Susceptible Workload Evaluation and Protection using Selective Fault Tolerance

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution International License CC-BY 4.0 ( http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ ), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons license, and indicate if changes were made.Low power fault tolerance design techniques trade reliability to reduce the area cost and the power overhead of integrated circuits by protecting only a subset of their workload or their most vulnerable parts. However, in the presence of faults not all workloads are equally susceptible to errors. In this paper, we present a low power fault tolerance design technique that selects and protects the most susceptible workload. We propose to rank the workload susceptibility as the likelihood of any error to bypass the logic masking of the circuit and propagate to its outputs. The susceptible workload is protected by a partial Triple Modular Redundancy (TMR) scheme. We evaluate the proposed technique on timing-independent and timing-dependent errors induced by permanent and transient faults. In comparison with unranked selective fault tolerance approach, we demonstrate a) a similar error coverage with a 39.7% average reduction of the area overhead or b) a 86.9% average error coverage improvement for a similar area overhead. For the same area overhead case, we observe an error coverage improvement of 53.1% and 53.5% against permanent stuck-at and transition faults, respectively, and an average error coverage improvement of 151.8% and 89.0% against timing-dependent and timing-independent transient faults, respectively. Compared to TMR, the proposed technique achieves an area and power overhead reduction of 145.8% to 182.0%.Peer reviewedFinal Published versio

Susceptible Workload Evaluation and Protection using Selective Fault Tolerance

Low power fault tolerance design techniques trade reliability to reduce the area cost and the power overhead of integrated circuits by protecting only a subset of their workload or their most vulnerable parts. However, in the presence of faults not all workloads are equally susceptible to errors. In this paper, we present a low power fault tolerance design technique that selects and protects the most susceptible workload. We propose to rank the workload susceptibility as the likelihood of any error to bypass the logic masking of the circuit and propagate to its outputs. The susceptible workload is protected by a partial Triple Modular Redundancy (TMR) scheme. We evaluate the proposed technique on timing-independent and timing-dependent errors induced by permanent and transient faults. In comparison with unranked selective fault tolerance approach, we demonstrate a) a similar error coverage with a 39.7% average reduction of the area overhead or b) a 86.9% average error coverage improvement for a similar area overhead. For the same area overhead case, we observe an error coverage improvement of 53.1% and 53.5% against permanent stuck-at and transition faults, respectively, and an average error coverage improvement of 151.8% and 89.0% against timing-dependent and timing-independent transient faults, respectively. Compared to TMR, the proposed technique achieves an area and power overhead reduction of 145.8% to 182.0%

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

Design and Validation for FPGA Trust under Hardware Trojan Attacks

Field programmable gate arrays (FPGAs) are being increasingly used in a wide range of critical applications, including industrial, automotive, medical, and military systems. Since FPGA vendors are typically fabless, it is more economical to outsource device production to off-shore facilities. This introduces many opportunities for the insertion of malicious alterations of FPGA devices in the foundry, referred to as hardware Trojan attacks, that can cause logical and physical malfunctions during field operation. The vulnerability of these devices to hardware attacks raises serious security concerns regarding hardware and design assurance. In this paper, we present a taxonomy of FPGA-specific hardware Trojan attacks based on activation and payload characteristics along with Trojan models that can be inserted by an attacker. We also present an efficient Trojan detection method for FPGA based on a combined approach of logic-testing and side-channel analysis. Finally, we propose a novel design approach, referred to as Adapted Triple Modular Redundancy (ATMR), to reliably protect against Trojan circuits of varying forms in FPGA devices. We compare ATMR with the conventional TMR approach. The results demonstrate the advantages of ATMR over TMR with respect to power overhead, while maintaining the same or higher level of security and performances as TMR. Further improvement in overhead associated with ATMR is achieved by exploiting reconfiguration and time-sharing of resources

Susceptible workload driven selective fault tolerance using a probabilistic fault model

In this paper, we present a novel fault tolerance design technique, which is applicable at the register transfer level, based on protecting the functionality of logic circuits using a probabilistic fault model. The proposed technique selects the most susceptible workload of combinational circuits to protect against probabilistic faults. The workload susceptibility is ranked as the likelihood of any fault to bypass the inherent logical masking of the circuit and propagate an erroneous response to its outputs, when that workload is executed. The workload protection is achieved through a Triple Modular Redundancy (TMR) scheme by using the patterns that have been evaluated as most susceptible. We apply the proposed technique on LGSynth91 and ISCAS85 benchmarks and evaluate its fault tolerance capabilities against errors induced by permanent faults and soft errors. We show that the proposed technique, when it is applied to protect only the 32 most susceptible patterns, achieves on average of all the examined benchmarks, an error coverage improvement of 98% and 94% against errors induced by single stuck-at faults (permanent faults) and soft errors (transient faults), respectively, compared to a reduced TMR scheme that protects the same number of susceptible patterns without ranking them

