Fault tolerant design implementation on radiation hardened by design SRAM-Based FPGAs

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Aeronautics and Astronautics, 2013.This electronic version was submitted and approved by the author's academic department as part of an electronic thesis pilot project. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections."June 2013." Cataloged from department-submitted PDF version of thesisIncludes bibliographical references (p. 197-204).SRAM-based FPGAs are highly attractive for space applications due to their in-flight reconfigurability, decreased development time and cost, and increased design and testing flexibility. The Xilinx Virtex-5QV is the first commercially available Radiation Hardened By Design (RHBD) SRAM-based FPGA; however, not all of its internal components are hardened against radiation-induced errors. This thesis examines and quantifies the additional considerations and techniques designers should employ with a RHBD SRAM-based FPGA in a space-based processing system to achieve high operational reliability. Additionally, this work presents the application of some of these techniques to the embedded avionics design of the REXIS imaging payload on the OSIRIS-REx asteroid sample return mission.by Frank Hall Schmidt, Jr.S.M

Design and evaluation of buffered triple modular redundancy in interleaved-multi-threading processors

Fault management in digital chips is a crucial aspect of functional safety. Significant work has been done on gate and microarchitecture level triple modular redundancy, and on functional redundancy in multi-core and simultaneous-multi-threading processors, whereas little has been done to quantify the fault tolerance potential of interleaved-multi-threading. In this study, we apply the temporal-spatial triple modular redundancy concept to interleaved-multi-threading processors through a design solution that we call Buffered triple modular redundancy, using the soft-core Klessydra-T03 as the basis for our experiments. We then illustrate the quantitative findings of a large fault-injection simulation campaign on the fault-tolerant core and discuss the vulnerability comparison with previous representative fault-tolerant designs. The results show that the obtained resilience is comparable to a full triple modular redundancy at the cost of execution cycle count overhead instead of hardware overhead, yet with higher achievable clock frequency

Fault tolerance in WBAN applications

One of the most promising applications of IoT is Wireless Body Area Net-works (WBANs) in medical applications. They allow physiological signals monitoring of patients without the presence of nearby medical personnel. Furthermore, WBANs enable feedback action to be taken either periodically or event-based following the Networked Control Systems (NCSs) techniques. This thesis first presents the architecture of a fault tolerant WBAN. Sensors data are sent over two redundant paths to be processed, analyzed and monitored. The two main communication protocols utilized in this system are Low power Wi-Fi (IEEE 802.11n) and Long Term Evolution (LTE). Riverbed Modeler is used to study the system’s behavior. Simulation results are collected with 95% confidence analysis on 33 runs on different initial seeds. It is proven that the system is fully operational. It is then shown that the system can withstand interference and system’s performance is quantified. Results indicate that the system succeeds in meeting all required control criteria in the presence of two different interference models. The second contribution of this thesis is the design of an FPGA-based smart band for health monitoring applications in WBANs. This FPGA-based smart band has a softcore processor and its allocated SRAM block as well as auxiliary modules. A novel scheme for full initial configuration and Dynamic Partial Reconfiguration through the WLAN network is integrated into this design. Fault tolerance techniques are used to mitigate transient faults such as Single Event Upsets (SEUs) and Multiple Event Upsets (MEUs). The system is studied in a normal environment as well as in a harsh environment. System availability is then obtained using Markov Models and a case study is presented

A Methodology for Accelerating FPGA Fault Injection Campaign Using ICAP

The increasing complexity of System-on-Chip (SoC) and the ongoing technology miniaturization on Integrated Circuit (IC) manufacturing processes makes modern SoCs more susceptible to Single-Event Effects (SEE) caused by radiation, even at sea level. To provide realistic estimates at a low cost, efficient analysis techniques capable of replicating SEEs are required. Among these methods, fault injection through emulation using Field-Programmable Gate Array (FPGA) enables campaigns to be run on a Circuit Under Test (CUT). This paper investigates the use of an FPGA architecture to speed up the execution of fault campaigns. As a result, a new methodology for mapping the CUT occupation on the FPGA is proposed, significantly reducing the total number of faults to be injected. In addition, a fault injection technique/flow is proposed to demonstrate the benefits of cutting-edge approaches. The presented technique emulates Single-Event Transient (SET) in all combinatorial elements of the CUT using the Internal Configuration Access Port (ICAP) of Xilinx FPGAs.N/

Survey of Lockstep based Mitigation Techniques for Soft Errors in Embedded Systems

Soft errors are one of the significant design technology challenges at smaller technology nodes and especially in radiation enviro nments. This paper presents a particular class of approaches to provide reliability against radiation-induced soft errors. The paper provides a review of the lockstep mechanism across different levels of design abstraction: processor design, architectural level, and the software level. This work explores techniques providing modifications in the processor pipeline, techniques allied with FPGA dynamic reconfiguration strategies and different types of spatial redundancy

Contributions to the fault tolerance of soft-core processors implemented in SRAM-based FPGA Systems.

