Contributions to the detection and diagnosis of soft errors in radiation environments

Texto completo descargado desde Teseo1. Introducción Los efectos de la radiación ionizante sobre dispositivos semiconductores es objeto de estudio desde la invención del transistor bipolar en 1947. El espacio es un entorno de alta radiación, como pusieron de manifiesto los primeros satélites puestos en órbita, y fue durante la carrera espacial de los años 50 cuando se impulsó el estudio de errores generados en componentes electrónicos críticos a bordo de las primeras misiones espaciales. La necesidad de robustecer la electrónica frente a la radiación ha estado siempre presente en el sector aeroespacial, además, el progresivo escalado de las tecnologías microelectrónicas, hace que el problema sea cada vez más acuciante, afectando incluso a dispositivos que operan a nivel del mar. El advenimiento de tecnologías nanométricas augura que serán necesarias nuevas y más eficaces técnicas de robustecimiento que garanticen la fiabilidad de equipos electrónicos críticos en sectores tan importantes como la aviación, automoción o energía nuclear. Existen dos métodos de robustecimiento para los dispositivos electrónicos, por proceso y por diseño. En el primer caso, el circuito integrado es fabricado en una tecnología que presenta baja sensibilidad a los efectos de la radiación, como la ampliamente utilizada SOI (Silicon On Insulator). En el segundo caso, el circuito presenta topologías en su diseño que mitigan en mayor o menor grado el daño por radiación. La efectividad de cualquier medida de protección debe ser validada en el correspondiente ensayo de radiación de acuerdo a los estándares vigentes (ESA, NASA, JEDEC, AEC,...). Existen varios tipos de daño por radiación, asociados a dosis acumulada (TID) y a eventos únicos (SEE), fundamentalmente. Estos últimos están asociados al paso de una única partícula energética a través del dispositivo, que genera una estela de carga y puede dar lugar a respuestas eléctricas no deseadas, como conmutación 2 2 Antecedentes de biestables, enclavamiento de un bit o excursiones de voltaje transitorias. A su vez, dentro de los errores asociados a eventos únicos se puede distinguir entre daños físicos, que pueden destruir el dispositivo de manera irreversible, y errores lógicos o soft errors que conllevan la corrupción del estado de un circuito digital, por ejemplo por la conmutación del valor lógico de un biestable. Los tests en aceleradores de partículas o con fuentes radiactivas, se consideran los ensayos más representativos para conocer la inmunidad de un componente frente al daño de tipo SEE. Sin embargo, la complejidad de estos ensayos dificulta la observabilidad experimental y la interpretación de los resultados obtenidos. En particular los tests dinámicos, que implican que el chip esté operando durante la irradiacón, comportan una dificultad añadida a la hora de interpretar los errores observados en las salidas del circuito. El test dinámico de radiación es el más realista, ya que introduce la variable temporal en el experimento y da lugar a efectos reales que no son reproducibles en condiciones estáticas, como el evento único transitorio (SET). El trabajo a realizar durante esta tesis pretende aportar una metodología de test que mejore la observabilidad de errores lógicos en un test dinámico de radiación de circuitos digitales mediante detección y diagnóstico en tiempo real. 2. Antecedentes La experiencia investigadora del grupo al que pertenece el autor de esta tesis en el campo de los efectos de la radiación sobre dispositivos electrónicos, ha puesto de manifiesto la necesidad de establecer una metodología que permita el diagnóstico de los errores observados en un componente electrónico sometido a radiación ionizante. Generalmente, no es posible correlacionar con certeza el efecto (anomalía detectada en los puertos de salida) con la causa del mismo. La complejidad inherente a la instrumentación de un ensayo de radiación en un acelerador 3 3 Hipótesis y Objetivos de partículas, así como la propia comlejidad del circuito bajo estudio, requieren algún criterio de clasificación de los errores observados que pueden ser de muy diversa naturaleza. Algunos autores han aportado técnicas que combinan inyección de fallos dinámica con test en acelerador estáticos para estimar la probabilidad de fallo real del circuito, salvando la complejidad del test de radiación dinámico. La protección selectiva, consistente en adoptar topologías de diseño robustas en ¿puntos calientes¿ o críticos del circuito, requiere técnicas de ensayo que permita el diagnóstico y localización del daño por radiación. El uso de microsondas nucleares permite la focalización de un haz de iones en una región relativamente pequeña, facilitando el diagnóstico. La disponibilidad de uso de la microsonda nuclear en el Centro Nacional de Aceleradores puede contribuir al desarrollo de la técnica de detección y diagnóstico que es objeto de esta tesis. La curva de sección eficaz de fallo SEE es la forma más extendida de representación de resultados de experimentación. Estas curvas representan una colección de datos experimentales que deben ser minuciosamente clasificados. Lo mismo ocurre en los tests destinados a evaluar la tasa de errores lógicos en tiempo real (RTSER). En este sentido, la norma JEDEC JESD89-1A recomienda que se sigan ¿criterios de fallo¿ para la correcta identificación de los errores detectados a la salida de un circuito en tests de radiación. 