Restoring Reliability in Fault Tolerant Reconfigurable Systems

The new generations of SRAM-based FPGAdevices, built on nanometer technology, are thepreferred choice for the implementation ofreconfigurable computing platforms. However,smaller technological scales increase theirvulnerability to manufacturing imperfections andhence to the occurrence of electromigration.Moreover, the large internal RAM (for configurationpurposes or as embedded memory blocks) makesthem more prone to soft errors.The incorporation of self-reconfigurationcapabilities in recent FPGAs, allied to the use of softand hard microprocessor cores, facilitates the offsetof these vulnerabilities by enabling the developmentof self-restoring fault tolerant reconfigurablesystems. In the methodology presented in this paper,the embedded microprocessor is also responsible forthe implementation of online self-test-and-repairstrategies, based on modular redundancy and onself-reconfiguration. The detection of faults, causedby soft or hard errors, may be followed by repairingactions, depending on the fault type. This approachleads to smoother system degradation, extending itslifetime and improving its reliability

ASSESSING AND IMPROVING THE RELIABILITY AND SECURITY OF CIRCUITS AFFECTED BY NATURAL AND INTENTIONAL FAULTS

The reliability and security vulnerability of modern electronic systems have emerged as concerns due to the increasing natural and intentional interferences. Radiation of high-energy charged particles generated from space environment or packaging materials on the substrate of integrated circuits results in natural faults. As the technology scales down, factors such as critical charge, voltage supply, and frequency change tremendously that increase the sensitivity of integrated circuits to natural faults even for systems operating at sea level. An attacker is able to simulate the impact of natural faults and compromise the circuit or cause denial of service. Therefore, instead of utilizing different approaches to counteract the effect of natural and intentional faults, a unified countermeasure is introduced. The unified countermeasure thwarts the impact of both reliability and security threats without paying the price of more area overhead, power consumption, and required time. This thesis first proposes a systematic analysis method to assess the probability of natural faults propagating the circuit and eventually being latched. The second part of this work focuses on the methods to thwart the impact of intentional faults in cryptosystems. We exploit a power-based side-channel analysis method to analyze the effect of the existing fault detection methods for natural faults on fault attack. Countermeasures for different security threats on cryptosystems are investigated separately. Furthermore, a new micro-architecture is proposed to thwart the combination of fault attacks and side-channel attacks, reducing the fault bypass rate and slowing down the key retrieval speed. The third contribution of this thesis is a unified countermeasure to thwart the impact of both natural faults and attacks. The unified countermeasure utilizes dynamically alternated multiple generator polynomials for the cyclic redundancy check (CRC) codec to resist the reverse engineering attack

Techniques pour l'évaluation et l'amélioration du comportement des technologies émergentes face aux fautes aléatoires