239 p.Gracias al desarrollo de las tecnologías de diseño y fabricación, los circuitos electrónicos han llegado a grandes niveles de integración. De esta forma, hoy en día es posible implementar completos y complejos sistemas dentro de un único dispositivo incorporando gran variedad de elementos como: procesadores, osciladores, lazos de seguimiento de fase (PLLs), interfaces, conversores ADC y DAC, módulos de memoria, etc. A este concepto de diseño se le denomina comúnmente SoC (System-on-Chip). Una de las plataformas para implementar estos sistemas que más importancia está cobrando son las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Históricamente la plataforma más utilizada para albergar los SoCs han sido las ASICs (Application- Specific Integrated Circuits), debido a su bajo consumo energético y su gran rendimiento. No obstante, su costoso proceso de desarrollo y fabricación hace que solo sean rentables en el caso de producciones masivas. Las FPGAs, por el contrario, al ser dispositivos configurables ofrecen, la posibilidad de implementar diseños personalizados a un coste mucho más reducido. Por otro lado, los continuos avances en la tecnología de las FPGAs están haciendo que éstas compitan con las ASICs a nivel de prestaciones (consumo, nivel de integración y eficiencia). Ciertas tecnologías de FPGA, como las SRAM y Flash, poseen una característica que las hace especialmente interesantes en multitud de diseños: la capacidad de reconfiguración. Dicha característica, que incluso puede ser realizada de forma autónoma, permite cambiar completamente el diseño hardware implementado con solo cargar en la FPGA un archivo de configuración denominado bitstream. La reconfiguración puede incluso permitir modificar una parte del circuito configurado en la matriz de la FPGA, mientras el resto del circuito implementado continua inalterado. Esto que se conoce como reconfiguración parcial dinámica, posibilita que un mismo chip albergue en su interior numerosos diseños hardware que pueden ser cargados a demanda. Gracias a la capacidad de reconfiguración, las FPGAs ofrecen numerosas ventajas como: posibilidad de personalización de diseños, capacidad de readaptación durante el funcionamiento para responder a cambios o corregir errores, mitigación de obsolescencia, diferenciación, menores costes de diseño o reducido tiempo para el lanzamiento de productos al mercado. Los SoC basados en FPGAs allanan el camino hacia un nuevo concepto de integración de hardware y software, permitiendo que los diseñadores de sistemas electrónicos sean capaces de integrar procesadores embebidos en los diseños para beneficiarse de su gran capacidad de computación. Gracias a esto, una parte importante de la electrónica hace uso de la tecnología FPGA abarcando un gran abanico de campos, como por ejemplo: la electrónica de consumo y el entretenimiento, la medicina o industrias como la espacial, la aviónica, la automovilística o la militar. Las tecnologías de FPGA existentes ofrecen dos vías de utilización de procesado- res embebidos: procesadores hardcore y procesadores softcore. Los hardcore son procesadores discretos integrados en el mismo chip de la FPGA. Generalmente ofrecen altas frecuencias de trabajo y una mayor previsibilidad en términos de rendimiento y uso del área, pero su diseño hardware no puede alterarse para ser personalizado. Por otro lado, un procesador soft-core, es la descripción hardware en lenguaje HDL (normalmente VDHL o Verilog) de un procesador, sintetizable e implementable en una FPGA. Habitualmente, los procesadores softcore suelen basarse en diseños hardware ya existentes, siendo compatibles con sus juegos de instrucciones, muchos de ellos en forma de IP cores (Intellectual Property co- res). Los IP cores ofrecen procesadores softcore prediseñados y testeados, que dependiendo del caso pueden ser de pago, gratuitos u otro tipo de licencias. Debido a su naturaleza, los procesadores softcore, pueden ser personalizados para una adaptación óptima a diseños específicos. Así mismo, ofrecen la posibilidad de integrar en el diseño tantos procesadores como se desee (siempre que haya disponibles recursos lógicos suficientes). Otra ventaja importante es que, gracias a la reconfiguración parcial dinámica, es posible añadir el procesador al diseño únicamente en los casos necesarios, ahorrando de esta forma, recursos lógicos y consumo energético. Uno de los mayores problemas que surgen al usar dispositivos basados en las tecnologías SRAM o la flash, como es el caso de las FPGAs, es que son especialmente sensibles a los efectos producidos por partículas energéticas provenientes de la radiación cósmica (como protones, neutrones, partículas alfa u otros iones pesados) denominados efectos de eventos simples o SEEs (Single Event Effects). Estos efectos pueden ocasionar diferentes tipos de fallos en los sistemas: desde fallos despreciables hasta fallos realmente graves que comprometan la funcionalidad del sistema. El correcto funcionamiento de los sistemas cobra especial relevancia cuando se trata de tecnologías de elevado costo o aquellas en las que peligran vidas humanas, como, por ejemplo, en campos tales como el transporte ferroviario, la automoción, la aviónica o la industria aeroespacial. Dependiendo de distintos factores, los SEEs pueden causar fallos de operación transitorios, cambios de estados lógicos o daños permanentes en el dispositivo. Cuando se trata de un fallo físico permanente se denomina hard-error, mientras que cuando el fallo afecta el circuito momentáneamente se denomina soft-error. Los SEEs más frecuentes son los soft-errors y afectan tanto a aplicaciones comerciales a nivel terrestre, como a aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales (con mayor incidencia en estas últimas). La contribución exacta de este tipo de fallos a la tasa de errores depende del diseño específico de cada circuito, pero en general se asume que entorno al 90 % de la tasa de error se debe a fallos en elementos de memoria (latches, biestables o celdas de memoria). Los soft-errors pueden afectar tanto al circuito lógico como al bitstream cargado en la memoria de configuración de la FPGA. Debido a su gran tamaño, la memoria de configuración tiene más probabilidades de ser afectada por un SEE. La existencia de problemas generados por estos efectos reafirma la importancia del concepto de tolerancia a fallos. La tolerancia a