FPGAs in Industrial Control Applications

The aim of this paper is to review the state-of-the-art of Field Programmable Gate Array (FPGA) technologies and their contribution to industrial control applications. Authors start by addressing various research fields which can exploit the advantages of FPGAs. The features of these devices are then presented, followed by their corresponding design tools. To illustrate the benefits of using FPGAs in the case of complex control applications, a sensorless motor controller has been treated. This controller is based on the Extended Kalman Filter. Its development has been made according to a dedicated design methodology, which is also discussed. The use of FPGAs to implement artificial intelligence-based industrial controllers is then briefly reviewed. The final section presents two short case studies of Neural Network control systems designs targeting FPGAs

Intrinsically Evolvable Artificial Neural Networks

Dedicated hardware implementations of neural networks promise to provide faster, lower power operation when compared to software implementations executing on processors. Unfortunately, most custom hardware implementations do not support intrinsic training of these networks on-chip. The training is typically done using offline software simulations and the obtained network is synthesized and targeted to the hardware offline. The FPGA design presented here facilitates on-chip intrinsic training of artificial neural networks. Block-based neural networks (BbNN), the type of artificial neural networks implemented here, are grid-based networks neuron blocks. These networks are trained using genetic algorithms to simultaneously optimize the network structure and the internal synaptic parameters. The design supports online structure and parameter updates, and is an intrinsically evolvable BbNN platform supporting functional-level hardware evolution. Functional-level evolvable hardware (EHW) uses evolutionary algorithms to evolve interconnections and internal parameters of functional modules in reconfigurable computing systems such as FPGAs. Functional modules can be any hardware modules such as multipliers, adders, and trigonometric functions. In the implementation presented, the functional module is a neuron block. The designed platform is suitable for applications in dynamic environments, and can be adapted and retrained online. The online training capability has been demonstrated using a case study. A performance characterization model for RC implementations of BbNNs has also been presented

Improvements in space radiation-tolerant FPGA implementation of land surface temperature-split window algorithm

The trend in satellite remote sensing assignments has continuously been concerning using hardware devices with more flexibility, smaller size, and higher computational power. Therefore, field programmable gate arrays (FPGA) technology is often used by the developers of the scientific community and equipment for carrying out different satellite remote sensing algorithms. This article explains hardware implementation of land surface temperature split window (LST-SW) algorithm based on the FPGA. To get a high-speed process and real-time application, VHSIC hardware description language (VHDL) was employed to design the LST-SW algorithm. The paper presents the benefits of the used Virtex-4QV of radiation tolerant series FPGA. The experimental results revealed that the suggested implementation of the algorithm using Virtex4QV achieved higher throughput of 435.392 Mbps, and faster processing time with value of 2.95 ms. Furthermore, a comparison between the proposed implementation and existing work demonstrated that the proposed implementation has better performance in terms of area utilization; 1.17% reduction in number of Slice used and 1.06% reduction in of LUTs. Moreover, the significant advantage of area utilization would be the none use of block RAMs comparing to existing work using three blocks RAMs. Finally, comparison results show improvements using the proposed implementation with rates of 2.28% higher frequency, 3.66 x higher throughput, and 1.19% faster processing time

Proceedings of the 5th International Workshop on Reconfigurable Communication-centric Systems on Chip 2010 - ReCoSoC\u2710 - May 17-19, 2010 Karlsruhe, Germany. (KIT Scientific Reports ; 7551)

ReCoSoC is intended to be a periodic annual meeting to expose and discuss gathered expertise as well as state of the art research around SoC related topics through plenary invited papers and posters. The workshop aims to provide a prospective view of tomorrow\u27s challenges in the multibillion transistor era, taking into account the emerging techniques and architectures exploring the synergy between flexible on-chip communication and system reconfigurability