The main objective of this thesis is to develop analysis and mitigation techniques that can be used to face the effects of radiation-induced soft errors - external and internal disturbances produced by radioactive particles, affecting the reliability and safety in operation complex microelectronic circuits. This thesis aims to provide industrial solutions and methodologies for the areas of terrestrial applications requiring ultimate reliability (telecommunications, medical devices, ...) to complement previous work on Soft Errors traditionally oriented aerospace, nuclear and military applications.The work presented uses a decomposition of the error sources, inside the current circuits, to highlight the most important contributors.Single Event Effects in sequential logic cells represent the current target for analysis and improvement efforts in both industry and academia. This thesis presents a state-aware analysis methodology that improves the accuracy of Soft Error Rate data for individual sequential instances based on the circuit and application. Furthermore, the intrinsic imbalance between the SEU susceptibility of different flip-flop states is exploited to implement a low-cost SER improvement strategy.Single Event Transients affecting combinational logic are considerably more difficult to model, simulate and analyze than the closely-related Single Event Upsets. The working environment may cause a myriad of distinctive transient pulses in various cell types that are used in widely different configurations. This thesis presents practical approach to a possible exhaustive Single Event Transient evaluation flow in an industrial setting. The main steps of this process consists in: a) fully characterize the standard cell library using a process and library-aware SER tool, b) evaluate SET effects in the logic networks of the circuit using a variety dynamic (simulation-based) and static (probabilistic) methods and c) compute overall SET figures taking into account the particularities of the implementation of the circuit and its environment.Fault-injection remains the primary method for analyzing the effects of soft errors. This document presents the results of functional analysis of a complex CPU. Three representative benchmarks were considered for this analysis. Accelerated simulation techniques (probabilistic calculations, clustering, parallel simulations) have been proposed and evaluated in order to develop an industrial validation environment, able to take into account very complex circuits. The results obtained allowed the development and evaluation of a hypothetical mitigation scenario that aims to significantly improve the reliability of the circuit at the lowest cost.The results obtained show that the error rate, SDC (Silent Data Corruption) and DUE (Detectable Uncorrectable Errors) can be significantly reduced by hardening a small part of the circuit (Selective mitigation).In addition to the main axis of research, some tangential topics were studied in collaboration with other teams. One of these consisted in the study of a technique for the mitigation of flip-flop soft-errors through an optimization of the Temporal De-Rating (TDR) by selectively inserting delay on the input or output of flip-flops.The Methodologies, the algorithms and the CAD tools proposed and validated as part of the work are intended for industrial use and have been included in a commercial CAD framework that offers a complete solution for assessing the reliability of circuits and complex electronic systems.L'objectif principal de cette thèse est de développer des techniques d'analyse et mitigation capables à contrer les effets des Evènements Singuliers (Single Event Effects) - perturbations externes et internes produites par les particules radioactives, affectant la fiabilité et la sureté en fonctionnement des circuits microélectroniques complexes. Cette thèse à la vocation d'offrir des solutions et méthodologies industrielles pour les domaines d'applications terrestres exigeant une fiabilité ultime (télécommunications, dispositifs médicaux, ...) en complément des travaux précédents sur les Soft Errors, traditionnellement orientés vers les applications aérospatiales, nucléaires et militaires.Les travaux présentés utilisent une décomposition de sources d'erreurs dans les circuits actuels, visant à mettre en évidence les contributeurs les plus importants.Les upsets (SEU) - Evènements Singuliers (ES) dans les cellules logiques séquentielles représentent actuellement la cible principale pour les efforts d'analyse et d'amélioration à la fois dans l'industrie et dans l'académie. Cette thèse présente une méthodologie d'analyse basée sur la prise en compte de la sensibilité de chaque état logique d'une cellule (state-awareness), approche qui améliore considérablement la précision des résultats concernant les taux des évènements pour les instances séquentielles individuelles. En outre, le déséquilibre intrinsèque entre la susceptibilité des différents états des bascules est exploité pour mettre en œuvre une stratégie d'amélioration SER à très faible coût.Les fautes transitoires (SET) affectant la logique combinatoire sont beaucoup plus difficiles à modéliser, à simuler et à analyser que les SEUs. L'environnement radiatif peut provoquer une multitude d'impulsions transitoires dans les divers types de cellules qui sont utilisés en configurations multiples. Cette thèse présente une approche pratique pour l'analyse SET, applicable à des circuits industriels très complexes. Les principales étapes de ce processus consiste à: a) caractériser complètement la bibliothèque de cellules standard, b) évaluer les SET dans les réseaux logiques du circuit en utilisant des méthodes statiques et dynamiques et c) calculer le taux SET global en prenant en compte les particularités de l'implémentation du circuit et de son environnement.L'injection de fautes reste la principale méthode d'analyse pour étudier l'impact des fautes, erreurs et disfonctionnements causés par les évènements singuliers. Ce document présente les résultats d'une analyse fonctionnelle d'un processeur complexe dans la présence des fautes et pour une sélection d'applications (benchmarks) représentatifs. Des techniques d'accélération de la simulation (calculs probabilistes, clustering, simulations parallèles) ont été proposées et évalués afin d'élaborer un environnement de validation industriel, capable à prendre en compte des circuits très complexes. Les résultats obtenus ont permis l'élaboration et l'évaluation d'un hypothétique scénario de mitigation qui vise à améliorer sensiblement, et cela au moindre coût, la fiabilité du circuit sous test. Les résultats obtenus montrent que les taux d'erreur, SDC (Silent Data Corruption) et DUE (Detectable Uncorrectable Errors) peuvent être considérablement réduits par le durcissement d'un petite partie du circuit (protection sélective). D'autres techniques spécifiques ont été également déployées: mitigation du taux de soft-errors des Flip-Flips grâce à une optimisation du Temporal De-Rating par l'insertion sélective de retard sur l'entrée ou la sortie des bascules et biasing du circuit pour privilégier les états moins sensibles.Les méthodologies, algorithmes et outils CAO proposés et validés dans le cadre de ces travaux sont destinés à un usage industriel et ont été valorisés dans le cadre de plateforme CAO commerciale visant à offrir une solution complète pour l'évaluation de la fiabilité des circuits et systèmes électroniques complexes