3. Hipótesis y Objetivos El grupo de investigación al que pertenece el doctorando, posee una contrastada experiencia en el uso de emuladores hardware para la evaluación temprana de la robustez de diseños digitales ante errores lógicos. Estos emuladores inyectan fallos en la netlist de un diseño digital y estudian la evolución del estado del circuito durante la ejecución de un conjunto de estímulos. La principal ventaja de estas herramientas frente a la simulación, radica en la aceleración hardware de los 4 3 Hipótesis y Objetivos tests que permite la finalización de campañas de inyección masivas en un tiempo relativamente corto. Las campañas masivas o sistemáticas de inyección de fallos permiten comprobar de forma exhaustiva la respuesta de un diseño digital a un entorno de alta radiación. Estas campañas arrojan una ingente cantidad de información acerca de las vulnerabilidades del diseño que debe ser procesada generalmente de forma estadística. La correlación entre el instante y lugar de inyección del fallo emulado y la respuesta del mismo, sería una información que permitiría establecer la causa de un error (comportamiento anómalo) observado durante un test de radiación, donde generalmente sólo están accesibles las salidas del dispositivo. Los resultados de una campaña de inyección dependen, además del diseño bajo test, del conjunto de estímulos aplicado (workload). A partir de los resultados de la campaña de inyección masiva, se puede realizar un estudio estadístico que determine la calidad de los vectores de test desde el punto de vista del diagnóstico. Es de esperar que diferentes fallos inyectados compartan la misma firma, de manera que en caso de obtener dicha firma en un test de radiación, sea imposible determinar exactamente el punto de inyección del fallo. A la hora de preparar un test de radiación, es recomendable emplear vectores de test que garanticen que la certidumbre del diagnóstico sea máxima, lo cual es un aporte adicional de la tesis. Esta tesis pretende establecer un procedimiento que permita obtener ¿diccionarios de fallos¿ en los que se establece una correlación entre el punto de inyección y la respuesta del circuito codificada en una firma de pocos bytes. Durante un test de radiación se pueden obtener en tiempo real las firmas generadas por el circuito, que servirán para diagnosticar en cada caso el origen del daño empleando los diccionarios de fallos previamente generados en un emulador hardware. En el supuesto de que la firma generada durante la irradiación no estuviera contenida en un diccionario exhaustivo, se puede decir que el error no ha sido originado por el 5 4 Metodología y Trabajo Realizado modelo de fallo empleado en la generación del diccionario, debiéndose por tanto a un tipo de daño no contemplado (por ejemplo daño físico). La culminación de la tesis es el test de radiación en un acelerador de partículas. La Universidad de Sevilla cuenta con las instalaciones del Centro Nacional de Aceleradores, que puede ser un banco de pruebas idóneo para comprobar la validez de la metodología y comprobar las ventajas e inconvenientes de la misma. 4. Metodología y Trabajo Realizado El plan de trabajo incluyó los siguientes hitos en el orden expuesto: Estudio de la base de conocimiento genérica relacionada con los efectos de la radiación en circuitos electrónicos Análisis del Estado del Arte en técnicas de inyección de fallos en circuitos digitales. Recopilación de normas y estándares relacionados con los test radiación de componentes electrónicos. Estudio simulado de bajo nivel de los efectos de la radiación en tecnologías submicrométricas. Selección de un módulo adecuado para creación de firmas a partir de las salidas de un circuito digital. Adecuación del emulador hardware FT-UNSHADES para la generación de firmas durante las campañas de inyección. Selección de un vehículo de test para el experimento en la microsonda nuclear del CNA. 6 4 Metodología y Trabajo Realizado Realización de campañas de inyección masivas para la generación de diccionarios de fallos sobre diseños digitales y análisis de resultados. Preparación del setup experimental para el acelerador de partículas. Experimento en la microsonda nuclear del CNA y análisis de resultados. El estudio bibliográfico de la base de conocimiento en el campo de los efectos de la radiación sobre circuitos electrónicos ha sido fundamental para poder establecer el ámbito de aplicación de la tesis. El papel de la emulación hardware para inyección de fallos en esta investigación fue crítica y ha sido necesario un estudio de las plataformas existentes para entender qué puede aportar cada herramienta. Para acabar con la documentación, es necesario además recopilar las normas y estándares relacionados con test de radiación de circuitos electrónicos. La simulación de bajo nivel de los efectos de la radiación sobre una determinada tecnología engloba herramientas como SPICE, SRIM y TCAD. Estas simulaciones permiten estimar cuales deben ser las características del haz de iones empleado en un futuro ensayo en el acelerador de partículas. Los resultados de estas simulaciones fueron discutidos con los técnicos del acelerador para estudiar la viabilidad de los parámetros deseados. Un elemento clave en la metodología fue el bloque que debe generar las firmas a partir de las salidas del circuito digital. Es deseable que se trate de un módulo sencillo y que pueda ser implementado en un dispositivo programable sin suponer un consumo excesivo de recursos. El emulador FT-UNSHADES fue adaptado par incorporar el módulo de firmas. Se dispuso de un circuito integrado que servió vehículo de test para un experimento en el CNA. Es necesaria además la descripción VHDL del mismo para su emulación en FT-UNSHADES. No es objeto de esta tesis el desarrollo de este componente, su diseño y fabricación está fuera del alcance de esta tesis. Se gener- 7 4 Metodología y Trabajo Realizado aron diccionarios de fallos del vehículo de tests y de otros diseños digitales y, a partir de estos diccionarios, se han confeccionado estudios estadísticos de diagnóstico. En una fase ulterior, se desarrolló el hardware necesario para el setup experimental. Todo el hardware se probó en el laboratorio, antes de acudir al CNA. El resultado de esta etapa es la configuración del equipamiento de test automático (ATE) que se encargó de introducir estímulos en el chip y monitorizarlo durante el experimento en el acelerador de partículas. Finalmente, se llevó a cabo un experimento en el Centro Nacional de Aceleradores sobre el vehículo de test elegido para completar una prueba de concepto de la metodología propuesta.