Embedded electronic systems driven by run-time reconfigurable hardware

Abstract This doctoral thesis addresses the design of embedded electronic systems based on run-time reconfigurable hardware technology –available through SRAM-based FPGA/SoC devices– aimed at contributing to enhance the life quality of the human beings. This work does research on the conception of the system architecture and the reconfiguration engine that provides to the FPGA the capability of dynamic partial reconfiguration in order to synthesize, by means of hardware/software co-design, a given application partitioned in processing tasks which are multiplexed in time and space, optimizing thus its physical implementation –silicon area, processing time, complexity, flexibility, functional density, cost and power consumption– in comparison with other alternatives based on static hardware (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). The design flow of such technology is evaluated through the prototyping of several engineering applications (control systems, mathematical coprocessors, complex image processors, etc.), showing a high enough level of maturity for its exploitation in the industry.Resumen Esta tesis doctoral abarca el diseño de sistemas electrónicos embebidos basados en tecnología hardware dinámicamente reconfigurable –disponible a través de dispositivos lógicos programables SRAM FPGA/SoC– que contribuyan a la mejora de la calidad de vida de la sociedad. Se investiga la arquitectura del sistema y del motor de reconfiguración que proporcione a la FPGA la capacidad de reconfiguración dinámica parcial de sus recursos programables, con objeto de sintetizar, mediante codiseño hardware/software, una determinada aplicación particionada en tareas multiplexadas en tiempo y en espacio, optimizando así su implementación física –área de silicio, tiempo de procesado, complejidad, flexibilidad, densidad funcional, coste y potencia disipada– comparada con otras alternativas basadas en hardware estático (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). Se evalúa el flujo de diseño de dicha tecnología a través del prototipado de varias aplicaciones de ingeniería (sistemas de control, coprocesadores aritméticos, procesadores de imagen, etc.), evidenciando un nivel de madurez viable ya para su explotación en la industria.Resum Aquesta tesi doctoral està orientada al disseny de sistemes electrònics empotrats basats en tecnologia hardware dinàmicament reconfigurable –disponible mitjançant dispositius lògics programables SRAM FPGA/SoC– que contribueixin a la millora de la qualitat de vida de la societat. S’investiga l’arquitectura del sistema i del motor de reconfiguració que proporcioni a la FPGA la capacitat de reconfiguració dinàmica parcial dels seus recursos programables, amb l’objectiu de sintetitzar, mitjançant codisseny hardware/software, una determinada aplicació particionada en tasques multiplexades en temps i en espai, optimizant així la seva implementació física –àrea de silici, temps de processat, complexitat, flexibilitat, densitat funcional, cost i potència dissipada– comparada amb altres alternatives basades en hardware estàtic (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). S’evalúa el fluxe de disseny d’aquesta tecnologia a través del prototipat de varies aplicacions d’enginyeria (sistemes de control, coprocessadors aritmètics, processadors d’imatge, etc.), demostrant un nivell de maduresa viable ja per a la seva explotació a la indústria

Reconfigurable Computing Based on Commercial FPGAs. Solutions for the Design and Implementation of Partially Reconfigurable Systems = Computación reconfigurable basada en FPGAs comerciales. Soluciones para el diseño e implementación de sistemas parcialmente reconfigurables.