Techniques d'abstraction pour l'analyse et la mitigation des effets dus à la radiation

The main objective of this thesis is to develop techniques that can beused to analyze and mitigate the effects of radiation-induced soft errors in industrialscale integrated circuits. To achieve this goal, several methods have been developedbased on analyzing the design at higher levels of abstraction. These techniquesaddress both sequential and combinatorial SER.Fault-injection simulations remain the primary method for analyzing the effectsof soft errors. In this thesis, techniques which significantly speed-up fault-injectionsimulations are presented. Soft errors in flip-flops are typically mitigated by selectivelyreplacing the most critical flip-flops with hardened implementations. Selectingan optimal set to harden is a compute intensive problem and the second contributionconsists of a clustering technique which significantly reduces the number offault-injections required to perform selective mitigation.In terrestrial applications, the effect of soft errors in combinatorial logic hasbeen fairly small. It is known that this effect is growing, yet there exist few techniqueswhich can quickly estimate the extent of combinatorial SER for an entireintegrated circuit. The third contribution of this thesis is a hierarchical approachto combinatorial soft error analysis.Systems-on-chip are often developed by re-using design-blocks that come frommultiple sources. In this context, there is a need to develop and exchange reliabilitymodels. The final contribution of this thesis consists of an application specificmodeling language called RIIF (Reliability Information Interchange Format). Thislanguage is able to model how faults at the gate-level propagate up to the block andchip-level. Work is underway to standardize the RIIF modeling language as well asto extend it beyond modeling of radiation-induced failures.In addition to the main axis of research, some tangential topics were studied incollaboration with other teams. One of these consisted in the development of a novelapproach for protecting ternary content addressable memories (TCAMs), a specialtype of memory important in networking applications. The second supplementalproject resulted in an algorithm for quickly generating approximate redundant logicwhich can protect combinatorial networks against permanent faults. Finally anapproach for reducing the detection time for errors in the configuration RAM forField-Programmable Gate-Arrays (FPGAs) was outlined.Les effets dus à la radiation peuvent provoquer des pannes dans des circuits intégrés. Lorsqu'une particule subatomique, fait se déposer une charge dans les régions sensibles d'un transistor cela provoque une impulsion de courant. Cette impulsion peut alors engendrer l'inversion d'un bit ou se propager dans un réseau de logique combinatoire avant d'être échantillonnée par une bascule en aval.Selon l'état du circuit au moment de la frappe de la particule et selon l'application, cela provoquera une panne observable ou non. Parmi les événements induits par la radiation, seule une petite portion génère des pannes. Il est donc essentiel de déterminer cette fraction afin de prédire la fiabilité du système. En effet, les raisons pour lesquelles une perturbation pourrait être masquée sont multiples, et il est de plus parfois difficile de préciser ce qui constitue une erreur. A cela s'ajoute le fait que les circuits intégrés comportent des milliards de transistors. Comme souvent dans le contexte de la conception assisté par ordinateur, les approches hiérarchiques et les techniques d'abstraction permettent de trouver des solutions.Cette thèse propose donc plusieurs nouvelles techniques pour analyser les effets dus à la radiation. La première technique permet d'accélérer des simulations d'injections de fautes en détectant lorsqu'une faute a été supprimée du système, permettant ainsi d'arrêter la simulation. La deuxième technique permet de regrouper en ensembles les éléments d'un circuit ayant une fonction similaire. Ensuite, une analyse au niveau des ensemble peut être faite, identifiant ainsi ceux qui sont les plus critiques et qui nécessitent donc d'être durcis. Le temps de calcul est ainsi grandement réduit.La troisième technique permet d'analyser les effets des fautes transitoires dans les circuits combinatoires. Il est en effet possible de calculer à l'avance la sensibilité à des fautes transitoires de cellules ainsi que les effets de masquage dans des blocs fréquemment utilisés. Ces modèles peuvent alors être combinés afin d'analyser la sensibilité de grands circuits. La contribution finale de cette thèse consiste en la définition d'un nouveau langage de modélisation appelé RIIF (Reliability Information Ineterchange Format). Ce langage permet de décrire le taux des fautes dans des composants simples en fonction de leur environnement de fonctionnement. Ces composants simples peuvent ensuite être combinés permettant ainsi de modéliser la propagation de leur fautes vers des pannes au niveau système. En outre, l'utilisation d'un langage standard facilite l'échange de données de fiabilité entre les partenaires industriels.Au-delà des contributions principales, cette thèse aborde aussi des techniques permettant de protéger des mémoires associatives ternaires (TCAMs). Les approches classiques de protection (codes correcteurs) ne s'appliquent pas directement. Une des nouvelles techniques proposées consiste à utiliser une structure de données qui peut détecter, d'une manière statistique, quand le résultat n'est pas correct. La probabilité de détection peut être contrôlée par le nombre de bits alloués à cette structure. Une autre technique consiste à utiliser un détecteur de courant embarqué (BICS) afin de diriger un processus de fond directement vers le région touchée par une erreur. La contribution finale consiste en un algorithme qui permet de synthétiser de la logique combinatoire afin de protéger des circuits combinatoires contre les fautes transitoires.Dans leur ensemble, ces techniques facilitent l'analyse des erreurs provoquées par les effets dus à la radiation dans les circuits intégrés, en particulier pour les très grands circuits composés de blocs provenant de divers fournisseurs. Des techniques pour mieux sélectionner les bascules/flip-flops à durcir et des approches pour protéger des TCAMs ont étés étudiées

