Desenvolvimento de técnicas de tolerância à falhas para componentes programáveis por SRAM

Este artigo discute técnicas de tolerância à falhas para componentes programáveis, conhecidos por FPGAs (Field Programmable Cate Arrays). Essas técnicas baseiam-se em modificações a nível de circuito lógico implementadas em descrição de alto nível, sem modificação na arquitetura do FPGA. O método baseado em descrição de alto nível utiliza redundância tripla de módulos (TMR) e a combinação entre redundância dupla de módulos (DMR) com detecção de erros concorrentes (CED), que pode lidar com falhas na parte lógica combinacional e seqüencial. Os métodos foram validados por experimentos ele injeção de falhas emulados em uma placa de prototipação. Os resultados foram analisados em termos de confiabilidade, número de pinos de entrada e saída, área e desempenho.This paper discusses fault-tolerant techniques for programmable devices, the well-know FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). These techniques can be based on circuit level modifications, implemented at the high-level description, without modification in the FPGA architecture. The high-level method is based on Triple Modular Redundancy (TMR) and a combination of Duplication Modular Redundancy (DMR) with Concurrent Error Detection (CED) techniques, which are able to cope with upsets in the combinational and in the sequential logic. The methodology was validated by fault injection experiments in an emulation board. Results have been analyzed in terms of reliability, input and output pin count, area and performance

Testing a fault tolerant mixed-signal design under TID and heavy ions

This work presents results of three distinctradiation tests performed upon a fault tolerant data acqui-sition system comprising a design diversity redundancytechnique. The first and second experiments are Total Ion-izing Dose (TID) essays, comprising gamma and X-rayirradiations. The last experiment considers single eventeffects, in which two heavy ion irradiation campaignsare carried out. The case study system comprises threeanalog-to-digital converters and two software-based vot-ers, besides additional software and hardware resourcesused for controlling, monitoring and memory manage-ment. The applied Diversity Triple Modular Redundancy(DTMR) technique, comprises different levels of diversity(temporal and architectural). The circuit was designed ina programmable System-on-Chip (PSoC), fabricated in a130nm CMOS technology process. Results show that thetechnique may increase the lifetime of the system underTID if comparing with a non-redundant implementation.Considering the heavy ions experiments the system wasproved effective to tolerate 100% of the observed errorsoriginated in the converters, while errors in the process-ing unit present a higher criticality. Critical errors occur-ring in one of the voters were also observed. A secondheavy ion campaign was then carried out to investigatethe voters reliability, comparing the the dynamic cross sec-tion of three different software-based voter schemes im-plemented in the considered PSoC

Desenvolvimento de técnicas de tolerância a falhas transientes em componentes programáveis por SRAM