Esta tesis doctoral está enmarcada en el campo de investigación de la computación reconfigurable. Este campo ha experimentado un crecimiento abrumador en los últimos años como resultado de la evolución de los dispositivos reconfigurables, donde las Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) son el máximo exponente desde el punto de vista comercial. De forma tradicional las empresas de electrónica han seleccionado las FPGAs como prototipos iníciales de productos de altas prestaciones. Luego el sistema final es integrado en Application Specific Integrated Circuits (ASICs) que se producen en grandes volúmenes perimiendo amortiza su alto coste de diseño y producción y aprovechando la ventaja del bajo coste por unidad. Por otro lado, los DSPs (Digital Signal Processing) y los microprocesadores han sido preferidos por su bajo coste ante las FPGAs el campo de los dispositivos con menores requisitos de cómputo. En los últimos años, este panorama está sufriendo una serie de cambios. Ahora el mercado busca mas soluciones “reconfigurables” ya que permiten reducir el tiempo de salida del producto al mercado (time-to-market), aumentar el tiempo del producto en el mercado (time-in-market) y además cubren los amplios requisitos de cómputo. El cambio que se observa, se debe a que los dispositivos programables han evolucionado de simples estructuras programables a complejas plataformas reconfigurables. Las FPGAs del estado de la técnica han alcanzado un grado de integración muy alto y además ahora contienen, dentro de su arquitectura programable, microprocesadores y lógica específica de procesamiento digital de señal. Otro factor sumamente importante para el cambio es que las FPGAs permiten el diseño de dispositivos cuyo hardware pueden ser adaptado, o actualizado, una vez que el producto ya esta entregado e instalado, obteniendo así una flexibilidad en el hardware comparable con la del software, donde la actualización postventa de los sistemas es una práctica muy explotada de cara a la reducción de costes y la salida rápida al mercado. Por otro lado, y sobre todo en el ámbito académico, existen dispositivos reconfigurables con distinta granularidad que permites alcanzar altas prestaciones en comparación con las FPGAs comerciales de grano fino (comparable con la de los ASICs), pero están restringidas a una aplicación o grupo de aplicaciones. A pesar de que los dispositivos reconfigurables propietarios ofrecen muchas ventajas, esta opción ha sido descartada en la presente tesis debido a que, desde el punto de vista industrial requieren, aparte del diseño del ASIC reconfigurable, el desarrollo de un entorno de diseño completo. Todo esto conlleva a un elevado coste de recursos, además del alejamiento de las propuestas de la industria. La presente tesis se ha centrado en proporcionar soluciones para dispositivos comerciales, FPGAs de grano fino, con la finalidad de aprovechar las herramientas existentes y mantener las soluciones propuestas lo más cerca posible de la industria. Los dispositivos reconfigurables proporcionan diversos métodos de reconfiguración, siendo el más atractivo la reconfiguración parcial y dinámica, ya que permite adaptar el dispositivo sin interrumpir su funcionamiento y crear dispositivos auto-adaptables. Este tipo de reconfiguración será el objeto de estudio de la tesis doctoral. La reconfiguración parcial permite tener una serie de tareas hardware (módulos que se ubican en la estructura reconfigurable) ejecutándose paralelamente en la FPGA y sustituir un bloque por otro, dependiendo de las necesidades del sistema, sin alterar el funcionamiento del resto de bloques. Esta idea básica en teoría brinda la flexibilidad del software al hardware, que combinado con su paralelismo implícito hace del sistema reconfigurable una potente herramienta que puede dar pie a la creación de sistemas adaptables o incluso autoadaptativos, supercomputadores reconfigurables y hardware bio-inspirado entre otros. Por otro lado, a pesar que algunos proveedores de FPGAs permiten la reconfiguración parcial, el uso de esta técnica aún está restringido al ámbito académico y a sistemas muy básicos. El trabajo de investigación descrito dentro de la presente tesis doctoral ha tenido por objeto el estudio de diversos aspectos de los sistemas parcialmente reconfigurables, la identificación de las principales deficiencias de las soluciones existentes y la propuesta de nuevas soluciones originales. Como resultado del estudio del estado del arte se ha visto que las soluciones existentes son poco flexibles y la escalabilidad de los sistemas que se pueden diseñar es reducida. Por ello las propuestas originales de esta tesis tienen como objetivo permitir el diseño e implementación de sistemas parcialmente reconfigurables con alta escalabilidad y flexibilidad. La tesis principal del trabajo de investigación ha sido basada en la idea que para obtener una mayor flexibilidad de los sistemas se debe desligar el diseño del sistema reconfigurable del diseño de los cores que serán consumidos por dicho sistema. La tesis doctoral ha contribuido proponiendo mejores soluciones a nivel de arquitectura, flujos de diseño y herramientas que han permitido el diseño e implementación de diversos sistemas parcialmente reconfigurables con distinto grado de flexibilidad y escalabilidad. La flexibilidad y la escalabilidad son términos que en los sistemas reconfigurables se pueden asociar a diversos aspectos. Dentro