Design, Analysis and Test of Logic Circuits under Uncertainty.

Integrated circuits are increasingly susceptible to uncertainty caused by soft errors, inherently probabilistic devices, and manufacturing variability. As device technologies scale, these effects become detrimental to circuit reliability. In order to address this, we develop methods for analyzing, designing, and testing circuits subject to probabilistic effects. Our main contributions are: 1) a fast, soft-error rate (SER) analyzer that uses functional-simulation signatures to capture error effects, 2) novel design techniques that improve reliability using little area and performance overhead, 3) a matrix-based reliability-analysis framework that captures many types of probabilistic faults, and 4) test-generation/compaction methods aimed at probabilistic faults in logic circuits. SER analysis must account for the main error-masking mechanisms in ICs: logic, timing, and electrical masking. We relate logic masking to node testability of the circuit and utilize functional-simulation signatures, i.e., partial truth tables, to efficiently compute estability (signal probability and observability). To account for timing masking, we compute error-latching windows (ELWs) from timing analysis information. Electrical masking is incorporated into our estimates through derating factors for gate error probabilities. The SER of a circuit is computed by combining the effects of all three masking mechanisms within our SER analyzer called AnSER. Using AnSER, we develop several low-overhead techniques that increase reliability, including: 1) an SER-aware design method that uses redundancy already present within the circuit, 2) a technique that resynthesizes small logic windows to improve area and reliability, and 3) a post-placement gate-relocation technique that increases timing masking by decreasing ELWs. We develop the probabilistic transfer matrix (PTM) modeling framework to analyze effects beyond soft errors. PTMs are compressed into algebraic decision diagrams (ADDs) to improve computational efficiency. Several ADD algorithms are developed to extract reliability and error susceptibility information from PTMs representing circuits. We propose new algorithms for circuit testing under probabilistic faults, which require a reformulation of existing test techniques. For instance, a test vector may need to be repeated many times to detect a fault. Also, different vectors detect the same fault with different probabilities. We develop test generation methods that account for these differences, and integer linear programming (ILP) formulations to optimize test sets.Ph.D.Computer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/61584/1/smita_1.pd