This thesis presents the study and development of fault-tolerant techniques for programmable architectures, the well-known Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), customizable by SRAM. FPGAs are becoming more valuable for space applications because of the high density, high performance, reduced development cost and re-programmability. In particular, SRAM-based FPGAs are very valuable for remote missions because of the possibility of being reprogrammed by the user as many times as necessary in a very short period. SRAM-based FPGA and micro-controllers represent a wide range of components in space applications, and as a result will be the focus of this work, more specifically the Virtex® family from Xilinx and the architecture of the 8051 micro-controller from Intel. The Triple Modular Redundancy (TMR) with voters is a common high-level technique to protect ASICs against single event upset (SEU) and it can also be applied to FPGAs. The TMR technique was first tested in the Virtex® FPGA architecture by using a small design based on counters. Faults were injected in all sensitive parts of the FPGA and a detailed analysis of the effect of a fault in a TMR design synthesized in the Virtex® platform was performed. Results from fault injection and from a radiation ground test facility showed the efficiency of the TMR for the related case study circuit. Although TMR has showed a high reliability, this technique presents some limitations, such as area overhead, three times more input and output pins and, consequently, a significant increase in power dissipation. Aiming to reduce TMR costs and improve reliability, an innovative high-level technique for designing fault-tolerant systems in SRAM-based FPGAs was developed, without modification in the FPGA architecture. This technique combines time and hardware redundancy to reduce overhead and to ensure reliability. It is based on duplication with comparison and concurrent error detection. The new technique proposed in this work was specifically developed for FPGAs to cope with transient faults in the user combinational and sequential logic, while also reducing pin count, area and power dissipation. The methodology was validated by fault injection experiments in an emulation board. The thesis presents comparison results in fault coverage, area and performance between the discussed techniques.Esse trabalho consiste no estudo e desenvolvimento de técnicas de proteção a falhas transientes, também chamadas single event upset (SEU), em circuitos programáveis customizáveis por células SRAM. Os projetistas de circuitos eletrônicos estão cada vez mais predispostos a utilizar circuitos programáveis, conhecidos como Field Programmable Gate Array (FPGA), para aplicações espaciais devido a sua alta flexibilidade lógica, alto desempenho, baixo custo no desenvolvimento, rapidez na prototipação e principalmente pela reconfigurabilidade. Em particular, FPGAs customizados por SRAM são muito importantes para missões espaciais pois podem ser rapidamente reprogramados à distância quantas vezes for necessário. A técnica de proteção baseada em redundância tripla, conhecida como TMR, é comumente utilizada em circuitos integrados de aplicações específicas e pode também ser aplicada em circuitos programáveis como FPGAs. A técnica TMR foi testada no FPGA Virtex® da Xilinx em aplicações como contadores e micro-controladores. Falhas foram injetadas em todos as partes sensíveis da arquitetura e seus efeitos foram detalhadamente analisados. Os resultados de injeção de falhas e dos experimentos sob radiação em laboratório comprovaram a eficácia do TMR em proteger circuitos sintetizados em FPGAs customizados por SRAM. Todavia, essa técnica possui algumas limitações como aumento em área, uso de três vezes mais pinos de entrada e saída (E/S) e conseqüentemente, aumento na dissipação de potência. Com o objetivo de reduzir custos no TMR e melhorar a confiabilidade, uma técnica inovadora de tolerância a falhas para FPGAs customizados por SRAM foi desenvolvida para ser implementada em alto nível, sem modificações na arquitetura do componente. Essa técnica combina redundância espacial e temporal para reduzir custos e assegurar confiabilidade. Ela é baseada em duplicação com um circuito comparador e um bloco de detecção concorrente de falhas. Esta nova técnica proposta neste trabalho foi especificamente projetada para tratar o efeito de falhas transientes em blocos combinacionais e seqüenciais na arquitetura reconfigurável, reduzir o uso de pinos de E/S, área e dissipação de potência. A metodologia foi validada por injeção de falhas emuladas em uma placa de prototipação. O trabalho mostra uma comparação nos resultados de cobertura de falhas, área e desempenho entre as técnicas apresentadas

Desenvolvimento de técnicas de tolerância a falhas transientes em componentes programáveis por SRAM