Re-use of tests and arguments for assesing dependable mixed-critically systems

The safety assessment of mixed-criticality systems (MCS) is a challenging activity due to system heterogeneity, design constraints and increasing complexity. The foundation for MCSs is the integrated architecture paradigm, where a compact hardware comprises multiple execution platforms and communication interfaces to implement concurrent functions with different safety requirements. Besides a computing platform providing adequate isolation and fault tolerance mechanism, the development of an MCS application shall also comply with the guidelines defined by the safety standards. A way to lower the overall MCS certification cost is to adopt a platform-based design (PBD) development approach. PBD is a model-based development (MBD) approach, where separate models of logic, hardware and deployment support the analysis of the resulting system properties and behaviour. The PBD development of MCSs benefits from a composition of modular safety properties (e.g. modular safety cases), which support the derivation of mixed-criticality product lines. The validation and verification (V&V) activities claim a substantial effort during the development of programmable electronics for safety-critical applications. As for the MCS dependability assessment, the purpose of the V&V is to provide evidences supporting the safety claims. The model-based development of MCSs adds more V&V tasks, because additional analysis (e.g., simulations) need to be carried out during the design phase. During the MCS integration phase, typically hardware-in-the-loop (HiL) plant simulators support the V&V campaigns, where test automation and fault-injection are the key to test repeatability and thorough exercise of the safety mechanisms. This dissertation proposes several V&V artefacts re-use strategies to perform an early verification at system level for a distributed MCS, artefacts that later would be reused up to the final stages in the development process: a test code re-use to verify the fault-tolerance mechanisms on a functional model of the system combined with a non-intrusive software fault-injection, a model to X-in-the-loop (XiL) and code-to-XiL re-use to provide models of the plant and distributed embedded nodes suited to the HiL simulator, and finally, an argumentation framework to support the automated composition and staged completion of modular safety-cases for dependability assessment, in the context of the platform-based development of mixed-criticality systems relying on the DREAMS harmonized platform.La dificultad para evaluar la seguridad de los sistemas de criticidad mixta (SCM) aumenta con la heterogeneidad del sistema, las restricciones de diseño y una complejidad creciente. Los SCM adoptan el paradigma de arquitectura integrada, donde un hardware embebido compacto comprende múltiples plataformas de ejecución e interfaces de comunicación para implementar funciones concurrentes y con diferentes requisitos de seguridad. Además de una plataforma de computación que provea un aislamiento y mecanismos de tolerancia a fallos adecuados, el desarrollo de una aplicación SCM además debe cumplir con las directrices definidas por las normas de seguridad. Una forma de reducir el coste global de la certificación de un SCM es adoptar un enfoque de desarrollo basado en plataforma (DBP). DBP es un enfoque de desarrollo basado en modelos (DBM), en el que modelos separados de lógica, hardware y despliegue soportan el análisis de las propiedades y el comportamiento emergente del sistema diseñado. El desarrollo DBP de SCMs se beneficia de una composición modular de propiedades de seguridad (por ejemplo, casos de seguridad modulares), que facilitan la definición de líneas de productos de criticidad mixta. Las actividades de verificación y validación (V&V) representan un esfuerzo sustancial durante el desarrollo