Simulating Single Event Transients in VDSM ICs for Ground Level Radiation

This work considers a tool for simulating single event transients produced by ground level radiation in VDSM ICs. Fault injection procedures and a fast fault simulation algorithm for transient faults were implemented around an event driven simulator. A statistical analysis was implemented to organize data sampled from simulations. The performance evaluation of the algorithm shows that for a large number of fault injections, the algorithm is much faster than a serial fault simulation approach

Simulating single event transients in DVSM ICs for ground level radiation

International audienceThis work considers a tool for simulating single event transients produced by ground level radiation in VDSM ICs. Fault injection procedures and a fast fault simulation algorithm for transient faults were implemented around an event driven simulator. A statistical analysis was implemented to organize data sampled from simulations. The performance evaluation of the algorithm shows that for a large number of fault injections, the algorithm is much faster than a serial fault simulation approach

Mise en œuvre et caractérisation d'une méthode d'injection de pannes à haut niveau d'abstraction

De nos jours, l’effet des rayons cosmiques sur l’électronique est connu. De nombreuses études ont démontré que les neutrons étaient la cause principale des erreurs non destructives sur les circuits intégrés à bord des avions. De plus, la réduction de la taille des transistors rend les circuits de plus en plus sensibles à ces derniers. Les circuits tolérants aux radiations sont parfois utilisés afin d’améliorer la robustesse des circuits. Cependant, ces circuits sont coûteux et leur technologie tend à être en retard de quelques générations par rapport aux circuits non tolérants. Les concepteurs préfèrent donc utiliser des circuits conventionnels et appliquent des méthodes de mitigation afin d’améliorer la tolérance aux erreurs passagères. Tout au long de la conception d’un circuit, il est indispensable d’en analyser et d’en vérifier la fiabilité. Les méthodologies conventionnelles de conception ont besoin d’être adaptées afin d’évaluer la tolérance aux erreurs non destructives causées par les radiations. Aujourd’hui, les concepteurs ont besoin de nouveaux outils et de nouvelles méthodologies afin de valider leurs stratégies de mitigation dans le but de satisfaire leurs exigences de tolérance. Dans ce mémoire, une nouvelle méthodologie permettant de capturer à bas niveau d’abstraction le comportement fautif d’un circuit et de l’appliquer à plus haut niveau est proposée. Pour cela, le nouveau concept de Signature du comportement fautif d’un circuit est présenté. Une Signature permet de créer, à haut niveau d’abstraction (niveau système) des modèles qui reflètent avec précision le comportement fautif d’un circuit appris à bas niveau, au niveau portes logiques. Les comportements fautifs d’un additionneur et d’un multiplicateur 8 bits ont été reproduits sous Simulink avec respectivement des coefficients de corrélation de 98,53 % et 99,86 %. Une méthodologie permettant de générer une bibliothèque de composants fautifs sous Simulink est proposée dans le but de permettre aux concepteurs de vérifier la tolérance de leurs modèles tôt lors de la conception d’un circuit. Les résultats ainsi obtenus pour trois circuits sont présentés et critiqués tout au long de ce mémoire. Dans le cadre de ce projet, un article scientifique a été publié à la conférence NEWCAS 2013 (Robache et al., 2013). Ce travail présente le nouveau concept de Signature du comportement fautif, la méthodologie de génération de Signatures développée ainsi qu’une preuve de concept avec un multiplicateur 8 bits

Generalized averaged Gaussian quadrature and applications

A simple numerical method for constructing the optimal generalized averaged Gaussian quadrature formulas will be presented. These formulas exist in many cases in which real positive GaussKronrod formulas do not exist, and can be used as an adequate alternative in order to estimate the error of a Gaussian rule. We also investigate the conditions under which the optimal averaged Gaussian quadrature formulas and their truncated variants are internal