715 research outputs found
New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs
Tesis por compendio[EN] Relevance of electronics towards safety of common devices has only been growing, as an ever growing stake of the functionality is assigned to them. But of course, this comes along the constant need for higher performances to fulfill such functionality requirements, while keeping power and budget low. In this scenario, industry is struggling to provide a technology which meets all the performance, power and price specifications, at the cost of an increased vulnerability to several types of known faults or the appearance of new ones.
To provide a solution for the new and growing faults in the systems, designers have been using traditional techniques from safety-critical applications, which offer in general suboptimal results. In fact, modern embedded architectures offer the possibility of optimizing the dependability properties by enabling the interaction of hardware, firmware and software levels in the process. However, that point is not yet successfully achieved. Advances in every level towards that direction are much needed if flexible, robust, resilient and cost effective fault tolerance is desired. The work presented here focuses on the hardware level, with the background consideration of a potential integration into a holistic approach.
The efforts in this thesis have focused several issues: (i) to introduce additional fault models as required for adequate representativity of physical effects blooming in modern manufacturing technologies, (ii) to provide tools and methods to efficiently inject both the proposed models and classical ones, (iii) to analyze the optimum method for assessing the robustness of the systems by using extensive fault injection and later correlation with higher level layers in an effort to cut development time and cost, (iv) to provide new detection methodologies to cope with challenges modeled by proposed fault models, (v) to propose mitigation strategies focused towards tackling such new threat scenarios and (vi) to devise an automated methodology for the deployment of many fault tolerance mechanisms in a systematic robust way.
The outcomes of the thesis constitute a suite of tools and methods to help the designer of critical systems in his task to develop robust, validated, and on-time designs tailored to his application.[ES] La relevancia que la electrónica adquiere en la seguridad de los productos ha crecido inexorablemente, puesto que cada vez ésta copa una mayor influencia en la funcionalidad de los mismos. Pero, por supuesto, este hecho viene acompañado de una necesidad constante de mayores prestaciones para cumplir con los requerimientos funcionales, al tiempo que se mantienen los costes y el consumo en unos niveles reducidos. En este escenario, la industria está realizando esfuerzos para proveer una tecnología que cumpla con todas las especificaciones de potencia, consumo y precio, a costa de un incremento en la vulnerabilidad a múltiples tipos de fallos conocidos o la introducción de nuevos.
Para ofrecer una solución a los fallos nuevos y crecientes en los sistemas, los diseñadores han recurrido a técnicas tradicionalmente asociadas a sistemas críticos para la seguridad, que ofrecen en general resultados sub-óptimos. De hecho, las arquitecturas empotradas modernas ofrecen la posibilidad de optimizar las propiedades de confiabilidad al habilitar la interacción de los niveles de hardware, firmware y software en el proceso. No obstante, ese punto no está resulto todavía. Se necesitan avances en todos los niveles en la mencionada dirección para poder alcanzar los objetivos de una tolerancia a fallos flexible, robusta, resiliente y a bajo coste. El trabajo presentado aquí se centra en el nivel de hardware, con la consideración de fondo de una potencial integración en una estrategia holística.
Los esfuerzos de esta tesis se han centrado en los siguientes aspectos: (i) la introducción de modelos de fallo adicionales requeridos para la representación adecuada de efectos físicos surgentes en las tecnologías de manufactura actuales, (ii) la provisión de herramientas y métodos para la inyección eficiente de los modelos propuestos y de los clásicos, (iii) el análisis del método óptimo para estudiar la robustez de sistemas mediante el uso de inyección de fallos extensiva, y la posterior correlación con capas de más alto nivel en un esfuerzo por recortar el tiempo y coste de desarrollo, (iv) la provisión de nuevos métodos de detección para cubrir los retos planteados por los modelos de fallo propuestos, (v) la propuesta de estrategias de mitigación enfocadas hacia el tratamiento de dichos escenarios de amenaza y (vi) la introducción de una metodología automatizada de despliegue de diversos mecanismos de tolerancia a fallos de forma robusta y sistemática.
Los resultados de la presente tesis constituyen un conjunto de herramientas y métodos para ayudar al diseñador de sistemas críticos en su tarea de desarrollo de diseños robustos, validados y en tiempo adaptados a su aplicación.[CA] La rellevància que l'electrònica adquireix en la seguretat dels productes ha crescut inexorablement, puix cada volta més aquesta abasta una major influència en la funcionalitat dels mateixos. Però, per descomptat, aquest fet ve acompanyat d'un constant necessitat de majors prestacions per acomplir els requeriments funcionals, mentre es mantenen els costos i consums en uns nivells reduïts. Donat aquest escenari, la indústria està fent esforços per proveir una tecnologia que complisca amb totes les especificacions de potència, consum i preu, tot a costa d'un increment en la vulnerabilitat a diversos tipus de fallades conegudes, i a la introducció de nous tipus.