fallos es una propiedad relativa a los sistemas digitales, por la cual se asegura cierta calidad en el funcionamiento ante la presencia de fallos, debiendo los sistemas poder soportar los efectos de dichos fallos y funcionar correctamente en todo momento. Por tanto, para lograr un diseño robusto, es necesario garantizar la funcionalidad de los circuitos y asegurar la seguridad y confiabilidad en las aplicaciones críticas que puedan verse comprometidos por los SEE. A la hora de hacer frente a los SEE existe la posibilidad de explotar tecnologías específicas centradas en la tolerancia a fallos, como por ejemplo las FPGAs de tipo fusible, o, por otro lado, utilizar la tecnología comercial combinada con técnicas de tolerancia a fallos. Esta última opción va cobrando importancia debido al menor precio y mayores prestaciones de las FPGAs comerciales. Generalmente las técnicas de endurecimiento se aplican durante la fase de diseño. Existe un gran número de técnicas y se pueden llegar a combinar entre sí. Las técnicas prevalentes se basan en emplear algún tipo de redundancia, ya sea hardware, software, temporal o de información. Cada tipo de técnica presenta diferentes ventajas e inconvenientes y se centra en atacar distintos tipos de SEE y sus efectos. Dentro de las técnicas de tipo redundancia, la más utilizada es la hardware, que se basa en replicar el modulo a endurecer. De esta forma, cada una de las réplicas es alimentada con la misma entrada y sus salidas son comparadas para detectar discrepancias. Esta redundancia puede implementarse a diferentes niveles. En términos generales, un mayor nivel de redundancia hardware implica una mayor robustez, pero también incrementa el uso de recursos. Este incremento en el uso de recursos de una FPGA supone tener menos recursos disponibles para el diseño, mayor consumo energético, el tener más elementos susceptibles de ser afectados por un SEE y generalmente, una reducción de la máxima frecuencia alcanzable por el diseño. Por ello, los niveles de redundancia hardware más utilizados son la doble, conocida como DMR (Dual Modular Redundancy) y la triple o TMR (Triple Modular Redundancy). La DMR minimiza el número de recursos redundantes, pero presenta el problema de no poder identificar el módulo fallido ya que solo es capaz de detectar que se ha producido un error. Ello hace necesario combinarlo con técnicas adicionales. Al caso de DMR aplicado a procesadores se le denomina lockstep y se suele combinar con las técnicas checkpoint y rollback recovery. El checkpoint consiste en guardar periódicamente el contexto (contenido de registros y memorias) de instantes identificados como correctos. Gracias a esto, una vez detectado y reparado un fallo es posible emplear el rollback recovery para cargar el último contexto correcto guardado. Las desventajas de estas estrategias son el tiempo requerido por ambas técnicas (checkpoint y rollback recovery) y la necesidad de elementos adicionales (como memorias auxiliares para guardar el contexto). Por otro lado, el TMR ofrece la posibilidad de detectar el módulo fallido mediante la votación por mayoría. Es decir, si tras comparar las tres salidas una de ellas presenta un estado distinto, se asume que las otras dos son correctas. Esto permite que el sistema continúe funcionando correctamente (como sistema DMR) aun cuando uno de los módulos quede inutilizado. En todo caso, el TMR solo enmascara los errores, es decir, no los corrige. Una de las desventajas más destacables de esta técnica es que incrementa el uso de recursos en más de un 300 %. También cabe la posibilidad de que la salida discrepante sea la realmente correcta (y que, por tanto, las otras dos sean incorrectas), aunque este caso es bastante improbable. Uno de los problemas que no se ha analizado con profundidad en la bibliografía es el problema de la sincronización de procesadores soft-core en sistemas TMR (o de mayor nivel de redundancia). Dicho problema reside en que, si tras un fallo se inutiliza uno de los procesadores y el sistema continúa funcionando con el resto de procesadores, una vez reparado el procesador fallido éste necesita sincronizar su contexto al nuevo estado del sistema. Una práctica bastante común en la implementación de sistemas redundantes es combinarlos con la técnica conocida como scrubbing. Esta técnica basada en la reconfiguración parcial dinámica, consiste en sobrescribir periódicamente el bitstream con una copia libre de errores apropiadamente guardada. Gracias a ella, es posible corregir los errores enmascarados por el uso de algunas técnicas de endurecimiento como la redundancia hardware. Esta copia libre de errores suele omitir los bits del bitstream correspondientes a la memoria de usuario, por lo que solo actualiza los bits relacionados con la configuración de la FPGA. Por ello, a esta técnica también se la conoce como configuration scrubbing. En toda la literatura consultada se ha detectado un vacío en cuanto a técnicas que propongan estrategias de scrubbing para la memoria de usuario. Con el objetivo de proponer alternativas innovadoras en el terreno de la tolerancia a fallos para procesadores softcore, en este trabajo de investigación se han desarrollado varias técnicas y flujos de diseño para manejar los datos de usuario a través del bitstream, pudiendo leer, escribir o copiar la información de registros o de memorias implementadas en bloques RAMs de forma autónoma. Así mismo se ha desarrollado un abanico de propuestas tanto como para estrategias lockstep como para la sincronización de sistemas TMR, de las cuales varias hacen uso de las técnicas desarrolladas para manejar las memorias de usuario a través del bitstream. Estas últimas técnicas tienen en común la minimización de utilización de recursos respecto a las estrategias tradicionales. De forma similar, se proponen dos alternativas adicionales basadas en dichas técnicas: una propuesta de scrubbing para las memorias de usuario y una para la recuperación de información en memorias implementadas en bloques RAM cuyas interfaces hayan sido inutilizadas por SEEs.Todas las propuestas han sido validadas en hardware utilizando una FPGA de Xilinx, la empresa líder en fabricación de dispositivos reconfigurables. De esta forma se proporcionan resultados sobre los impactos de las técnicas propuestas en términos de utilización de recursos, consumos energéticos y máximas frecuencias alcanzables