de aplicaciones basadas en electrónica confiable. En la evaluación de la seguridad de un SCM el propósito de las actividades de V&V es obtener las evidencias que apoyen las aseveraciones de seguridad. El desarrollo basado en modelos de un SCM incrementa las tareas de V&V, porque permite realizar análisis adicionales (por ejemplo, simulaciones) durante la fase de diseño. En las campañas de pruebas de integración de un SCM habitualmente se emplean simuladores de planta hardware-in-the-loop (HiL), en donde la automatización de pruebas y la inyección de faltas son la clave para la repetitividad de las pruebas y para ejercitar completamente los mecanismos de tolerancia a fallos. Esta tesis propone diversas estrategias de reutilización de artefactos de V&V para la verificación temprana de un MCS distribuido, artefactos que se emplearán en ulteriores fases del desarrollo: la reutilización de código de prueba para verificar los mecanismos de tolerancia a fallos sobre un modelo funcional del sistema combinado con una inyección de fallos de software no intrusiva, la reutilización de modelo a X-in-the-loop (XiL) y código a XiL para obtener modelos de planta y nodos distribuidos aptos para el simulador HiL y, finalmente, un marco de argumentación para la composición automatizada y la compleción escalonada de casos de seguridad modulares, en el contexto del desarrollo basado en plataformas de sistemas de criticidad mixta empleando la plataforma armonizada DREAMS.Kritikotasun nahastuko sistemen segurtasun ebaluazioa jarduera neketsua da beraien heterogeneotasuna dela eta. Sistema hauen oinarria arkitektura integratuen paradigman datza, non hardware konpaktu batek exekuzio plataforma eta komunikazio interfaze ugari integratu ahal dituen segurtasun baldintza desberdineko funtzio konkurrenteak inplementatzeko. Konputazio plataformek isolamendu eta akatsen aurkako mekanismo egokiak emateaz gain, segurtasun arauek definituriko jarraibideak jarraitu behar dituzte kritikotasun mistodun aplikazioen garapenean. Sistema hauen zertifikazio prozesuaren kostua murrizteko aukera bat plataformetan oinarritutako garapenean (PBD) datza. Garapen planteamendu hau modeloetan oinarrituriko garapena da (MBD) non modeloaren logika, hardware eta garapen desberdinak sistemaren propietateen eta portaeraren aurka aztertzen diren. Kritikotasun mistodun sistemen PBD garapenak etekina ateratzen dio moduluetan oinarrituriko segurtasun propietateei, adibidez: segurtasun kasu modularrak (MSC). Modulu hauek kritikotasun mistodun produktu-lerroak ere hartzen dituzte kontutan. Berifikazio eta balioztatze (V&V) jarduerek esfortzu kontsideragarria eskatzen dute segurtasun-kiritikoetarako elektronika programagarrien garapenean. Kritikotasun mistodun sistemen konfiantzaren ebaluazioaren eta V&V jardueren helburua segurtasun eskariak jasotzen dituzten frogak proportzionatzea da. Kritikotasun mistodun sistemen modelo bidezko garapenek zeregin gehigarriak atxikitzen dizkio V&V jarduerari, fase honetan analisi gehigarriak (hots, simulazioak) zehazten direlako. Bestalde, kritikotasun mistodun sistemen integrazio fasean, hardware-in-the-loop (Hil) simulazio plantek V&V iniziatibak sostengatzen dituzte non testen automatizazioan eta akatsen txertaketan funtsezko jarduerak diren. Jarduera hauek frogen errepikapena eta segurtasun mekanismoak egiaztzea ahalbidetzen dute. Tesi honek V&V artefaktuen berrerabilpenerako estrategiak proposatzen ditu, kritikotasun mistodun sistemen egiaztatze azkarrerako sistema mailan eta garapen prozesuko azken faseetaraino erabili daitezkeenak. Esate baterako, test kodearen berrabilpena akats aurkako mekanismoak egiaztatzeko, modelotik X-in-the-loop (XiL)-ra eta kodetik XiL-rako konbertsioa HiL simulaziorako eta argumentazio egitura bat DREAMS Europear proiektuan definituriko arkitektura estiloan oinarrituriko segurtasun kasu modularrak automatikoki eta gradualki sortzeko