Per oferir una solució a les noves i creixents fallades als sistemes, els dissenyadors han recorregut a tècniques tradicionalment associades a sistemes crítics per a la seguretat, que en general oferixen resultats sub-òptims. De fet, les arquitectures empotrades modernes oferixen la possibilitat d'optimitzar les propietats de confiabilitat en habilitar la interacció dels nivells de hardware, firmware i software en el procés. Tot i això eixe punt no està resolt encara. Es necessiten avanços a tots els nivells en l'esmentada direcció per poder assolir els objectius d'una tolerància a fallades flexible, robusta, resilient i a baix cost. El treball ací presentat se centra en el nivell de hardware, amb la consideració de fons d'una potencial integració en una estratègia holística.
Els esforços d'esta tesi s'han centrat en els següents aspectes: (i) la introducció de models de fallada addicionals requerits per a la representació adequada d'efectes físics que apareixen en les tecnologies de fabricació actuals, (ii) la provisió de ferramentes i mètodes per a la injecció eficient del models proposats i dels clàssics, (iii) l'anàlisi del mètode òptim per estudiar la robustesa de sistemes mitjançant l'ús d'injecció de fallades extensiva, i la posterior correlació amb capes de més alt nivell en un esforç per retallar el temps i cost de desenvolupament, (iv) la provisió de nous mètodes de detecció per cobrir els reptes plantejats pels models de fallades proposats, (v) la proposta d'estratègies de mitigació enfocades cap al tractament dels esmentats escenaris d'amenaça i (vi) la introducció d'una metodologia automatitzada de desplegament de diversos mecanismes de tolerància a fallades de forma robusta i sistemàtica.
Els resultats de la present tesi constitueixen un conjunt de ferramentes i mètodes per ajudar el dissenyador de sistemes crítics en la seua tasca de desenvolupament de dissenys robustos, validats i a temps adaptats a la seua aplicació.Espinosa García, J. (2016). New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73146TESISCompendi
Robust fault tolerant control of induction motor system
Research into fault tolerant control (FTC, a set of techniques that are developed to increase plant availability and reduce the risk of safety hazards) for induction motors is motivated by practical concerns including the need for enhanced reliability, improved maintenance operations and reduced cost. Its aim is to prevent that simple faults develop into serious failure. Although, the subject of induction motor control is well known, the main topics in the literature are concerned with scalar and vector control and structural stability. However, induction machines experience various fault scenarios and to meet the above requirements FTC strategies based on existing or more advanced control methods become desirable. Some earlier studies on FTC have addressed particular problems of 3-phase sensor current/voltage FTC, torque FTC, etc. However, the development of these methods lacks a more general understanding of the overall problem of FTC for an induction motor based on a true fault classification of possible fault types.In order to develop a more general approach to FTC for induction motors, i.e. not just designing specific control approaches for individual induction motor fault scenarios, this thesis has carried out a systematic research on induction motor systems considering the various faults that can typically be present, having either “additive” fault or “multiplicative” effects on the system dynamics, according to whether the faults are sensor or actuator (additive fault) types or component or motor faults (multiplicative fault) types.To achieve the required objectives, an active approach to FTC is used, making use of fault estimation (FE, an approach that determine the magnitude of a fault signal online) and fault compensation. This approach of FTC/FE considers an integration of the electrical and mechanical dynamics, initially using adaptive and/or sliding mode observers, Linear Parameter Varying (LPV, in which nonlinear systems are locally decomposed into several linear systems scheduled by varying parameters) and then using back-stepping control combined with observer/estimation methods for handling certain forms of nonlinearity.In conclusion, the thesis proposed an integrated research of induction motor FTC/FE with the consideration of different types of faults and different types of uncertainties, and validated the approaches through simulations and experiments
RTRLIB : a high-level modeling tool for dynamically partially reconfigurable systems
Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2020.Reconfiguração dinâmica parcial é considerada uma interessante técnica a ser aplicada para o
aumento da flexibilidade de sistemas implementados em FPGA, em função da implementação
dinâmica de módulos de hardware enquanto o restante do circuito permanece em operação. Trata-
se de uma técnica utilizada em sistemas com requisitos muito restritos, como adaptabilidade,
robustez, consumo de potência, custo e tolerância à falhas. Entretanto, a complexidade de desen-
volvimento de sistemas com reconfiguração dinâmica parcial é consideravelmente alta quando
comparada à de sistemas com lógica totalmente estática. Nesse sentido, novas metodologias e
ferramentas de desenvolvimento são necessárias para reduzir a complexidade de implementação
desse tipo de sistema.