Reliability-aware and energy-efficient system level design for networks-on-chip

2015 Spring.Includes bibliographical references.With CMOS technology aggressively scaling into the ultra-deep sub-micron (UDSM) regime and application complexity growing rapidly in recent years, processors today are being driven to integrate multiple cores on a chip. Such chip multiprocessor (CMP) architectures offer unprecedented levels of computing performance for highly parallel emerging applications in the era of digital convergence. However, a major challenge facing the designers of these emerging multicore architectures is the increased likelihood of failure due to the rise in transient, permanent, and intermittent faults caused by a variety of factors that are becoming more and more prevalent with technology scaling. On-chip interconnect architectures are particularly susceptible to faults that can corrupt transmitted data or prevent it from reaching its destination. Reliability concerns in UDSM nodes have in part contributed to the shift from traditional bus-based communication fabrics to network-on-chip (NoC) architectures that provide better scalability, performance, and utilization than buses. In this thesis, to overcome potential faults in NoCs, my research began by exploring fault-tolerant routing algorithms. Under the constraint of deadlock freedom, we make use of the inherent redundancy in NoCs due to multiple paths between packet sources and sinks and propose different fault-tolerant routing schemes to achieve much better fault tolerance capabilities than possible with traditional routing schemes. The proposed schemes also use replication opportunistically to optimize the balance between energy overhead and arrival rate. As 3D integrated circuit (3D-IC) technology with wafer-to-wafer bonding has been recently proposed as a promising candidate for future CMPs, we also propose a fault-tolerant routing scheme for 3D NoCs which outperforms the existing popular routing schemes in terms of energy consumption, performance and reliability. To quantify reliability and provide different levels of intelligent protection, for the first time, we propose the network vulnerability factor (NVF) metric to characterize the vulnerability of NoC components to faults. NVF determines the probabilities that faults in NoC components manifest as errors in the final program output of the CMP system. With NVF aware partial protection for NoC components, almost 50% energy cost can be saved compared to the traditional approach of comprehensively protecting all NoC components. Lastly, we focus on the problem of fault-tolerant NoC design, that involves many NP-hard sub-problems such as core mapping, fault-tolerant routing, and fault-tolerant router configuration. We propose a novel design-time (RESYN) and a hybrid design and runtime (HEFT) synthesis framework to trade-off energy consumption and reliability in the NoC fabric at the system level for CMPs. Together, our research in fault-tolerant NoC routing, reliability modeling, and reliability aware NoC synthesis substantially enhances NoC reliability and energy-efficiency beyond what is possible with traditional approaches and state-of-the-art strategies from prior work

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

Correction Masking: a technique to implement efficient SET tolerant error correction decoders

Single Event Transients (SETs) can be a major concern for combinational circuits. Its importance grows as technology scales because a small charge can create a large disturbance on a circuit node. One example of circuits that can suffer from SETs is the decoders of the Error Correction Codes (ECCs) that are used to protect memories from errors. This paper presents Correction Masking (CM), a technique to implement SET tolerant syndrome decoders. The proposed technique is presented and evaluated both in terms of protection effectiveness and circuit overhead. The results show that it can provide an effective protection while reducing the circuit area and power significantly compared to a Triple Modular Redundancy (TMR) protection. An interesting result is that Correction Masking also reduces the delay as it adds less logic in the critical path than TMR. Finally, the proposed technique can be used for any syndrome decoder. This means that it is applicable to many of the ECCs used to protect memories such as Single Error Correction (SEC), Single Error Correction Double Error Detection (SEC-DED), Single Error Correction Double Adjacent Error Correction (SEC-DAEC), and 3-bit burst codes.The work of Pedro Reviriego was supported in part by the Spanish Agencia Estatal de Investigación (AEI) 10.13039/501100011033 through the ACHILLES Project under Grant PID2019-104207RB-I00 and the Go2Edge Network under Grant RED2018-102585-T, and in part by the Madrid Community Research Project TAPIR-CM under Grant P2018/TCS-4496.Publicad