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

Firmware Development and Integration for ALICE TPC and PHOS Front-end Electronics: A Trigger Based Readout and Control System operating in a Radiation Environment

The readout electronics in PHOS and TPC - two of the major detectors of the ALICE experiment at the LHC - consist of a set of Front End Cards (FECs) that digitize, process and buffer the data from the detector sensors. The FECs are connected to a Readout Control Unit (RCU) via two sets of custom made PCB backplanes. For PHOS, 28 FECs are connected to one RCU, while for TPC the number is varying from 18 to 25 FECs depending on location. The RCU is in charge of the data readout, including reception and distribution of triggers and in moving the data from the FECs to the Data Acquisition System. In addition it does low level control tasks. The RCU consists of an RCU Motherboard that hosts a Detector Control System (DCS) board and a Source Interface Unit. The DCS board is an embedded computer running Linux that controls the readout electronics. All the mentioned devices are implemented in commercial grade SRAM based Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Even if these devices are not very radiation tolerant, they are chosen because of their cost and flexibility, and most importantly the possibility to easily do future upgrades of the electronics. Since physical shielding of the electronics is not possible in ALICE due to the architecture of the detector, the radiation related errors need to be handled with other techniques such as firmware mitigation techniques. The main objective of this thesis has been to make firmware modules for the FPGAs reciding in different parts of the readout electronics. Because of the flexibility of the designs, some of them have, with minor adaptations, been applied in different devices surrounding the readout electronics. Additionally, effort has been put into testing and integration of the system. In detail, the work presented in this thesis can be summarized as follows: - Firmware design for radiation environments. All firmware modules that are designed are to be used in a radiation environment, and then special precautions need to be taken. Additionally, a state-of-the-art solution has been designed for protecting the main FPGA on the RCU Motherboard against radiation induced functional failures. - Implementation of Trigger Handling for the TPC/PHOS Readout Electronics. The triggers are received from the global trigger system via an optical link and are handled by an Application Spesific Integrated Circuit (ASIC) on the DCS board. The problem is that the DCS board might have occasional down time 6 due to radiation related errors, so a special interface module is designed for the main FPGA on the RCU Motherboard. This module decodes and verifies the information received from the trigger system. As it is a generic design it has also been implemented as part of the BusyBox. The BusyBox is an important device in the trigger path of the TPC and PHOS sub-detectors. - Testing and Verification of all firmware modules. All firmware modules have been extensively verified with computer simulation before being tested in real hardware. - Maintenance of the DCS board for TPC/PHOS and of the different Fee firmware modules in general. - System Integration and System Level Tests. A big contribution has been done integrating and testing all the modules and sub-systems. This concern both locally on the RCU and the BusyBox, as well as making all the devices play together on a larger scale. - Testing and Verification of all firmware modules. All firmware modules have been extensively verified with computer simulation before being tested in real hardware. - Maintenance of the DCS board for TPC/PHOS and of the different Fee firmware modules in general. - System Integration and System Level Tests. A big contribution has been done integrating and testing all the modules and sub-systems. This concern both locally on the RCU and the BusyBox, as well as making all the devices play together on a larger scale. As the presented electronics are located in a radiation environment and are physically unavailable after commissioning, effort has been put into making designs that are reliable, scalable and possible to upgrade. This has been ensured by following a systematic design approach where testability, version management and documentation are key elements. Some parts of the work described in this thesis have been published and presented in international peer reviewed publications and conferences

Sequential Circuit Design for Embedded Cryptographic Applications Resilient to Adversarial Faults

In the relatively young field of fault-tolerant cryptography, the main research effort has focused exclusively on the protection of the data path of cryptographic circuits. To date, however, we have not found any work that aims at protecting the control logic of these circuits against fault attacks, which thus remains the proverbial Achilles’ heel. Motivated by a hypothetical yet realistic fault analysis attack that, in principle, could be mounted against any modular exponentiation engine, even one with appropriate data path protection, we set out to close this remaining gap. In this paper, we present guidelines for the design of multifault-resilient sequential control logic based on standard Error-Detecting Codes (EDCs) with large minimum distance. We introduce a metric that measures the effectiveness of the error detection technique in terms of the effort the attacker has to make in relation to the area overhead spent in implementing the EDC. Our comparison shows that the proposed EDC-based technique provides superior performance when compared against regular N-modular redundancy techniques. Furthermore, our technique scales well and does not affect the critical path delay

Realization and Formal Analysis of Asynchronous Pulse Communication Circuits

This work presents an approach to constructing asynchronous pulsed communication circuits. These circuits use small delay elements to introduce a gate level sense of time, removing the need for either a clock or handshaking signal to be part of a high-speed communication link. This construction method allows the creation of links with better than normal jitter tolerance, allowing for simple circuit architectures that can easily be made robust to radiation induced soft error. A 5Gbps radiation-hardened link, targeted at use in detector modules at the LHC, will be presented. This application presents a special challenge due to both very high radiation levels (1+MGy life time dose) and the demand for minimum resource (area, power, cable cost) use. The presented link, realized in 130nm technology, is unique in that it has low power (~50mW end to end) and very low area 0.12mm^2 including electrostatic discharge protection, and I/O amplifiers. Due to its asynchronous construction and the gate design style, the link has essentially zero power dissipation when idle, and enters and exits its idle state with no delay. In addition to the construction of the link, this presentation covers the design and analysis methodology that can be used to create other asynchronous communication circuits. The methodology achieves higher performance than conventional static technology but needs only a reasonable design effort using tools and strategies that are only mildly extended versions of those familiar to digital static designers. It is used to construct the serializer, deserializer, and self-test circuitry for the presented link. In this case, a 5Gbps SER/DES and a 2GHz parallel pseudo-random number generator are implemented in 130nm CMOS technology using a gate design style that does not dissipate static power