de esta tesis la flexibilidad está asociada principalmente a la diversidad de cores o tareas hardware que pueden ser consumidos o integrados en un sistema ya definido, mientras que la escalabilidad está referida al número de cores que pueden coexistir en el sistema y ser reconfigurados independientemente. Para poder diseñar sistemas flexibles y escalables, estas características deben estar cubiertas en distintos niveles. Más en detalle dentro de la presente tesis, desde el punto de vista de la arquitectura, la flexibilidad está cubierta por la posibilidad de posicionar libremente cores en una arquitectura escalable predefinida. Desde el punto de vista del sistema, la flexibilidad está reflejada por la posibilidad de no sólo de modificar o reconfigurar un core del sistema hardware, sino también de modificar las comunicaciones internas del mismo. Desde el punto de vista del dispositivo, la flexibilidad está garantizada por la transparencia en el proceso de reconfiguración. Por último, la flexibilidad en el proceso de diseño está cubierta por la definición de herramientas y flujos de diseño que permiten por un lado desligar el diseño del sistema reconfigurable del diseño de los cores para el sistema, y por otro lado que diseñadores sin conocimientos detallados de reconfiguración parcial puedan diseñar cores. Dentro de la tesis doctoral se presentan cuatro dispositivos reconfigurable integrados en distintos entornos y con distinto grado de flexibilidad que corresponde al grado de aprovechamiento de las aportaciones originales de la tesis. Las principales aportaciones de la tesis doctoral, relacionadas a cada uno de los aspectos mencionados en el párrafo anterior, y tratados en distintas partes de la tesis se resumen a continuación destacando en la medida de lo posible las diferencias con respecto al estado del arte: Se ha definido una metodología de diseño de Arquitecturas Virtuales (abstracción de la arquitectura física de la FPGA que incluye la distribución de los recursos programables en slots y la forma de interconexión de los slots). La metodología, propuesta originalmente en esta tesis, permite el diseño de sistemas reconfigurables con alta flexibilidad y escalabilidad comparadas con el estado del arte. Una solución a la adaptación de las comunicaciones internas en los sistemas reconfigurables llamada DRNoC (Dynamic Reconfigurable NoC). La solución original abarca diversos aspectos e incluye la definición de una arquitectura de interconexión para los sistemas reconfigurables basada en redes en chip (Network on Chip - NoC), la definición de métodos de reconfiguración y el direccionamiento interno del sistema, y de forma más específica para las comunicaciones basadas en redes, la definición de un formato de tramas y la arquitectura de los enrutadores. La principal diferencia de la solución propuesta con el estado del arte es que DRNoC no restringe la comunicación únicamente a NoCs y permite la definición de cualquier tipo de esquema de comunicación (NoC, punto a punto, punto a multipunto, bus, o una combinación de las anteriores) y además, permite que varios esquemas de comunicación coexistan en el mismo sistema y que funcionen de forma independiente. De esta forma la solución propuesta brinda una mayor flexibilidad que las ya existentes. Se ha propuesto una solución para la manipulación de los ficheros de configuración para las FPGA del tipo Virtex II/Pro que es la más completa comparada con el estado del arte. Asimismo, una serie de herramientas que permiten la generación y extracción de cores para sistemas reconfigurables basados en FPGA Virtex II que ha sido la primera solución existente para estas FPGA. Un flujo de diseño para cores basado en plantillas que permite el diseño de cores hardware sin ser un experto en reconfiguración parcial y sin conocer los detalles del sistema final en el que se implementará el core. El diseño, implementación y prueba de un sistema parcialmente reconfigurable basado en FPGAs comerciales de grano fino para redes de sensores. La primera aproximación existente en el estado del arte al uso de los sistemas parcialmente reconfigurables en las redes de sensores. La integración de un sistema reconfigurable en un entorno cliente-servidor que incluye un original sistema de control de la reconfiguración. Una solución para la depuración de los sistemas reconfigurables. Un sistema de emulación y prototipado rápido de las comunicaciones dentro de un chip basado originalmente en la idea de la reutilización de cores hardware por medio de la técnica de reconfiguración parcial. Como conclusión global del trabajo de investigación realizado cabe destacar que la presente tesis ha dado lugar a la creación y consolidación de una línea de investigación en el grupo de electrónica digital del Centro de Electrónica Industrial que actualmente se encuentra entre las más activas y de mayor importancia. Además, el trabajo de investigación y la divulgación de las aportaciones originales han permitido que el centro de investigación pase a formar parte del estado del arte de los sistemas parcialmente reconfigurables. The thesis is enclosed in the research area of reconfigurable computing which, in the last years, has experienced a remarkable growth as a result of the impressive evolution of reconfigurable devices. In this area, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are the most outstanding representative from the commercial point of view. Traditionally