Nesse contexto, esse trabalho apresenta o RTRLib, uma ferramenta de modelagem em alto
nível para o desenvolvimento de sistemas com reconfiguração dinâmica parcial em dispositivos
Xilinx Zynq a partir da especificação e parametrização de alguns blocos. Sob condições específi-
cas, o RTRLib automaticamante produz os scripts de hardware e software para implementação da
solução utilizando o Vivado Design Suite e o SDK. Tais scripts são compostos pelos comandos
necessários para a implementação do sistema desde a criação do projeto de hardware até a criação
do arquivo de boot. Uma vez que o RTRLib é composto por IP-Cores previamente caracterizados,
a ferramenta também pode ser utilizada para a análise, em fase de modelagem, do sistema a ser
implementado, por meio da estimação de características importantes do sistema, como o consumo
de recursos e latência.
O presente trabalho também inclui novas funcionalidades implementadas no RTRLib no con-
texto do design de hardware e de software, como: generalização do script de hardware, mapea-
mento de IO, floorplanning por meio de uma GUI, criação de um gerador de script de software,
gerador de template de aplicação standalone que faz uso do partial reconfiguration controller
(PRC) e implementação de uma biblioteca para aplicações FreeRTOS.
Por fim, quatro estudos de casos foram implementados para demonstrar as funcionalidades da
ferramenta: um sistema de classificação de terrenos baseado em redes neurais, um sistema com
regressores lineares utilizado para controle de uma prótese miocinética de mão e, por último, uma
aplicação hipotética de um sistema com requisitos de tempo real.Partial dynamic reconfiguration is considered an interesting technique to increase flexibility in
FPGA designs due to the dynamic replacement of hardware modules while the remainder of the
circuit remains in operation. It is used in systems with hard requirements such as adaptability,
robustness, power consumption, cost, and fault-tolerance. However, the complexity to develop
dynamically partially reconfigurable systems in considerably higher comparing with static de-
signs. Therefore, new design methodologies and tools have been required to reduce the design
complexity of such systems.
In this context, this work presents the RTRLib, a high-level modeling tool for the development
of dynamically reconfigurable systems on Xilinx Zynq devices by a simple system specification
and parametrization of some blocks. Under specific conditions, RTRLib automatically generates
the hardware and software scripts to implement the solution using Vivado and SDK. These scripts
are composed by the sequential design steps from hardware project creation to the boot image
elaboration. Since RTRLib is composed of pre-characterized IP-Cores, the tool also can be used
to analyze the system behavior during the design process by the early estimation of essential
characteristics of the system such as resource consumption and latency.
The present work also includes the new functionalities implemented on RTRLib in the context
of the hardware and the software design, such as: hardware script generalization, IO mapping,
floorplanning by a GUI, software script creation, generator of a standalone template application
that uses PRC, and implementation of a FreeRTOS library application.
Finally, four case studies were implemented to demonstrate the tool capability: a system
for terrain classification based on neuron networks, a linear regressor system used to control a
myokinetic-based prosthetic hand, and a hypothetical real-time application
Error Detection and Diagnosis for System-on-Chip in Space Applications
Tesis por compendio de publicacionesLos componentes electrónicos comerciales, comúnmente llamados componentes
Commercial-Off-The-Shelf (COTS) están presentes en multitud de dispositivos habituales
en nuestro día a día. Particularmente, el uso de microprocesadores y sistemas en chip (SoC)
altamente integrados ha favorecido la aparición de dispositivos electrónicos cada vez más
inteligentes que sostienen el estilo de vida y el avance de la sociedad moderna. Su uso se
ha generalizado incluso en aquellos sistemas que se consideran críticos para la seguridad,
como vehículos, aviones, armamento, dispositivos médicos, implantes o centrales eléctricas.
En cualquiera de ellos, un fallo podría tener graves consecuencias humanas o económicas.
Sin embargo, todos los sistemas electrónicos conviven constantemente con factores internos
y externos que pueden provocar fallos en su funcionamiento. La capacidad de un sistema
para funcionar correctamente en presencia de fallos se denomina tolerancia a fallos, y es
un requisito en el diseño y operación de sistemas críticos.
Los vehículos espaciales como satélites o naves espaciales también hacen uso de
microprocesadores para operar de forma autónoma o semi autónoma durante su vida útil,
con la dificultad añadida de que no pueden ser reparados en órbita, por lo que se consideran
sistemas críticos. Además, las duras condiciones existentes en el espacio, y en particular
los efectos de la radiación, suponen un gran desafío para el correcto funcionamiento de los
dispositivos electrónicos. Concretamente, los fallos transitorios provocados por radiación
(conocidos como soft errors) tienen el potencial de ser una de las mayores amenazas para
la fiabilidad de un sistema en el espacio.
