Os processadores embarcados operando em sistemas de segurança ou de missão crítica não podem falhar. Qualquer falha neste tipo de aplicação pode levar a consequências inaceitáveis, como risco de vida ou danos à propriedade ou ao meio ambiente. Os sistemas embarcados que operam em aplicações aeroespaciais são sucetíveis à falhas transientes induzidas por radiação. Entretanto, os efeitos de radiação também podem ser observados ao nível do solo. Falhas transientes afetam os processadores modificando os valores armazenados em elementos de memória, tais como registradores e memória de dados. Essas falhas podem levar o processador a executar incorretamente a aplicação, provocando erros na saída ou travamentos no sistema. Os avanços recentes em processadores embarcados concistem na integração de processadores hard-core e FPGAs. Tais dispositivos, comumente chamados de Sistemas-em-Chip Totalmente Programáveis (APSoCs), também são sucetíveis aos efeitos de radiação. Com objetivo de minimizar esse problema de tolerância a falhas, este trabalho apresenta um Dual-Core LockStep (DCLS) como uma técnica de tolerância para mitigar falhas induzidas por radiação que afetam processadores embarcados em APSoCs. Lockstep é um método baseado em redundância usado para detectar e corrigir falhas transientes. O DCLS proposto é implementado em um processador ARM Cortex-A9 hard-core embarcado no APSoC Zynq-7000. A eficiência da abordagem implementada foi validada tanto em aplicações executando em bare-metal como no sistema operacional FreeRTOS. Experimentos com íons pesados e emulação de falhas por injeção foram executados para analisar a sucetibilidade do sistema a inversão de bits. Os resultados obtidos mostram que a abordagem é capaz de diminuir a seção de choque do sistema com uma alta taxa de proteção. O sistema DCLS mitigou com sucesso até 78% das falhas injetadas. Otimizações de software também foram avaliadas para uma melhor compreenção dos trade-offs entre desempenho e confiabilidade. Através da análise de diferentes partições de software, observou-se que o tempo de execução de um bloco da aplicação deve ser muito maior que o tempo de verificação para que se obtenha menor impacto em desempenho. A avaliação de otimizações de compilador demonstrou que utilizar o nível O3 aumenta a vulnerabilidade da aplicação à falhas transientes. Como o O3 requer o uso de mais registradores que os otros níveis de otimização, o sistema se torna mais sucetível à falhas. Por outro lado, os resultados dos experimentos de radiação apontam que a aplicação compilada com nível O3 obtém maior Carga de Trabalho Média Entre Falhas (MWBF). Como a aplicação executa mais rápido, mais dados são computados corretamente antes da ocorrência de um erro. / The embedded processors operating in safety- or mission-critical systems are not allowed to fail. Any failure in such applications could lead to unacceptable consequences as life risk or significant damage to property or environment. Concerning faults originated by the radiation-induced soft errors, the embedded systems operating in aerospace applications are particularly susceptible. However, the radiation effects can also be observed at ground level. Soft errors affect processors by modifying values stored in memory elements, such as registers and data memory. These faults may lead the processor to execute an application incorrectly, generating output errors or leading hangs and crashes in the system. The recent advances in embedded systems concern the integration of hard-core processors and FPGAs. Such devices, called All Programmable System-on-Chip (APSoC), are also susceptible to radiation effects. Aiming to address this fault tolerance problem this work presents a Dual-Core LockStep (DCLS) as a fault tolerance technique to mitigate radiation-induced faults affecting processors embedded into APSoCs. Lockstep is a method based on redundancy used to detect and correct soft errors. The proposed DCLS is implemented in a hard-core ARM Cortex-A9 embedded into a Zynq-7000 APSoC. The approach efficiency was validated not only on applications running in baremetal but also on top of FreeRTOS systems. Heavy ions experiments and fault injection emulation were performed to analyze the system susceptibility to bit-flips. The obtained results show that the approach is able to decrease the system cross section with a high rate of protection. The DCLS system successfully mitigated up to 78% of the injected faults. Software optimizations were also evaluated to understand the trade-offs between performance and reliability better. By the analysis of different software partitions, it was observed that the execution time of an application block must to be much longer than the verification time to achieve fewer performance penalties. The compiler optimizations assessment demonstrate that using O3 level increases the application vulnerability to soft errors. Because O3 handles more registers than other optimizations, the system is more susceptible to faults. On the other hand, results from radiation experiments show that O3 level provides a higher Mean Workload Between Failures (MWBF). As the application runs faster, more data are correctly computed before an error occurrence.

