Optimizing Scrubbing by Netlist Analysis for FPGA Configuration Bit Classification and Floorplanning

Existing scrubbing techniques for SEU mitigation on FPGAs do not guarantee an error-free operation after SEU recovering if the affected configuration bits do belong to feedback loops of the implemented circuits. In this paper, we a) provide a netlist-based circuit analysis technique to distinguish so-called critical configuration bits from essential bits in order to identify configuration bits which will need also state-restoring actions after a recovered SEU and which not. Furthermore, b) an alternative classification approach using fault injection is developed in order to compare both classification techniques. Moreover, c) we will propose a floorplanning approach for reducing the effective number of scrubbed frames and d), experimental results will give evidence that our optimization methodology not only allows to detect errors earlier but also to minimize the Mean-Time-To-Repair (MTTR) of a circuit considerably. In particular, we show that by using our approach, the MTTR for datapath-intensive circuits can be reduced by up to 48.5% in comparison to standard approaches

Improving reconfigurable systems reliability by combining periodical test and redundancy techniques: a case study

This paper revises and introduces to the field of reconfigurable computer systems, some traditional techniques used in the fields of fault-tolerance and testing of digital circuits. The target area is that of on-board spacecraft electronics, as this class of application is a good candidate for the use of reconfigurable computing technology. Fault tolerant strategies are used in order for the system to adapt itself to the severe conditions found in space. In addition, the paper describes some problems and possible solutions for the use of reconfigurable components, based on programmable logic, in space applications

FireNN: Neural Networks Reliability Evaluation on Hybrid Platforms

The growth of neural networks complexity has led to adopt of hardware-accelerators to cope with the computational power required by the new architectures. The possibility to adapt the network for different platforms enhanced the interests of safety-critical applications. The reliability evaluation of neural networks are still premature and requires platforms to measure the safety standards required by mission-critical applications. For this reason, the interest in studying the reliability of neural networks is growing. We propose a new approach for evaluating the resiliency of neural networks by using hybrid platforms. The approach relies on the reconfigurable hardware for emulating the target hardware platform and performing the fault injection process. The main advantage of the proposed approach is to involve the on-hardware execution of the neural network in the reliability analysis without any intrusiveness into the network algorithm and addressing specific fault models. The implementation of FireNN, the platform based on the proposed approach, is described in the paper. Experimental analyses are performed using fault injection on AlexNet. The analyses are carried out using the FireNN platform and the results are compared with the outcome of traditional software-level evaluations. Results are discussed considering the insight into the hardware level achieved using FireNN

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

Design and analysis of efficient synthesis algorithms for EDAC functions in FPGAs

Error Detection and Correction (EDAC) functions have been widely used for protecting memories from single event upsets (SEU), which occur in environments with high levels of radiation or in deep submicron manufacturing technologies. This paper presents three novel synthesis algorithms that obtain areaefficient implementations for a given EDAC function, with the ultimate aim of reducing the number of sensitive configuration bits in SRAM-based Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Having less sensitive bits results in a lower chance of suffering a SEU in the EDAC circuitry, thus improving the overall reliability of the whole system. Besides minimizing area, the proposed algorithms also focus on improving other figures of merit like circuit speed and power consumption. The executed benchmarks show that, when compared to other modern synthesis tools, the proposed algorithms can reduce the number of utilized look-up tables (LUTs) up to a 34.48%. Such large reductions in area usage ultimately result in reliability improvements over 10% for the implemented EDAC cores, measured as MTBF (Mean Time Between Failures). On the other hand, maximum path delays and power consumptions can be reduced up to a 17.72% and 34.37% respectively on the placed and routed designs.This work was supported by the Spanish Ministry of Educacion, Cultura y Deporte under the grant FPU12/05573, and by the Spanish Ministry of Economıa project ESP2013-48362-C2-2-P, in the frame of the activities of the Instrument Control Unit of the Infrarred Instrument of the ESA Euclid Mission carried out by the Dept. of Electronics and Computer Technology of the Universidad Politécnica de Cartagen

An adaptive method to tolerate soft errors in SRAM-based FPGAs

AbstractIn this paper, we present an adaptive method that is a combination of SEU-avoidance in CAD flow and adaptive redundancy to tolerate soft error effects in SRAM-based FPGAs. This method is based on the modification of T-VPack and VPR tools. Three different steps of these tools are modified for SEU-awareness: (1) clustering, (2) placement and (3) routing. Then we use the unused resources as redundancy. We have investigated the effect of this method on several MCNC benchmarks. This investigation has been performed using three experiments: (1) SEU-awareness in clustering with redundancy, (2) SEU-awareness in clustering and placement with redundancy and (3) SEU-awareness in clustering, placement and routing with redundancy. With a confidence level of 95%, the results show that, using each of these three experiments, the system failure rate of ten MCNC circuits has been decreased between 4.52% and 10.42%, between 10.25% and 21.63%, and between 10.48% and 24.39%, respectively