Las misiones espaciales de gran envergadura, típicamente financiadas públicamente
como en el caso de la NASA o la Agencia Espacial Europea (ESA), han tenido
históricamente como requisito evitar el riesgo a toda costa por encima de cualquier
restricción de coste o plazo. Por ello, la selección de componentes resistentes a la radiación
(rad-hard) específicamente diseñados para su uso en el espacio ha sido la metodología
imperante en el paradigma que hoy podemos denominar industria espacial tradicional, u
Old Space. Sin embargo, los componentes rad-hard tienen habitualmente un coste mucho
más alto y unas prestaciones mucho menores que otros componentes COTS equivalentes.
De hecho, los componentes COTS ya han sido utilizados satisfactoriamente en misiones
de la NASA o la ESA cuando las prestaciones requeridas por la misión no podían ser
cubiertas por ningún componente rad-hard existente.
En los últimos años, el acceso al espacio se está facilitando debido en gran parte a la
entrada de empresas privadas en la industria espacial. Estas empresas no siempre buscan
evitar el riesgo a toda costa, sino que deben perseguir una rentabilidad económica, por
lo que hacen un balance entre riesgo, coste y plazo mediante gestión del riesgo en un
paradigma denominado Nuevo Espacio o New Space. Estas empresas a menudo están
interesadas en entregar servicios basados en el espacio con las máximas prestaciones y el mayor beneficio posibles, para lo cual los componentes rad-hard son menos atractivos
debido a su mayor coste y menores prestaciones que los componentes COTS existentes.
Sin embargo, los componentes COTS no han sido específicamente diseñados para su uso
en el espacio y típicamente no incluyen técnicas específicas para evitar que los efectos de
la radiación afecten su funcionamiento. Los componentes COTS se comercializan tal cual
son, y habitualmente no es posible modificarlos para mejorar su resistencia a la radiación.
Además, los elevados niveles de integración de los sistemas en chip (SoC) complejos
de altas prestaciones dificultan su observación y la aplicación de técnicas de tolerancia
a fallos. Este problema es especialmente relevante en el caso de los microprocesadores.
Por tanto, existe un gran interés en el desarrollo de técnicas que permitan conocer y
mejorar el comportamiento de los microprocesadores COTS bajo radiación sin modificar
su arquitectura y sin interferir en su funcionamiento para facilitar su uso en el espacio y
con ello maximizar las prestaciones de las misiones espaciales presentes y futuras.
En esta Tesis se han desarrollado técnicas novedosas para detectar, diagnosticar y
mitigar los errores producidos por radiación en microprocesadores y sistemas en chip
(SoC) comerciales, utilizando la interfaz de traza como punto de observación. La interfaz de
traza es un recurso habitual en los microprocesadores modernos, principalmente enfocado
a soportar las tareas de desarrollo y depuración del software durante la fase de diseño. Sin
embargo, una vez el desarrollo ha concluido, la interfaz de traza típicamente no se utiliza
durante la fase operativa del sistema, por lo que puede ser reutilizada sin coste. La interfaz
de traza constituye un punto de conexión viable para observar el comportamiento de un
microprocesador de forma no intrusiva y sin interferir en su funcionamiento.
Como resultado de esta Tesis se ha desarrollado un módulo IP capaz de recabar
y decodificar la información de traza de un microprocesador COTS moderno de altas
prestaciones. El IP es altamente configurable y personalizable para adaptarse a diferentes
aplicaciones y tipos de procesadores. Ha sido diseñado y validado utilizando el dispositivo
Zynq-7000 de Xilinx como plataforma de desarrollo, que constituye un dispositivo COTS
de interés en la industria espacial. Este dispositivo incluye un procesador ARM Cortex-A9
de doble núcleo, que es representativo del conjunto de microprocesadores hard-core
modernos de altas prestaciones. El IP resultante es compatible con la tecnología ARM
CoreSight, que proporciona acceso a información de traza en los microprocesadores ARM.
El IP incorpora técnicas para detectar errores en el flujo de ejecución y en los datos de la
aplicación ejecutada utilizando la información de traza, en tiempo real y con muy baja
latencia. El IP se ha validado en campañas de inyección de fallos y también en radiación con
protones y neutrones en instalaciones especializadas. También se ha combinado con otras
técnicas de tolerancia a fallos para construir técnicas híbridas de mitigación de errores.
Los resultados experimentales obtenidos demuestran su alta capacidad de detección y
potencialidad en el diagnóstico de errores producidos por radiación.