Ao se projetar um novo processador, o desempenho não é mais o único objetivo de otimização. Reduzir o consumo de energia também é essencial, pois, enquanto a maior parte dos dispositivos embarcados depende fortemente de bateria, os processadores de propósito geral (GPPs) são restringidos pelos limites da energia térmica de projeto (TDP – thermal design power). Além disso, devido à evolução da tecnologia, a taxa de falhas transientes tem aumentado nos processadores modernos, o que afeta a confiabilidade de sistemas tanto no espaço quanto no nível do mar. Adicionalmente, a maioria dos processadores homogêneos e heterogêneos tem um design fixo, o que limita a adaptação em tempo de execução. Nesse cenário, nós propomos dois designs de processadores que são capazes de realizar o trade-off entre esses eixos de acordo com a aplicação alvo e os requisitos do sistema. Ambos designs baseiam-se em um mecanismo de duplicação de instruções com rollback que detecta e corrige falhas, um módulo de power gating para reduzir o consumo de energia das unidades funcionais. O primeiro é chamado de processador adaptativo e usa thresholds, definidos em tempo de projeto, para adaptar a execução da aplicação Adicionalmente, ele controla o ILP da aplicação para criar mais oportunidade de duplicação e de power gating. O segundo design é chamado processador polimórfico e ele avalia (em tempo de execução) a melhor configuração de hardware a ser usada para cada aplicação. Ele também explora o hardware disponível para maximizar o número de aplicações que são executadas em paralelo. Para a versão adaptativa usando uma configuração orientada a otimização de energia, é possível, em média, economizar 37,2% de energia com um overhead de apenas 8,2% em performance, mantendo baixos níveis de defeito, quando comparado a um design tolerante a falhas. Para a versão polimórfica, os resultados mostram que a reconfiguração dinâmica do processador é capaz de adaptar eficientemente o hardware ao comportamento da aplicação, de acordo com os requisitos especificados pelo designer, chegando a 94.88% do resultado de um processador oráculo quando o trade-off entre os três eixos é considerado. Por outro lado, a melhor configuração estática apenas atinge 28.24% do resultado do oráculo. / Performance is no longer the only optimization goal when designing a new processor. Reducing energy consumption is also mandatory: while most of the embedded devices are heavily dependent on battery power, General-Purpose Processors (GPPs) are being pulled back by the limits of Thermal Design Power (TDP). Moreover, due to technology scaling, soft error rate (i.e., transient faults) has been increasing in modern processors, which affects the reliability of both space and ground-level systems. In addition, most traditional homogeneous and heterogeneous processors have a fixed design, which limits its runtime adaptability. Therefore, they are not able to cope with the changing application behavior when one considers the axes of fault tolerance, performance, and energy consumption altogether. In this context, we propose two processor designs that are able to trade-off these three axes according to the application at hand and system requirements. Both designs rely on an instruction duplication with rollback mechanism that can detect and correct errors and a power gating module to reduce the energy consumption of the functional units The former design, called adaptive processor, uses thresholds defined at design time to allow runtime adaptation of the application’s execution and controls the application’s Instruction-Level Parallelism (ILP) to create more slots for duplication or power gating. The latter design (polymorphic processor) takes the former one step further by dynamically reconfiguring the hardware and evaluating different processor configurations for each application, and it also exploits the available pipelanes to maximize the number of applications that are executed concurrently. For the adaptive processor using an energy-oriented configuration, it is possible, on average, to reduce energy consumption by 37.2% with an overhead of only 8.2% in performance, while maintaining low levels of failure rate, when compared to a fault-tolerant design. For the polymorphic processor, results show that the dynamic reconfiguration of the processor is able to efficiently match the hardware to the behavior of the application, according to the requirements of the designer, achieving 94.88% of the result of an oracle processor when the trade-off between the three axes is considered. On the other hand, the best static configuration only achieves 28.24% of the oracle’s result.