New Design Techniques for Dynamic Reconfigurable Architectures

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

Cross layer reliability estimation for digital systems

Forthcoming manufacturing technologies hold the promise to increase multifuctional computing systems performance and functionality thanks to a remarkable growth of the device integration density. Despite the benefits introduced by this technology improvements, reliability is becoming a key challenge for the semiconductor industry. With transistor size reaching the atomic dimensions, vulnerability to unavoidable fluctuations in the manufacturing process and environmental stress rise dramatically. Failing to meet a reliability requirement may add excessive re-design cost to recover and may have severe consequences on the success of a product. %Worst-case design with large margins to guarantee reliable operation has been employed for long time. However, it is reaching a limit that makes it economically unsustainable due to its performance, area, and power cost. One of the open challenges for future technologies is building ``dependable'' systems on top of unreliable components, which will degrade and even fail during normal lifetime of the chip. Conventional design techniques are highly inefficient. They expend significant amount of energy to tolerate the device unpredictability by adding safety margins to a circuit's operating voltage, clock frequency or charge stored per bit. Unfortunately, the additional cost introduced to compensate unreliability are rapidly becoming unacceptable in today's environment where power consumption is often the limiting factor for integrated circuit performance, and energy efficiency is a top concern. Attention should be payed to tailor techniques to improve the reliability of a system on the basis of its requirements, ending up with cost-effective solutions favoring the success of the product on the market. Cross-layer reliability is one of the most promising approaches to achieve this goal. Cross-layer reliability techniques take into account the interactions between the layers composing a complex system (i.e., technology, hardware and software layers) to implement efficient cross-layer fault mitigation mechanisms. Fault tolerance mechanism are carefully implemented at different layers starting from the technology up to the software layer to carefully optimize the system by exploiting the inner capability of each layer to mask lower level faults. For this purpose, cross-layer reliability design techniques need to be complemented with cross-layer reliability evaluation tools, able to precisely assess the reliability level of a selected design early in the design cycle. Accurate and early reliability estimates would enable the exploration of the system design space and the optimization of multiple constraints such as performance, power consumption, cost and reliability. This Ph.D. thesis is devoted to the development of new methodologies and tools to evaluate and optimize the reliability of complex digital systems during the early design stages. More specifically, techniques addressing hardware accelerators (i.e., FPGAs and GPUs), microprocessors and full systems are discussed. All developed methodologies are presented in conjunction with their application to real-world use cases belonging to different computational domains

Novel fault tolerant Multi-Bit Upset (MBU) Error-Detection and Correction (EDAC) architecture