El resultado de esta Tesis, desarrollada en el marco de un Doctorado Industrial entre
la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) y la empresa Arquimea, se ha transferido satisfactoriamente al entorno empresarial en forma de un proyecto financiado por la
Agencia Espacial Europea para continuar su desarrollo y posterior explotación.Commercial electronic components, also known as Commercial-Off-The-Shelf (COTS),
are present in a wide variety of devices commonly used in our daily life. Particularly, the
use of microprocessors and highly integrated System-on-Chip (SoC) devices has fostered
the advent of increasingly intelligent electronic devices which sustain the lifestyles and the
progress of modern society. Microprocessors are present even in safety-critical systems,
such as vehicles, planes, weapons, medical devices, implants, or power plants. In any of
these cases, a fault could involve severe human or economic consequences. However, every
electronic system deals continuously with internal and external factors that could provoke
faults in its operation. The capacity of a system to operate correctly in presence of faults
is known as fault-tolerance, and it becomes a requirement in the design and operation of
critical systems.
Space vehicles such as satellites or spacecraft also incorporate microprocessors to
operate autonomously or semi-autonomously during their service life, with the additional
difficulty that they cannot be repaired once in-orbit, so they are considered critical systems.
In addition, the harsh conditions in space, and specifically radiation effects, involve a big
challenge for the correct operation of electronic devices. In particular, radiation-induced
soft errors have the potential to become one of the major risks for the reliability of systems
in space.
Large space missions, typically publicly funded as in the case of NASA or European
Space Agency (ESA), have followed historically the requirement to avoid the risk at any
expense, regardless of any cost or schedule restriction. Because of that, the selection of
radiation-resistant components (known as rad-hard) specifically designed to be used in
space has been the dominant methodology in the paradigm of traditional space industry,
also known as “Old Space”. However, rad-hard components have commonly a much higher
associated cost and much lower performance that other equivalent COTS devices. In fact,
COTS components have already been used successfully by NASA and ESA in missions
that requested such high performance that could not be satisfied by any available rad-hard
component.
In the recent years, the access to space is being facilitated in part due to the irruption
of private companies in the space industry. Such companies do not always seek to avoid
the risk at any cost, but they must pursue profitability, so they perform a trade-off between
risk, cost, and schedule through risk management in a paradigm known as “New Space”.
Private companies are often interested in deliver space-based services with the maximum
performance and maximum benefit as possible. With such objective, rad-hard components
are less attractive than COTS due to their higher cost and lower performance.
However, COTS components have not been specifically designed to be used in space
and typically they do not include specific techniques to avoid or mitigate the radiation effects in their operation. COTS components are commercialized “as is”, so it is not
possible to modify them to improve their susceptibility to radiation effects. Moreover,
the high levels of integration of complex, high-performance SoC devices hinder their
observability and the application of fault-tolerance techniques. This problem is especially
relevant in the case of microprocessors. Thus, there is a growing interest in the development
of techniques allowing to understand and improve the behavior of COTS microprocessors
under radiation without modifying their architecture and without interfering with their
operation. Such techniques may facilitate the use of COTS components in space and
maximize the performance of present and future space missions.
In this Thesis, novel techniques have been developed to detect, diagnose, and
mitigate radiation-induced errors in COTS microprocessors and SoCs using the trace
interface as an observation point. The trace interface is a resource commonly found
in modern microprocessors, mainly intended to support software development and
debugging activities during the design phase. However, it is commonly left unused
during the operational phase of the system, so it can be reused with no cost. The trace
interface constitutes a feasible connection point to observe microprocessor behavior in a
non-intrusive manner and without disturbing processor operation.
As a result of this Thesis, an IP module has been developed capable to gather and
decode the trace information of a modern, high-end, COTS microprocessor. The IP is highly
configurable and customizable to support different applications and processor types. The
IP has been designed and validated using the Xilinx Zynq-7000 device as a development
platform, which is an interesting COTS device for the space industry. This device features a
dual-core ARM Cortex-A9 processor, which is a good representative of modern, high-end,
hard-core microprocessors. The resulting IP is compatible with the ARM CoreSight
technology, which enables access to trace information in ARM microprocessors. The IP is
able to detect errors in the execution flow of the microprocessor and in the application data
using trace information, in real time and with very low latency. The IP has been validated
in fault injection campaigns and also under proton and neutron irradiation campaigns in
specialized facilities. It has also been combined with other fault-tolerance techniques
to build hybrid error mitigation approaches. Experimental results demonstrate its high
detection capabilities and high potential for the diagnosis of radiation-induced errors.
