils embarqués alimentés par la récupération d'énergie environnementale doivent maintenir le calcul tout en subissant des pannes de courant inattendues. Pour préserver la progression à travers les interruptions de courant, des mémoires non volatiles (NVM) sont utilisées pour enregistrer rapidement l'état. Cette thèse présente d'abord une vue d'ensemble et une comparaison des différentes technologies NVM, basées sur différentes enquêtes de la littérature. La deuxième contribution que nous proposons est un contrôleur de sauvegarde dédié, appelé Freezer, qui implémente un schéma de sauvegarde incrémentale à la demande. Cela peut réduire la taille de la sauvegarde de 87,7% à celle d'une stratégie de sauvegarde à mémoire complète de l'état de l'art. Notre troisième contribution aborde le problème de la corruption de l'état, due aux interruptions pendant le processus de sauvegarde. Deux algorithmes sont présentés, qui améliorent le processus de sauvegarde incrémentale de Freezer, le rendant robuste aux erreurs, en garantissant toujours l'existence d'un état correct, qui peut être restauré en cas d'erreurs de sauvegarde. Ces deux algorithmes peuvent consommer $23\%$ d'énergie en moins que la technique de ``double-buffering'' utilisée dans l'état de l'art. La quatrième contribution porte sur l'évolutivité de notre approche proposée. En combinant Freezer avec des filtres Bloom, nous introduisons un schéma de sauvegarde qui peut couvrir des espaces d'adressage beaucoup plus grands, tout en obtenant une taille de sauvegarde qui est la moitié de la taille de l'approche Freezer habituelle

Approximate hardening techniques for digital signal processing circuits against radiation-induced faults

RESUMEN NO TÉCNICO. Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen de su posición, en un proceso llamado ionización. La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran altitud. Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante Total (TID por sus siglas en inglés), o por distorsiones en el silicio sobre el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o fallos destructivos en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE por sus siglas en inglés). Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación. Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP por sus siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas electrónicos cotidianos. En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento frente a la Radiación Por Diseño (RHBD por sus siglas en inglés). Estas técnicas permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan los sistemas modernos. En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes Comerciales (COTS por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD. Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante, Duplicación Con Comparación [DWC]) o llegar incluso a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR) en todas sus variantes. El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de recursos de las utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA comerciales, dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos de prueba endurecidos mediante TMR y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos (ORCA): • La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito original. De este modo se pueden disminuir los recursos necesitados por el circuito, aunque las correcciones en caso de fallo son menos precisas que en el TMR. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. • La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en esta tesis. Está pensada para algoritmos que trabajan con información en forma de paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí. Las réplicas redundantes calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales, lo que reduce su tamaño y permite correcciones aproximadas en caso de fallo. • La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas anteriores. Las réplicas redundantes se forman como bloques que calculan resultados intermedios y el resultado de su composición se puede comparar con el resultado original. Este método permite reducir recursos y proporciona resultados de corrección exactos en la mayor parte de los casos, lo que supone una mejora importante con respecto a las correcciones de los métodos anteriores. La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. En concreto, se han realizado ensayos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y ensayos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido).RESUMEN TÉCNICO. Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen de su posición, en un proceso llamado ionización. La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran altitud. Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante Total (TID, Total Ionizing Dose), o por distorsiones acumuladas en la matriz cristalina del silicio en el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD, Displacement Damage). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o la activación de circuitos parasitarios en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE, Single Event Effects). Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación. Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP, por sus siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas electrónicos cotidianos. En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento frente a la Radiación Por Diseño (RHBD, por sus siglas en inglés). Estas técnicas permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan los sistemas modernos. En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes Comerciales (COTS, por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD. Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante, Duplicación Con Comparación [DWC, Duplication With Comparison]) o llegar incluso a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR, Triple Modular Redundancy) en todas sus variantes. El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de recursos de las técnicas utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA (Field Programmable Gate Array) comerciales. Las FPGA son dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales diseñados a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. Su capacidad de reconfiguración y sus altas prestaciones las convierten en dispositivos muy interesantes para aplicaciones espaciales, donde realizar cambios en los diseños no suele ser posible una vez comenzada la misión. La reconfigurabilidad de las FPGA permite corregir en remoto posibles problemas en el diseño, pero también añadir o modificar funcionalidades a los circuitos implementados en el sistema. La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas e implementadas en FPGAs se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. Los ensayos de radiación son el estándar industrial para probar el comportamiento de todos los sistemas electrónicos que se envían a una misión espacial. Con estos ensayos se trata de emular de manera acelerada las condiciones de radiación a las que se verán sometidos los sistemas una vez hayan sido lanzados y determinar su resistencia a TID, DD y/o SEEs. Dependiendo del efecto que se quiera observar, las partículas elegidas para la radiación varían, pudiendo elegirse entre electrones, neutrones, protones, iones pesados, fotones... Particularmente, los ensayos de radiación realizados en este trabajo, tratándose de un estudio de técnicas de endurecimiento para sistemas electrónicos digitales, están destinados a establecer la sensibilidad de los circuitos estudiados frente a un tipo de SEE conocido como Single Event Upset (SEU), en el que la radiación modifica el valor lógico de un elemento de memoria. Para ello, hemos recurrido a experimentos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA, España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y experimentos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido). La sensibilidad de un circuito suele medirse en términos de su sección eficaz (cross section) con respecto a una partícula determinada, calculada como el cociente entre el número de fallos encontrados y el número de partículas ionizantes por unidad de área utilizadas en la campaña de radiación. Esta métrica sirve para estimar el número de fallos que provocará la radiación a lo largo de la vida útil del sistema, pero también para establecer comparaciones que permitan conocer la eficacia de los sistemas de endurecimiento implementados y ayudar a mejorarlos. El método de inyección de fallos utilizado en esta Tesis como complemento a la radiación se basa en modificar el valor lógico de los datos almacenados en la memoria de configuración de la FPGA. En esta memoria se guarda la descripción del funcionamiento del circuito implementado en la FPGA, por lo que modificar sus valores equivale a modificar el circuito. En FPGAs que utilizan la tecnología SRAM en sus memorias de configuración, como las utilizadas en esta Tesis, este es el componente más sensible a la radiación, por lo que es posible comparar los resultados de la inyección de fallos y de las campañas de radiación. Análogamente a la sección eficaz, en experimentos de inyección de fallos podemos hablar de la tasa de error, calculada como el cociente entre el número de fallos encontrados y la cantidad de bits de memoria inyectados. A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos endurecidos mediante Redundancia Modular Triple y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos (ORCA). Estas dos últimas son contribuciones originales presentadas en esta Tesis. • La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito original. Para cada dato de salida se comparan el resultado del circuito original y los dos resultados de precisión reducida. Si los dos resultados de precisión reducida son idénticos y su diferencia con el resultado de precisión completa es mayor que un determinado valor umbral, se considera que existe un fallo en el circuito original y se utiliza el resultado de precisión reducida para corregirlo. En cualquier otro caso, el resultado original se considera correcto, aunque pueda contener errores tolerables por debajo del umbral de comparación. En comparación con un circuito endurecido con TMR, los diseños RPR utilizan menos recursos, debido a la reducción en la precisión de los cálculos de los circuitos redundantes. No obstante, esto también afecta a la calidad de los resultados obtenidos cuando se corrige un error. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. En esta variante de la técnica RPR, los resultados de cada etapa de cálculo en los circuitos redundantes tienen una precisión diferente, incrementándose hacia las últimas etapas, en las que el resultado tiene la misma precisión que el circuito original. Con este método se logra incrementar la calidad de los datos corregidos a la vez que se reducen los recursos utilizados por el endurecimiento. Los resultados de las campañas de radiación y de inyección de fallos realizadas sobre los diseños endurecidos con RPR sugieren que la reducción de recursos no sólo es beneficiosa por sí misma en términos de recursos y energía utilizados por el sistema, sino que también conlleva una reducción de la sensibilidad de los circuitos, medida tanto en cross section como en tasa de error. • La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en esta tesis. Está indicada para algoritmos que trabajan con información en forma de paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí, como puede ser un algoritmo de procesamiento de imágenes. En la técnica RRR, se añaden dos circuitos redundantes que calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales. Tras el cálculo, los resultados diezmados pueden interpolarse para obtener un resultado aproximado del mismo tamaño que el resultado del circuito original. Una vez interpolados, los resultados de los tres circuitos pueden ser comparados para detectar y corregir fallos de una manera similar a la que se utiliza en la técnica RPR. Aprovechando las características del diseño hardware, la disminución de la cantidad de datos que procesan los circuitos de Resolución Reducida puede traducirse en una disminución de recursos, en lugar de una disminución de tiempo de cálculo. De esta manera, la técnica RRR es capaz de reducir el consumo de recursos en comparación a los que se necesitarían si se utilizase un endurecimiento TMR. Los resultados de los experimentos realizados en diseños endurecidos mediante Redundancia de Resolución Reducida sugieren que la técnica es eficaz en reducir los recursos utilizados y, al igual que pasaba en el caso de la Redundancia de Precisión Reducida, también su sensibilidad se ve reducida, comparada con la sensibilidad del mismo circuito endurecido con Redundancia Modular Triple. Además, se observa una reducción notable de la sensibilidad de los circuitos frente a errores no corregibles, comparado con el mismo resultado en TMR y RPR. Este tipo de error engloba aquellos producidos por fallos en la lógica de comparación y votación o aquellos en los que un único SEU produce fallos en los resultados de dos o más de los circuitos redundantes al mismo tiempo, lo que se conoce como Fallo en Modo Común (CMF). No obstante, también se observa que la calidad de las correcciones realizadas utilizando este método empeora ligeramente. • La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas anteriores. Para endurecer un circuito usando esta técnica, se añaden dos circuitos redundantes diferentes entre sí y que procesan cada uno una parte diferente del conjunto de datos de entrada. Cada uno de estos circuitos aproximados calcula un resultado intermedio. La composición de los dos resultados intermedios da un resultado idéntico al del circuito original en ausencia de fallos. La detección de fallos se realiza comparando el resultado del circuito original con el de la composición de los circuitos aproximados. En caso de ser diferentes, se puede determinar el origen del fallo comparando los resultados aproximados intermedios frente a un umbral. Si la diferencia entre los resultados intermedios supera el umbral, significa que el fallo se ha producido en uno de los circuitos aproximados y que el resultado de la composición no debe ser utilizado en la salida. Al igual que ocurre en la Redundancia de Precisión Reducida y la Redundancia de Resolución Reducida, utilizar un umbral de comparación implica la existencia de errores tolerables. No obstante, esta técnica de endurecimiento permite realizar correcciones exactas, en lugar de aproximadas, en la mayor parte de los casos, lo que mejora la calidad de los resultados con respecto a otras técnicas de endurecimiento aproximadas, al tiempo que reduce los recursos utilizados por el sistema endurecido en comparación con las técnicas tradicionales. Los resultados de los experimentos realizados con diseños endurecidos mediante Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos confirman que esta técnica de endurecimiento es capaz de producir correcciones exactas en un alto porcentaje de los eventos. Su sensibilidad frente a todo tipo de errores y frente a errores no corregibles también se ve disminuida, comparada con la obtenida con Redundancia Modular Triple. Los resultados presentados en esta Tesis respaldan la idea de que las técnicas de Redundancia Aproximada son alternativas viables a las técnicas de endurecimiento frente a la radiación habituales, siempre que