Os efeitos de radiação têm sido um dos problemas mais sérios em aplicações militares e espaciais. Mas eles também são uma preocupação crescente em tecnologias modernas, mesmo para aplicações comerciais no nível do solo. A proteção dos circuitos integrados contra os efeitos da radiação podem ser obtidos através do uso de processos de fabricação aprimorados e de estratégias em diferentes estágios do projeto do circuito. A técnica de TMR é bem conhecida e amplamente empregada para mascarar falhas únicas sem detectálas. No entanto, o projeto de circuitos TMR não é automatizado por ferramentas EDA comerciais e até mesmo eles podem remover parcial ou totalmente a lógica redundante. Por outro lado, existem várias ferramentas que podem ser usadas para implementar a técnica de TMR em circuitos integrados, embora a maioria delas sejam ferramentas comerciais licenciadas, convenientes apenas para dispositivos específicos, ou com uso restrito por causa do regime ITAR. O presente trabalho pretende superar esses incovenientes, para isso uma metodologia é proposta para automatizar o projeto de circuitos TMR utilizando um fluxo de projeto comercial. A abordagem proposta utiliza um netlist estruturado para implementar automaticamente os circuitos TMR em diferentes níveis de granularidade de redundância para projetos baseados em células e FPGA. A otimização do circuito TMR resultante também é aplicada com base na abordagem do dimensionamento de portas lógicas. Além disso, a verificação do circuito TMR implementado é baseada na verificação de equivalência e garante sua funcionalidade correta e sua capacidade de tolerancia a falhas simples. Experimentos com um circuito derivado de HLS e uma descrição ofuscada do soft-core ARM Cortex-M0 foram realizados para mostrar o uso e as vantagens do fluxo de projeto proposto. Diversas questões relacionadas à remoção da lógica redundante implementada foram encontradas, bem como o impacto no incremento de área causado pelos votadores de maioria. Além disso, a confiabilidade de diferentes implementações de TMR do soft core ARM sintetizado em FPGA foi avaliada usando campanhas de injeção de falhas emuladas. Como resultado, foi reforçado o nível de alta confiabilidade da implemntação com mais fina granularidade, mesmo na presença de até 10 falhas acumuladas, e a menor capacidade de mitigação correspondente à replicação de flip-flops apenas. / Radiation effects have been one of the most serious issues in military and space applications. But they are also an increasing concern in modern technologies, even for commercial applications at the ground level. Protection or hardening of integrated circuits against radiation effects can be obtained through the use of enhanced fabrication processes and strategies at different stages of the circuit design. The triple modular redundancy (TMR) technique is a widely and well-known technique employed to mask single faults without detecting them. However, the design of TMR circuits is not automated by commercial electronic design automation (EDA) tools and even they can remove partially or totally the redundant logic. On the other hand, there are several tools that can be used to implement the TMR technique in integrated circuits, although most of them are licensed commercial tools, convenient only for specific devices, or with restricted use because of the International Traffic in Arms Regulations (ITAR) regimen. The present work intends to overcome these issues so a methodology is proposed to automate the design of TMR circuits using a commercial design flow. The proposed approach uses a structured netlist to implement automatically TMR circuits at different granularity levels of redundancy for cell-based and field-programmable gate array (FPGA) designs. Optimization of the resulting TMR circuit is also applied based on the gate sizing approach. Moreover, verification of the implemented TMR circuit is based on equivalence checking, and guarantee its correct functionality and its fault-tolerant capability against soft errors. Experiments with an high-level synthesis (HLS)-derived circuit and an obfuscated description of the ARM Cortex-M0 soft-core are performed to show the use and the advantages of the proposed design flow. Several issues related to the removal of the implemented redundant logic were found as well as the impact in the increment of area caused by the majority voters. Furthermore, the reliability of different TMR implementations of the ARM soft-core synthesized in FPGA was evaluated using emulated-simulation fault injection campaigns. As a result, it was reinforced the high-reliability level of the finest granularity implementation even in the presence of up to 10 accumulated faults and the poorest mitigation capacity corresponding to the replication of flip-flops solely.