The result of this Thesis, developed in the framework of an Industrial Ph.D. between the
University Carlos III of Madrid (UC3M) and the company Arquimea, has been successfully
transferred to the company business as a project sponsored by European Space Agency to
continue its development and subsequent commercialization.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidenta: María Luisa López Vallejo.- Secretario: Enrique San Millán Heredia.- Vocal: Luigi Di Lill
Study of the performance of fault-tolerant multi-level inverter included in shunt active power filter
Nowadays, the large number of shunt active power filters (SAPF) is installed in many grid networks to eliminate the source currents harmonics and enhance power quality. These filters are installed in different places according to the filtration requirements. The connection between SAPF and grid network has a negative effect during the open-circuit fault of the insulated gate bipolar transistor (IGBT) switch of the SAPF. This paper proposes the application of the new diagnostic method based on the trigonometric circle and mean value variations techniques to the early detection and precise location of the open-circuit fault of the IGBT switches, and the inclusion of the modified reconfigurable inverter topology to allow the perfect continuity of the filter currents, and improve the diagnostic of the open-circuit fault. A single-sided amplitude spectrum technique (SSAS) is applied on the source currents to get the THDi% value. The obtained simulation results prove, the great success of the proposed diagnostic method, the ability of the modified reconfigurable inverter to be adapted to the grid network, the short response time between the diagnosis and the reconfiguration process is about 7 ms which is very sufficient to guarantee the rapid continuity of the shunt active power filter
Improving the Robustness of Redundant Execution with Register File Randomization
[EN] Staggered Redundant execution (SRE) is a fault-tolerance mechanism that has been widely deployed in the context of safety-critical applications. SRE not only protects the system in the presence of faults but also helps relaxing safety requirements of individual elements. However, in this paper, we show that SRE does not effectively protect the system against a wide range of faults and thus, new mechanisms to increase the diversity of homogeneous cores are needed. In this paper, we propose Register File Randomization (RFR), a low-cost diversity mechanism that significantly increases the robustness of homogeneous multicores in front of common-cause faults (CCFs) and register file wearout. Our results show that RFR completely removes the failure rate for register file CCFs for certain workloads and reduces by a factor of 5X the impact of stress related register file aging for the workloads analysed. Our implementation requires less than 50 RTL lines of code and the area (FPGA logic) overhead of RFR is less than 0.2% of a 64-bit RISC-V core FPGA implementation.This work has received funding from the ECSEL Joint
Undertaking (JU) under grant agreement No 877056 and
the Agencia Estatal de Investigacion from Spain under grant agreement no. PCI2020-112092, and from the the European
Unions Horizon 2020 research and innovation programme
under grant agreement no. 871467.Tuzov, I.; Andreu, P.; Medina, L.; Picornell-Sanjuan, T.; Robles Martínez, A.; López Rodríguez, PJ.; Flich Cardo, J.... (2021). Improving the Robustness of Redundant Execution with Register File Randomization. IEEE. 1-9. https://doi.org/10.1109/ICCAD51958.2021.96434661
Resilience of an embedded architecture using hardware redundancy
In the last decade the dominance of the general computing systems market has being replaced by embedded systems with billions of units manufactured every year. Embedded systems appear in contexts where continuous operation is of utmost importance and failure can be profound.
Nowadays, radiation poses a serious threat to the reliable operation of safety-critical systems. Fault avoidance techniques, such as radiation hardening, have been commonly used in space applications. However, these components are expensive, lag behind commercial components with regards to performance and do not provide 100% fault elimination. Without fault tolerant mechanisms, many of these faults can become errors at the application or system level, which in turn, can result in catastrophic failures.
In this work we study the concepts of fault tolerance and dependability and
extend these concepts providing our own definition of resilience. We analyse the physics of radiation-induced faults, the damage mechanisms of particles and the process that leads to computing failures. We provide extensive taxonomies of 1) existing fault tolerant techniques and of 2) the effects of radiation in state-of-the-art electronics, analysing and comparing their characteristics. We propose a detailed model of faults and provide a classification of the different types of faults at various levels. We introduce an algorithm of fault tolerance and define the system states and actions necessary to implement it. We introduce novel hardware and system software techniques that provide a more efficient combination of reliability, performance and power consumption than existing techniques. We propose a new element of the system called syndrome that is the core of a resilient architecture whose software and hardware can adapt to reliable and unreliable environments. We implement a software simulator and disassembler and introduce a testing framework in combination with ERA’s assembler and commercial hardware simulators
Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems
[ES] La utilización de sistemas empotrados en cada vez más ámbitos de aplicación está llevando a que su diseño deba enfrentarse a mayores requisitos de rendimiento, consumo de energía y área (PPA). Asimismo, su utilización en aplicaciones críticas provoca que deban cumplir con estrictos requisitos de confiabilidad para garantizar su correcto funcionamiento durante períodos prolongados de tiempo. En particular, el uso de dispositivos lógicos programables de tipo FPGA es un gran desafío desde la perspectiva de la confiabilidad, ya que estos dispositivos son muy sensibles a la radiación. Por todo ello, la confiabilidad debe considerarse como uno de los criterios principales para la toma de decisiones a lo largo del todo flujo de diseño, que debe complementarse con diversos procesos que permitan alcanzar estrictos requisitos de confiabilidad.