Desde el punto de vista de seguridad, la certificación aeronáutica de aplicaciones críticas de vuelo requiere diferentes técnicas que son usadas para prevenir fallos en los equipos electrónicos. Los fallos de tipo hardware debido a la radiación solar que existe a las alturas standard de vuelo, como SEU (Single Event Upset) y MCU (Multiple Bit Upset), provocan un cambio de estado de los bits que soportan la información almacenada en memoria. Estos fallos se producen, por ejemplo, en la memoria de configuración de una FPGA, que es donde se definen todas las funcionalidades. Las técnicas de protección requieren normalmente de redundancias que incrementan el coste, número de componentes, tamaño de la memoria y peso. En la fase de desarrollo de aplicaciones críticas de vuelo, generalmente se utilizan una serie de estándares o recomendaciones de diseño como ABD100, RTCA DO-160, IEC62395, etc, y diferentes técnicas de protección para evitar fallos del tipo SEU o MCU. Estas técnicas están basadas en procesos tecnológicos específicos como memorias robustas, codificaciones para detección y corrección de errores (EDAC), redundancias software, redundancia modular triple (TMR) o soluciones a nivel sistema. Esta tesis está enfocada a minimizar e incluso suprimir los efectos de los SEUs y MCUs que particularmente ocurren en la electrónica de avión como consecuencia de la exposición a radiación de partículas no cargadas (como son los neutrones) que se encuentra potenciada a las típicas alturas de vuelo. La criticidad en vuelo que tienen determinados sistemas obligan a que dichos sistemas sean tolerantes a fallos, es decir, que garanticen un correcto funcionamiento aún cuando se produzca un fallo en ellos. Es por ello que soluciones como las presentadas en esta tesis tienen interés en el sector industrial. La Tesis incluye una descripción inicial de la física de la radiación incidente sobre aeronaves, y el análisis de sus efectos en los componentes electrónicos aeronaúticos basados en semiconductor, que desembocan en la generación de SEUs y MCUs. Este análisis permite dimensionar adecuadamente y optimizar los procedimientos de corrección que se propongan posteriormente. La Tesis propone un sistema de corrección de fallos SEUs y MCUs que permita cumplir la condición de Sistema Tolerante a Fallos, a la vez que minimiza los niveles de redundancia y de complejidad de los códigos de corrección. El nivel de redundancia es minimizado con la introducción del concepto propuesto HSB (Hardwired Seed Bits), en la que se reduce la información esencial a unos pocos bits semilla, neutros frente a radiación. Los códigos de corrección requeridos se reducen a la corrección de un único error, gracias al uso del concepto de Distancia Virtual entre Bits, a partir del cual será posible corregir múltiples errores simultáneos (MCUs) a partir de códigos simples de corrección. Un ejemplo de aplicación de la Tesis es la implementación de una Protección Tolerante a Fallos sobre la memoria SRAM de una FPGA. Esto significa que queda protegida no sólo la información contenida en la memoria sino que también queda auto-protegida la función de protección misma almacenada en la propia SRAM. De esta forma, el sistema es capaz de auto-regenerarse ante un SEU o incluso un MCU, independientemente de la zona de la SRAM sobre la que impacte la radiación. Adicionalmente, esto se consigue con códigos simples tales como corrección por bit de paridad y Hamming, minimizando la dedicación de recursos de computación hacia tareas de supervisión del sistema.For airborne safety critical applications certification, different techniques are implemented to prevent failures in electronic equipments. The HW failures at flying heights of aircrafts related to solar radiation such as SEU (Single-Event-Upset) and MCU (Multiple Bit Upset), causes bits alterations that corrupt the information at memories. These HW failures cause errors, for example, in the Configuration-Code of an FPGA that defines the functionalities. The protection techniques require classically redundant functionalities that increases the cost, components, memory space and weight. During the development phase for airborne safety critical applications, different aerospace standards are generally recommended as ABD100, RTCA-DO160, IEC62395, etc, and different techniques are classically used to avoid failures such as SEU or MCU. These techniques are based on specific technology processes, Hardened memories, error detection and correction codes (EDAC), SW redundancy, Triple Modular Redundancy (TMR) or System level solutions. This Thesis is focussed to minimize, and even to remove, the effects of SEUs and MCUs, that particularly occurs in the airborne electronics as a consequence of its exposition to solar radiation of non-charged particles (for example the neutrons). These non-charged particles are even powered at flying altitudes due to aircraft volume. The safety categorization of different equipments/functionalities requires a design based on fault-tolerant approach that means, the system will continue its normal operation even if a failure occurs. The solution proposed in this Thesis is relevant for the industrial sector because of its Fault-tolerant capability. Thesis includes an initial description for the physics of the solar radiation that affects into aircrafts, and also the analyses of their effects into the airborne electronics based on semiconductor components that create the SEUs and MCUs. This detailed analysis allows the correct sizing and also the optimization of the procedures used to correct the errors. This Thesis proposes a system that corrects the SEUs and MCUs allowing the fulfilment of the Fault-Tolerant requirement, reducing the redundancy resources and also the complexity of the correction codes. The redundancy resources are minimized thanks to the introduction of the concept of HSB (Hardwired Seed Bits), in which the essential information is reduced to a few seed bits, neutral to radiation. The correction codes required are reduced to the correction of one error thanks to the use of the concept of interleaving distance between adjacent bits, this allows the simultaneous multiple error correction with simple single error correcting codes. An example of the application of this Thesis is the implementation of the Fault-tolerant architecture of an SRAM-based FPGA. That means that the information saved in the memory is protected but also the correction functionality is auto protected as well, also saved into SRAM memory. In this way, the system is able to self-regenerate the information lost in case of SEUs or MCUs. This is independent of the SRAM area affected by the radiation. Furthermore, this performance is achieved by means simple error correcting codes, as parity bits or Hamming, that minimize the use of computational resources to this supervision tasks for system.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Luis Alfonso Entrena Arrontes.- Secretario: Pedro Reviriego Vasallo.- Vocal: Mª Luisa López Vallej