FPGAs have been used for prototyping, in previous to the final Application Specific Integrated Circuit (ASIC) design stages. However, the interest in the integration of FPGAs in final products has been growing in the last years. FPGAs are preferred for small production volumes, where the ASIC masks high cost is unaffordable and also in products where time-to-market is a priority, and waiting for a complete ASIC design cycle is not desirable. State of the art FPGAs are highly integrated electronic circuits, composed of tens of millions of system gates, with competitive speed, performance and configurability. These devices have evolved from simple gate arrays to complex platforms that include embedded memory, multipliers and even microprocessors and digital signal processing elements. Additionally, the fine grain nature of the reconfigurable arrays, make FPGAs suitable for a broad set of application domains. On the other side, and mostly in the academic community, there are custom reconfigurable devices with different granularity levels that permit to achieve higher performance, compared to commercial FPGAs, but for a certain application domain. Although there are very good solutions in the academic state of the art, their main drawback from the industry point of view is that they require specific design environments and also, that the efforts and resources needed for designing such solutions are very high. This thesis work is focused on providing solutions that target commercial fine grain reconfigurable devices, FPGAs, in order to take advantage of existing tools and to keep the proposed solutions closer to the industry. Today FPGAs provide different reconfiguration options. Among them, the most challenging one is partial reconfiguration. This feature has special interest, as it permits system updates on the fly once the device is deployed, without the need of stopping it and without theoretical loss of performance. Partial reconfiguration is also an attractive feature because it permits to allocate different tasks/cores running in parallel in the device and change them on the fly as needed without disturbing other tasks/cores. This basic idea, brings software-like flexibility to hardware which, in combination with its inherited parallelism, opens the door for a broad amount of possibilities and applications, like runtime adaptive super-computing, adaptive embedded software ii accelerators, bio-inspired, self-reconfigurable and self-arrangeable systems. However, even though some commercial FPGAs provide partial reconfiguration features, its utilization is still in its early stages and it is not well supported by FPGA vendors, making its exploitation in real electronic systems very difficult. Therefore, there are several academic groups working to provide alternative solutions for the design and implementation of partially reconfigurable systems based on commercial FPGAs that intend to stimulate their integration and use in the industry. This research work intents to study different aspects of partially reconfigurable system on-chip and contribute with flexibility improvements. The main idea that will be followed along the thesis is that the design of reconfigurable systems will be considered an independent process from the design of cores that will be consumed by the system. This approach involves the design of flexible and scalable partial runtime reconfigurable systems, where most of the thesis contribution will be focused. More in detail, this thesis will contribute to improve architecture solutions, design tools and design flows of partially reconfigurable systems for commercial FPGAs and provide systems with higher flexibility and scalability. Flexibility and scalability in a reconfigurable system are terms that can be related to several aspects. In this thesis flexibility is mainly related to the diversity of tasks or cores a system can consume, while scalability is connected to the number of cores that can run in parallel and be independently reconfigured. Flexibility and scalability have to be covered by the system at different levels and the work presented in this thesis will contribute in all the specific levels. More in detail, from an architectural point of view, flexibility is reflected by the possibility of freely loading tasks or cores in a defined, scalable architecture. From the system point of view, flexibility is related to the possibility of modifying not only the system functionality by loading different tasks, but also to adapt the on-chip communications. From the device point of view, flexibility is reflected by the reconfiguration process transparency and, from the design point of view, it is oriented to the definition of design tools and flows that will permit, as far as possible, non specialized designers to design cores for a partially reconfigurable system and without knowing the system details. All the original proposed solutions, in each individual aspect, will be compared with the state of the art and complete systems solutions will be designed and will be integrated in different application domains in order to validate the thesis proposals. In order to achieve better understanding of the thesis and to facilitate the comparison with some, selected, related work, the thesis structure is not traditional. Instead of including a state of the art and a result Chapter, each Chapter is focused on a specific aspect of partially