Primero, la evaluación de la robustez del diseño permite identificar sus puntos débiles, guiando así la definición de mecanismos de tolerancia a fallos. Segundo, la eficacia de los mecanismos definidos debe validarse experimentalmente. Tercero, la evaluación comparativa de la confiabilidad permite a los diseñadores seleccionar los componentes prediseñados (IP), las tecnologías de implementación y las herramientas de diseño (EDA) más adecuadas desde la perspectiva de la confiabilidad. Por último, la exploración del espacio de diseño (DSE) permite configurar de manera óptima los componentes y las herramientas seleccionados, mejorando así la confiabilidad y las métricas PPA de la implementación resultante.
Todos los procesos anteriormente mencionados se basan en técnicas de inyección de fallos para evaluar la robustez del sistema diseñado. A pesar de que existe una amplia variedad de técnicas de inyección de fallos, varias problemas aún deben abordarse para cubrir las necesidades planteadas en el flujo de diseño. Aquellas soluciones basadas en simulación (SBFI) deben adaptarse a los modelos de nivel de implementación, teniendo en cuenta la arquitectura de los diversos componentes de la tecnología utilizada. Las técnicas de inyección de fallos basadas en FPGAs (FFI) deben abordar problemas relacionados con la granularidad del análisis para poder localizar los puntos débiles del diseño.
Otro desafío es la reducción del coste temporal de los experimentos de inyección de fallos. Debido a la alta complejidad de los diseños actuales, el tiempo experimental dedicado a la evaluación de la confiabilidad puede ser excesivo incluso en aquellos escenarios más simples, mientras que puede ser inviable en aquellos procesos relacionados con la evaluación de múltiples configuraciones alternativas del diseño.
Por último, estos procesos orientados a la confiabilidad carecen de un soporte instrumental que permita cubrir el flujo de diseño con toda su variedad de lenguajes de descripción de hardware, tecnologías de implementación y herramientas de diseño.
Esta tesis aborda los retos anteriormente mencionados con el fin de integrar, de manera eficaz, estos procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño. Primeramente, se proponen nuevos métodos de inyección de fallos que permiten una evaluación de la confiabilidad, precisa y detallada, en diferentes niveles del flujo de diseño. Segundo, se definen nuevas técnicas para la aceleración de los experimentos de inyección que mejoran su coste temporal. Tercero, se define dos estrategias DSE que permiten configurar de manera óptima (desde la perspectiva de la confiabilidad) los componentes IP y las herramientas EDA, con un coste experimental mínimo. Cuarto, se propone un kit de herramientas que automatiza e incorpora con eficacia los procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño semicustom. Finalmente, se demuestra la utilidad y eficacia de las propuestas mediante un caso de estudio en el que se implementan tres procesadores empotrados en un FPGA de Xilinx serie 7.[CA] La utilització de sistemes encastats en cada vegada més àmbits d'aplicació està portant al fet que el seu disseny haja d'enfrontar-se a majors requisits de rendiment, consum d'energia i àrea (PPA). Així mateix, la seua utilització en aplicacions crítiques provoca que hagen de complir amb estrictes requisits de confiabilitat per a garantir el seu correcte funcionament durant períodes prolongats de temps. En particular, l'ús de dispositius lògics programables de tipus FPGA és un gran desafiament des de la perspectiva de la confiabilitat, ja que aquests dispositius són molt sensibles a la radiació. Per tot això, la confiabilitat ha de considerar-se com un dels criteris principals per a la presa de decisions al llarg del tot flux de disseny, que ha de complementar-se amb diversos processos que permeten aconseguir estrictes requisits de confiabilitat.
Primer, l'avaluació de la robustesa del disseny permet identificar els seus punts febles, guiant així la definició de mecanismes de tolerància a fallades. Segon, l'eficàcia dels mecanismes definits ha de validar-se experimentalment. Tercer, l'avaluació comparativa de la confiabilitat permet als dissenyadors seleccionar els components predissenyats (IP), les tecnologies d'implementació i les eines de disseny (EDA) més adequades des de la perspectiva de la confiabilitat. Finalment, l'exploració de l'espai de disseny (DSE) permet configurar de manera òptima els components i les eines seleccionats, millorant així la confiabilitat i les mètriques PPA de la implementació resultant.
Tots els processos anteriorment esmentats es basen en tècniques d'injecció de fallades per a poder avaluar la robustesa del sistema dissenyat. A pesar que existeix una àmplia varietat de tècniques d'injecció de fallades, diverses problemes encara han d'abordar-se per a cobrir les necessitats plantejades en el flux de disseny. Aquelles solucions basades en simulació (SBFI) han d'adaptar-se als models de nivell d'implementació, tenint en compte l'arquitectura dels diversos components de la tecnologia utilitzada. Les tècniques d'injecció de fallades basades en FPGAs (FFI) han d'abordar problemes relacionats amb la granularitat de l'anàlisi per a poder localitzar els punts febles del disseny.