This thesis presents the study and development of fault-tolerant techniques for programmable architectures, the well-known Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), customizable by SRAM. FPGAs are becoming more valuable for space applications because of the high density, high performance, reduced development cost and re-programmability. In particular, SRAM-based FPGAs are very valuable for remote missions because of the possibility of being reprogrammed by the user as many times as necessary in a very short period. SRAM-based FPGA and micro-controllers represent a wide range of components in space applications, and as a result will be the focus of this work, more specifically the Virtex® family from Xilinx and the architecture of the 8051 micro-controller from Intel. The Triple Modular Redundancy (TMR) with voters is a common high-level technique to protect ASICs against single event upset (SEU) and it can also be applied to FPGAs. The TMR technique was first tested in the Virtex® FPGA architecture by using a small design based on counters. Faults were injected in all sensitive parts of the FPGA and a detailed analysis of the effect of a fault in a TMR design synthesized in the Virtex® platform was performed. Results from fault injection and from a radiation ground test facility showed the efficiency of the TMR for the related case study circuit. Although TMR has showed a high reliability, this technique presents some limitations, such as area overhead, three times more input and output pins and, consequently, a significant increase in power dissipation. Aiming to reduce TMR costs and improve reliability, an innovative high-level technique for designing fault-tolerant systems in SRAM-based FPGAs was developed, without modification in the FPGA architecture. This technique combines time and hardware redundancy to reduce overhead and to ensure reliability. It is based on duplication with comparison and concurrent error detection. The new technique proposed in this work was specifically developed for FPGAs to cope with transient faults in the user combinational and sequential logic, while also reducing pin count, area and power dissipation. The methodology was validated by fault injection experiments in an emulation board. The thesis presents comparison results in fault coverage, area and performance between the discussed techniques.Esse trabalho consiste no estudo e desenvolvimento de técnicas de proteção a falhas transientes, também chamadas single event upset (SEU), em circuitos programáveis customizáveis por células SRAM. Os projetistas de circuitos eletrônicos estão cada vez mais predispostos a utilizar circuitos programáveis, conhecidos como Field Programmable Gate Array (FPGA), para aplicações espaciais devido a sua alta flexibilidade lógica, alto desempenho, baixo custo no desenvolvimento, rapidez na prototipação e principalmente pela reconfigurabilidade. Em particular, FPGAs customizados por SRAM são muito importantes para missões espaciais pois podem ser rapidamente reprogramados à distância quantas vezes for necessário. A técnica de proteção baseada em redundância tripla, conhecida como TMR, é comumente utilizada em circuitos integrados de aplicações específicas e pode também ser aplicada em circuitos programáveis como FPGAs. A técnica TMR foi testada no FPGA Virtex® da Xilinx em aplicações como contadores e micro-controladores. Falhas foram injetadas em todos as partes sensíveis da arquitetura e seus efeitos foram detalhadamente analisados. Os resultados de injeção de falhas e dos experimentos sob radiação em laboratório comprovaram a eficácia do TMR em proteger circuitos sintetizados em FPGAs customizados por SRAM. Todavia, essa técnica possui algumas limitações como aumento em área, uso de três vezes mais pinos de entrada e saída (E/S) e conseqüentemente, aumento na dissipação de potência. Com o objetivo de reduzir custos no TMR e melhorar a confiabilidade, uma técnica inovadora de tolerância a falhas para FPGAs customizados por SRAM foi desenvolvida para ser implementada em alto nível, sem modificações na arquitetura do componente. Essa técnica combina redundância espacial e temporal para reduzir custos e assegurar confiabilidade. Ela é baseada em duplicação com um circuito comparador e um bloco de detecção concorrente de falhas. Esta nova técnica proposta neste trabalho foi especificamente projetada para tratar o efeito de falhas transientes em blocos combinacionais e seqüenciais na arquitetura reconfigurável, reduzir o uso de pinos de E/S, área e dissipação de potência. A metodologia foi validada por injeção de falhas emuladas em uma placa de prototipação. O trabalho mostra uma comparação nos resultados de cobertura de falhas, área e desempenho entre as técnicas apresentadas

Tbulk-BICS : a Built-in current sensor robust to process and temperature variations for soft error detection

This paper presents a parameterized current sensor able to detect transient ionization in the silicon substrate. Each sensor is controlled by a set of trimming bits that can be used to attune the sensitivity of the sensor compensating process and temperature variations. By choosing different configurations in the trimming bits, it is possible to adjust the performance of the sensor, which can increase the number of transistors monitored by a single sensor reducing the area overhead. Monte Carlo simulations are used to evaluate the sensor behavior. Results from a case-study circuit with embedded Tbulk-BICS confirm the efficiency of the technique

Single event transients in logic circuits - load and propagation induced pulse broadening

The generation and propagation of single event transients (SET) in logic gate chains is studied and modeled. Regarding SET generation, we investigate the dependence of the generated SET pulse width on the struck node capacitance. Rising node capacitance may lead to amplified pulse width, indicating that increasing load capacitance alone is not an option for radiation hardening. SET propagation in logic chains is also studied, and it is shown that significant broadening or attenuation of the propagated transient pulse width may be observed. It is shown that the chain design (propagation delay of high to low and low to high transitions) has a major impact on broadening or attenuation of the propagated transient pulse. For the first time a suitable model for SET broadening is provided

Single event transients in logic circuits - load and propagation induced pulse broadening

The generation and propagation of single event transients (SET) in logic gate chains is studied and modeled. Regarding SET generation, we investigate the dependence of the generated SET pulse width on the struck node capacitance. Rising node capacitance may lead to amplified pulse width, indicating that increasing load capacitance alone is not an option for radiation hardening. SET propagation in logic chains is also studied, and it is shown that significant broadening or attenuation of the propagated transient pulse width may be observed. It is shown that the chain design (propagation delay of high to low and low to high transitions) has a major impact on broadening or attenuation of the propagated transient pulse. For the first time a suitable model for SET broadening is provided