reconfigurable system design and includes state of the art and result sections. The first chapter, Chapter 1, introduces the main concepts to be used in the thesis. Chapter 2 is focused on reconfigurable systems architectures, contributing with architecture solutions and a design method. Chapter 3 proposes a solution that enhances the features of the architectures defined in Chapter 2, and provides more flexibility to the entire system by extending reconfiguration to the on-chip communication. Chapter 4 is related to the design flows and tools, where contributions are made in both aspects and the proposed solutions are compared with the state of the Abstract and Thesis Organization iii art. Complete systems, with different independency levels, are presented in Chapter 5 in order to validate the thesis contributions. Conclusions, a summary of contributions and the future work are included in Chapter 6. A more detailed description of each Chapter content is presented below: Chapter 1 provides an introduction to the reconfigurable systems based on FPGAs topic, by first defining the place of FPGAs in the electronic industry and afterwards, introducing the main concepts to be used along the thesis. Although the focus is put on commercial reconfigurable devices, some custom reconfigurable systems are also described in order to have a complete view of the options in reconfigurable devices. The Chapter discuses the thesis main topic, related to partial runtime reconfigurable systems, highlighting its main advantages and disadvantages and, introducing some of the approaches to be followed in this thesis. The main term introduced in this Chapter, associated to reconfigurable systems architectures, is ”Virtual Architecture”. The term defines the architecture of the partially reconfigurable system and how the different regions it is composed of are interconnected. A brief summary of the thesis main goals is included at the end of the Chapter. The main topic of Chapter 2 is related to reconfigurable systems architectures design. The Chapter includes a specific state of the art section that reviews some existing architecture solutions. After that, a general method for virtual architectures design, an original thesis contribution, is presented in detail. Afterwards, the method is applied to the design of general one dimensional (1D) and two dimensional (2D) architectures for Xilinx Virtex II/Pro FPGAs and, as an example, following the specific steps of the method, two 1D, bus based, architectures are designed. The architecture buses are compared with two state of the art solutions in terms of area and performance in the results section of the same Chapter. Chapter 3 is focused on reconfigurable systems on-chip communication issues, where the need of adaptability is the main topic. Again, a state of the art description of some 2D reconfigurable systems is presented at the beginning of the Chapter and, afterwards, an original solution, called Dynamic Reconfigurable NoC (DRNoC), is proposed. This solution covers different aspects. First, an architecture oriented to support adaptability in the on-chip communications is originally proposed. The architecture is mapped to a Virtex II FPGA by modifying a virtual architecture from the general ones presented in Chapter 2. Second, two types of reconfigurations that span through different levels of the OSI communication model are originally proposed. Third, a set of Network on Chip models, focused on the communication adaptability are designed and/or adapted and presented in the Chapter, along with an original NoC packet format and router architecture. These models are mapped to the DRNoC architecture and implementation cost parameters are defined and used to evaluate different implementation options. Regarding the architecture reconfigurability, it is important to remark that along the entire Chapter, intermediate test of possible partial reconfigurations and test results are included. At the end of the Chapter, the proposed architecture is compared with the state of the art using a set of structural parameters taken from a reference work and complemented with others defined in the Chapter. Chapter 4, focuses on the design tools and flows for partially reconfigurable systems. Again, an overview of the state of the art is included at the beginning of the Chapter. Abstract and Thesis Organization iv Afterwards, an original software solution for Virtex II configuration files (bitstreams) manipulations is presented. The first part of the solution is a study of the Virtex II/Pro FPGA bitstream format, used to define a set of equations for accessing a specific bitstream resource (at register or block level). Based on these equations, a set of tools for bitstream manipulation that target resource restricted devices are originally presented. Also, a design flow, based on systems and virtual architectures templates, which permits a straightforward core design by non partial reconfiguration experts and without knowing the system details, is originally proposed. In Chapter 5 four reconfigurable systems with different flexibility level, which corresponds to the level of the thesis proposals exploitation, are presented. The selected application domains attempt to demonstrate different advantages of the use of partial runtime reconfigurable systems and therefore are mainly a proof of concept. The first domain belongs to the wireless sensor networks, where t