Un altre desafiament és la reducció del cost temporal dels experiments d'injecció de fallades. A causa de l'alta complexitat dels dissenys actuals, el temps experimental dedicat a l'avaluació de la confiabilitat pot ser excessiu fins i tot en aquells escenaris més simples, mentre que pot ser inviable en aquells processos relacionats amb l'avaluació de múltiples configuracions alternatives del disseny.
Finalment, aquests processos orientats a la confiabilitat manquen d'un suport instrumental que permeta cobrir el flux de disseny amb tota la seua varietat de llenguatges de descripció de maquinari, tecnologies d'implementació i eines de disseny.
Aquesta tesi aborda els reptes anteriorment esmentats amb la finalitat d'integrar, de manera eficaç, aquests processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny. Primerament, es proposen nous mètodes d'injecció de fallades que permeten una avaluació de la confiabilitat, precisa i detallada, en diferents nivells del flux de disseny. Segon, es defineixen noves tècniques per a l'acceleració dels experiments d'injecció que milloren el seu cost temporal. Tercer, es defineix dues estratègies DSE que permeten configurar de manera òptima (des de la perspectiva de la confiabilitat) els components IP i les eines EDA, amb un cost experimental mínim. Quart, es proposa un kit d'eines (DAVOS) que automatitza i incorpora amb eficàcia els processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny semicustom. Finalment, es demostra la utilitat i eficàcia de les propostes mitjançant un cas d'estudi en el qual s'implementen tres processadors encastats en un FPGA de Xilinx serie 7.[EN] Embedded systems are steadily extending their application areas, dealing with increasing requirements in performance, power consumption, and area (PPA). Whenever embedded systems are used in safety-critical applications, they must also meet rigorous dependability requirements to guarantee their correct operation during an extended period of time. Meeting these requirements is especially challenging for those systems that are based on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), since they are very susceptible to Single Event Upsets. This leads to increased dependability threats, especially in harsh environments. In such a way, dependability should be considered as one of the primary criteria for decision making throughout the whole design flow, which should be complemented by several dependability-driven processes.
First, dependability assessment quantifies the robustness of hardware designs against faults and identifies their weak points. Second, dependability-driven verification ensures the correctness and efficiency of fault mitigation mechanisms. Third, dependability benchmarking allows designers to select (from a dependability perspective) the most suitable IP cores, implementation technologies, and electronic design automation (EDA) tools. Finally, dependability-aware design space exploration (DSE) allows to optimally configure the selected IP cores and EDA tools to improve as much as possible the dependability and PPA features of resulting implementations.
The aforementioned processes rely on fault injection testing to quantify the robustness of the designed systems. Despite nowadays there exists a wide variety of fault injection solutions, several important problems still should be addressed to better cover the needs of a dependability-driven design flow. In particular, simulation-based fault injection (SBFI) should be adapted to implementation-level HDL models to take into account the architecture of diverse logic primitives, while keeping the injection procedures generic and low-intrusive. Likewise, the granularity of FPGA-based fault injection (FFI) should be refined to the enable accurate identification of weak points in FPGA-based designs.
Another important challenge, that dependability-driven processes face in practice, is the reduction of SBFI and FFI experimental effort. The high complexity of modern designs raises the experimental effort beyond the available time budgets, even in simple dependability assessment scenarios, and it becomes prohibitive in presence of alternative design configurations.
Finally, dependability-driven processes lack an instrumental support covering the semicustom design flow in all its variety of description languages, implementation technologies, and EDA tools. Existing fault injection tools only partially cover the individual stages of the design flow, being usually specific to a particular design representation level and implementation technology.
This work addresses the aforementioned challenges by efficiently integrating dependability-driven processes into the design flow. First, it proposes new SBFI and FFI approaches that enable an accurate and detailed dependability assessment at different levels of the design flow. Second, it improves the performance of dependability-driven processes by defining new techniques for accelerating SBFI and FFI experiments. Third, it defines two DSE strategies that enable the optimal dependability-aware tuning of IP cores and EDA tools, while reducing as much as possible the robustness evaluation effort. Fourth, it proposes a new toolkit (DAVOS) that automates and seamlessly integrates the aforementioned dependability-driven processes into the semicustom design flow. Finally, it illustrates the usefulness and efficiency of these proposals through a case study consisting of three soft-core embedded processors implemented on a Xilinx 7-series SoC FPGA.Tuzov, I. (2020). Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159883TESI
- …