Using Machine Learning for Anomaly Detection on a System-on-Chip under Gamma Radiation

The emergence of new nanoscale technologies has imposed significant challenges to designing reliable electronic systems in radiation environments. A few types of radiation like Total Ionizing Dose (TID) effects often cause permanent damages on such nanoscale electronic devices, and current state-of-the-art technologies to tackle TID make use of expensive radiation-hardened devices. This paper focuses on a novel and different approach: using machine learning algorithms on consumer electronic level Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) to tackle TID effects and monitor them to replace before they stop working. This condition has a research challenge to anticipate when the board results in a total failure due to TID effects. We observed internal measurements of the FPGA boards under gamma radiation and used three different anomaly detection machine learning (ML) algorithms to detect anomalies in the sensor measurements in a gamma-radiated environment. The statistical results show a highly significant relationship between the gamma radiation exposure levels and the board measurements. Moreover, our anomaly detection results have shown that a One-Class Support Vector Machine with Radial Basis Function Kernel has an average Recall score of 0.95. Also, all anomalies can be detected before the boards stop working

Radiation Testing of a Multiprocessor Macrosynchronized Lockstep Architecture With FreeRTOS

Nowadays, high-performance microprocessors are demanded in many fields, including those with high-reliability requirements. Commercial microprocessors present a good tradeoff between cost, size, and performance, albeit they must be adapted to satisfy the reliability requirements when they are used in harsh environments. This work presents a high-end multiprocessor hardened with macrosynchronized lockstep and additional protections. A commercial dual-core Advanced RISC Machine (ARM) cortex A9 has been used as a case study and a complete hardened system has been developed. Evaluation of the proposed hardened system has been accomplished with exhaustive fault injection campaigns and proton irradiation. The hardening approach has been accomplished for both baremetal applications and operating system (OS)-based. The hardened system has demonstrated high reliability in all performed experiments with error coverage up to 99.3% in the irradiation experiments. Experimental irradiation results demonstrate a cross-sectional reduction of two orders of magnitude.This work was supported in part by the Spanish Ministry of Science and Innovation under Project PID2019-106455GB-C21 and in part by the Community of Madrid under Project 49.520608.9.18Publicad