Remote Attacks on FPGA Hardware

Immer mehr Computersysteme sind weltweit miteinander verbunden und über das Internet zugänglich, was auch die Sicherheitsanforderungen an diese erhöht. Eine neuere Technologie, die zunehmend als Rechenbeschleuniger sowohl für eingebettete Systeme als auch in der Cloud verwendet wird, sind Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Sie sind sehr flexible Mikrochips, die per Software konfiguriert und programmiert werden können, um beliebige digitale Schaltungen zu implementieren. Wie auch andere integrierte Schaltkreise basieren FPGAs auf modernen Halbleitertechnologien, die von Fertigungstoleranzen und verschiedenen Laufzeitschwankungen betroffen sind. Es ist bereits bekannt, dass diese Variationen die Zuverlässigkeit eines Systems beeinflussen, aber ihre Auswirkungen auf die Sicherheit wurden nicht umfassend untersucht. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Querschnitt dieser Themen: Sicherheitsprobleme die dadurch entstehen wenn FPGAs von mehreren Benutzern benutzt werden, oder über das Internet zugänglich sind, in Kombination mit physikalischen Schwankungen in modernen Halbleitertechnologien. Der erste Beitrag in dieser Arbeit identifiziert transiente Spannungsschwankungen als eine der stärksten Auswirkungen auf die FPGA-Leistung und analysiert experimentell wie sich verschiedene Arbeitslasten des FPGAs darauf auswirken. In der restlichen Arbeit werden dann die Auswirkungen dieser Spannungsschwankungen auf die Sicherheit untersucht. Die Arbeit zeigt, dass verschiedene Angriffe möglich sind, von denen früher angenommen wurde, dass sie physischen Zugriff auf den Chip und die Verwendung spezieller und teurer Test- und Messgeräte erfordern. Dies zeigt, dass bekannte Isolationsmaßnahmen innerhalb FPGAs von böswilligen Benutzern umgangen werden können, um andere Benutzer im selben FPGA oder sogar das gesamte System anzugreifen. Unter Verwendung von Schaltkreisen zur Beeinflussung der Spannung innerhalb eines FPGAs zeigt diese Arbeit aktive Angriffe, die Fehler (Faults) in anderen Teilen des Systems verursachen können. Auf diese Weise sind Denial-of-Service Angriffe möglich, als auch Fault-Angriffe um geheime Schlüsselinformationen aus dem System zu extrahieren. Darüber hinaus werden passive Angriffe gezeigt, die indirekt die Spannungsschwankungen auf dem Chip messen. Diese Messungen reichen aus, um geheime Schlüsselinformationen durch Power Analysis Seitenkanalangriffe zu extrahieren. In einer weiteren Eskalationsstufe können sich diese Angriffe auch auf andere Chips auswirken die an dasselbe Netzteil angeschlossen sind wie der FPGA. Um zu beweisen, dass vergleichbare Angriffe nicht nur innerhalb FPGAs möglich sind, wird gezeigt, dass auch kleine IoT-Geräte anfällig für Angriffe sind welche die gemeinsame Spannungsversorgung innerhalb eines Chips ausnutzen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass grundlegende physikalische Variationen in integrierten Schaltkreisen die Sicherheit eines gesamten Systems untergraben können, selbst wenn der Angreifer keinen direkten Zugriff auf das Gerät hat. Für FPGAs in ihrer aktuellen Form müssen diese Probleme zuerst gelöst werden, bevor man sie mit mehreren Benutzern oder mit Zugriff von Drittanbietern sicher verwenden kann. In Veröffentlichungen die nicht Teil dieser Arbeit sind wurden bereits einige erste Gegenmaßnahmen untersucht

A Field Programmable Gate Array (FPGA) Based Non-Linear Filters for Gas Turbine Prognostics

The removal of noise from signals obtained through the health monitoring systems in gas turbines is an important consideration for accurate prognostics. Several filters have been designed and tested for this purpose, and their performance analysis has been conducted. Linear filters are inefficient in the removal of outliers and noise because they cause smoothening of the sharp features in the signal which can indicate the onset of a fault event. On the other hand, non-linear filters based on image processing methods can provide more precise results for gas turbine health signals. Among others, the weighted recursive median (WRM) filter has been shown to provide greater accuracy due to its weight adaptability depending on the signal type. However, sampling data at high rates is possible which needs hardware implementation of the filter. In this paper, the design, simulation and implementation of WRM filters on the FPGA (Field Programmable Gate Arrays) platforms Vivado Design Suite by Xilinx and Quartus Pro Lite Edition 19.3 has been performed. The architectural detail and performance result with the FPGA filters when subjected to abrupt and gradual fault signal is presented