The 1992 4th NASA SERC Symposium on VLSI Design

Papers from the fourth annual NASA Symposium on VLSI Design, co-sponsored by the IEEE, are presented. Each year this symposium is organized by the NASA Space Engineering Research Center (SERC) at the University of Idaho and is held in conjunction with a quarterly meeting of the NASA Data System Technology Working Group (DSTWG). One task of the DSTWG is to develop new electronic technologies that will meet next generation electronic data system needs. The symposium provides insights into developments in VLSI and digital systems which can be used to increase data systems performance. The NASA SERC is proud to offer, at its fourth symposium on VLSI design, presentations by an outstanding set of individuals from national laboratories, the electronics industry, and universities. These speakers share insights into next generation advances that will serve as a basis for future VLSI design

Index to 1985 NASA Tech Briefs, volume 10, numbers 1-4

Short announcements of new technology derived from the R&D activities of NASA are presented. These briefs emphasize information considered likely to be transferrable across industrial, regional, or disciplinary lines and are issued to encourage commercial application. This index for 1985 Tech Briefs contains abstracts and four indexes: subject, personal author, originating center, and Tech Brief Number. The following areas are covered: electronic components and circuits, electronic systems, physical sciences, materials, life sciences, mechanics, machinery, fabrication technology, and mathematics and information sciences

Operating System Support for Redundant Multithreading

Failing hardware is a fact and trends in microprocessor design indicate that the fraction of hardware suffering from permanent and transient faults will continue to increase in future chip generations. Researchers proposed various solutions to this issue with different downsides: Specialized hardware components make hardware more expensive in production and consume additional energy at runtime. Fault-tolerant algorithms and libraries enforce specific programming models on the developer. Compiler-based fault tolerance requires the source code for all applications to be available for recompilation. In this thesis I present ASTEROID, an operating system architecture that integrates applications with different reliability needs. ASTEROID is built on top of the L4/Fiasco.OC microkernel and extends the system with Romain, an operating system service that transparently replicates user applications. Romain supports single- and multi-threaded applications without requiring access to the application's source code. Romain replicates applications and their resources completely and thereby does not rely on hardware extensions, such as ECC-protected memory. In my thesis I describe how to efficiently implement replication as a form of redundant multithreading in software. I develop mechanisms to manage replica resources and to make multi-threaded programs behave deterministically for replication. I furthermore present an approach to handle applications that use shared-memory channels with other programs. My evaluation shows that Romain provides 100% error detection and more than 99.6% error correction for single-bit flips in memory and general-purpose registers. At the same time, Romain's execution time overhead is below 14% for single-threaded applications running in triple-modular redundant mode. The last part of my thesis acknowledges that software-implemented fault tolerance methods often rely on the correct functioning of a certain set of hardware and software components, the Reliable Computing Base (RCB). I introduce the concept of the RCB and discuss what constitutes the RCB of the ASTEROID system and other fault tolerance mechanisms. Thereafter I show three case studies that evaluate approaches to protecting RCB components and thereby aim to achieve a software stack that is fully protected against hardware errors

High-level services for networks-on-chip

Future technology trends envision that next-generation Multiprocessors Systems-on- Chip (MPSoCs) will be composed of a combination of a large number of processing and storage elements interconnected by complex communication architectures. Communication and interconnection between these basic blocks play a role of crucial importance when the number of these elements increases. Enabling reliable communication channels between cores becomes therefore a challenge for system designers. Networks-on-Chip (NoCs) appeared as a strategy for connecting and managing the communication between several design elements and IP blocks, as required in complex Systems-on-Chip (SoCs). The topic can be considered as a multidisciplinary synthesis of multiprocessing, parallel computing, networking, and on- chip communication domains. Networks-on-Chip, in addition to standard communication services, can be employed for providing support for the implementation of system-level services. This dissertation will demonstrate how high-level services can be added to an MPSoC platform by embedding appropriate hardware/software support in the network interfaces (NIs) of the NoC. In this dissertation, the implementation of innovative modules acting in parallel with protocol translation and data transmission in NIs is proposed and evaluated. The modules can support the execution of the high-level services in the NoC at a relatively low cost in terms of area and energy consumption. Three types of services will be addressed and discussed: security, monitoring, and fault tolerance. With respect to the security aspect, this dissertation will discuss the implementation of an innovative data protection mechanism for detecting and preventing illegal accesses to protected memory blocks and/or memory mapped peripherals. The second aspect will be addressed by proposing the implementation of a monitoring system based on programmable multipurpose monitoring probes aimed at detecting NoC internal events and run-time characteristics. As last topic, new architectural solutions for the design of fault tolerant network interfaces will be presented and discussed