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems

On the Design of Future Communication Systems with Coded Transport, Storage, and Computing

Communication systems are experiencing a fundamental change. There are novel applications that require an increased performance not only of throughput but also latency, reliability, security, and heterogeneity support from these systems. To fulfil the requirements, future systems understand communication not only as the transport of bits but also as their storage, processing, and relation. In these systems, every network node has transport storage and computing resources that the network operator and its users can exploit through virtualisation and softwarisation of the resources. It is within this context that this work presents its results. We proposed distributed coded approaches to improve communication systems. Our results improve the reliability and latency performance of the transport of information. They also increase the reliability, flexibility, and throughput of storage applications. Furthermore, based on the lessons that coded approaches improve the transport and storage performance of communication systems, we propose a distributed coded approach for the computing of novel in-network applications such as the steering and control of cyber-physical systems. Our proposed approach can increase the reliability and latency performance of distributed in-network computing in the presence of errors, erasures, and attackers

Annual Report 2018-2019

It contains the statement of R&D works undertaken, achievement made and the expenditure by the laboratory during the financial year 2018-2019

Using Sensor Redundancy in Vehicles and Smartphones for Driving Security and Safety

The average American spends around at least one hour driving every day. During that time the driver utilizes various sensors to enhance their commute. Approximately 77% of smartphone users rely on navigation apps daily. Consumer grade OBD dongles that collect vehicle sensor data to monitor safe driving habits are common. Existing sensing applications pertaining to our drive are often separate from each other and fail to learn from and utilize the information gained by other sensing streams and other drivers. In order to best leverage the widespread use of sensing capabilities, we have to unify and coordinate the different sensing streams in a meaningful way. This dissertation explores and validates the following thesis: Sensing the same phenomenon from multiple perspectives can enhance vehicle safety, security and transportation. First, it presents findings from an exploratory study on unifying vehicular sensor streams. We explored combining sensory data from within one vehicle through pairwise correlation and across multiple vehicles through normal models built with principal component analysis and cluster analysis. Our findings from this exploratory study motivated the rest of this thesis work on using sensor redundancy for CAN-bus injection detection and driving hazard detection. Second, we unify the phone sensors with vehicle sensors to detect CAN bus injection attacks that compromise vehicular sensor values. Specifically, we answer the question: Are phone sensors accurate enough to detect typical CAN bus injection attacks found in literature? Through extensive tests we found that phone sensors are sufficiently accurate to detect many CAN-bus injection attacks. Third, we construct GPS trajectories from multiple vehicles nearby to find stationary and mobile driving hazards such as a bicyclist on the side of the road. Such a tool will effectively extend the repertoire of current navigation assistant applications such as Google Maps which detect and warn drivers about upcoming stationary hazards. Finally, we present an easy-to-use tool to help developers and researchers quickly build and prototype data-collection apps that naturally exploit sensing redundancy. Overall, this thesis provides a unified basis for exploiting sensing redundancy existing inside a single vehicle as well as between different vehicles to enhance driving safety and security.PHDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/155154/1/arungan_1.pd

Advanced Modeling, Control, and Optimization Methods in Power Hybrid Systems - 2021

The climate changes that are becoming visible today are a challenge for the global research community. In this context, renewable energy sources, fuel cell systems and other energy generating sources must be optimally combined and connected to the grid system using advanced energy transaction methods. As this reprint presents the latest solutions in the implementation of fuel cell and renewable energy in mobile and stationary applications such as hybrid and microgrid power systems based on the Energy Internet, blockchain technology and smart contracts, we hope that they will be of interest to readers working in the related fields mentioned above