Der aktuelle Stand der Technologie bringt schnellere und kleinere Bausteine für die Herstellung von integrierten Schaltungen mit sich, die während sie effizienter sind auch anfälliger für Strahlung werden. Kleinere Abmessungen der Transistoren, höhere Integrationsdichte, geringere Versorgungsspannungen und höhere Betriebsfrequenzen sind einige der Charakteristika, die energiegeladene Partikel zu einer Herausforderung machen, wenn man integrierte Schaltungen in rauen Umgebungen einsetzt. Diese Art der Partikel hat einen sehr großen Einfluss auf Prozessoren, die in einer solchen Umgebung eingesetzt werden. Sowohl die Ausführung des Programms, welche durch fehlerhafte Sprünge in der Programmsequenz beeinflusst wird, als auch Daten, die in speichernden Elementen wie Programmspeicher, Datenspeicher oder in Registern abgelegt sind, werden verfälscht. Um solche Prozessorsysteme abzusichern, wird in der Literatur Fehlertoleranz empfohlen, welche die Systemperformanz verringert, einen größeren Flächenverbrauch mit sich bringt und das System dennoch nicht komplett schützen kann. Diese Fehlertoleranz kann sowohl durch software- als auch durch hardwarebasierte Ansätze umgesetzt werden. In diesem Zusammenhang schlagen wir eine Kombination aus Hardware- und Software- Lösung vor, welche die Systemperformanz nur sehr wenig beeinflusst und den zusätzlichen Speicheraufwand minimiert. Diese Hybrid-Technologie zielt darauf ab, alle Fehler in einem System zu finden. Fünf solcher Techniken werden beschrieben und erklärt, zwei der vorgestellten Techniken sind bekannte Software-Lösungen, die anderen drei sind neue Hybrid-Lösungen, um alle transienten Effekte von Strahlung in Prozessoren erkennen zu können. Diese unterschiedlichen Ansätze werden anhand ihrer Ausführungszeit, Programm-, Datenspeicher, Flächenvergrößerung und Taktfrequenz analysiert und ausgewertet. Um die Effizienz und die Machbarkeit des vorgeschlagenen Ansatzes verifizieren zu können, werden Fehlerinjektionstests sowohl durch Simulation als auch durch Bestrahlungsexperimente in unterschiedlichen Positionen mit einer Cobalt-60 Quelle durchgeführt. Die Ergebnisse des vorgeschlagenen Ansatzes verbessern den Stand der Technik durch die Bereitstellung einer höheren Fehlererkennungsrate bei sehr geringer negativer Beeinflussung der Performanz und des Speicherverbrauchs. / Os recentes avanços tecnológicos proporcionaram dispositivos menores e mais rápidos para a fabricação de circuitos que, apesar de mais eficientes, se tornaram mais sensíveis aos efeitos de radiação. Menores dimensões de transistores, mais densidade de integração, tensões de alimentação mais baixas e frequências de operação mais altas são algumas das características que tornaram partículas energizadas um problema, quando lidando com sistemas integrados em ambientes severos. Estes tipos de partículas tem uma grande influencia em processadores funcionando em tais ambientes, afetando tanto o fluxo de execução do programa ao causar desvios incorretos, bem como os dados armazenados em elementos de memória, como memórias de dados e programas e registradores. A fim de proteger sistemas processados, técnicas de tolerância a falhas foram propostas na literatura usando propostas baseadas em hardware, software, que diminuem o desempenho do sistema, aumentam a sua área e não são capazes de proteger totalmente o sistema destes efeitos. Neste contexto, propomos a combinação de técnicas baseadas em hardware e software para criar técnicas híbridas orientadas a detectar todas as falhas que afetam o sistema, com baixa degradação de desempenho e aumento de memória. Cinco técnicas são apresentadas e descritas em detalhes, das quais duas são conhecidas técnicas baseadas puramente em software e três são técnicas híbridas novas, para detectar todos os tipos de efeitos transientes causados pela radiação em processadores. As técnicas são avaliadas de acordo com o aumento no tempo de execução, no uso das memórias de dados e programa e de área, e degradação da frequência de operação. Para verificar a eficiência e aplicabilidade das técnicas propostas, campanhas de injeção de falhas são realizadas ao se simular a injeção de falhas e realizar experimentos de irradiação em diferentes localidades com nêutron e fontes de Cobalto-60. Os resultados mostraram que as técnicas propostas aprimoraram o estado da arte ao fornecer altas taxas de detecção de falhas com baixas penalidades em degradação de desempenho e aumento de memória. / Recent technology advances have provided faster and smaller devices for manufacturing circuits that while more efficient have become more sensitive to the effects of radiation. Smaller transistor dimensions, higher density integration, lower voltage supplies and higher operating frequencies are some of the characteristics that make energized particles an issue when dealing with integrated circuits in harsh environments. These types of particles have a major influence in processors working in such environments, affecting both the program’s execution flow by causing incorrect jumps in the program, and the data stored in memory elements, such as data and program memories, and registers. In order to protect processor systems, fault tolerance techniques have been proposed in literature using hardware-based and software-based approaches, which decrease the system’s performance, increase its area, and are not able to fully protect the system against such effects. In this context, we proposed a combination of hardware- and software-based techniques to create hybrid techniques aimed at detecting all the faults affecting the system, at low performance degradation and memory overhead. Five techniques are presented and described in detail, from which two are known software-based only techniques and three are new hybrid techniques, to detect all kinds of transient effects caused by radiation in processors. The techniques are evaluated according to execution time, program and data memories, and area overhead and operating frequency degradation. To verify the effectiveness and the feasibility of the proposed techniques, fault injection campaigns are performed by injecting faults by simulation and performing irradiation experiments in different locations with neutrons and a Cobalt-60 sources. Results have shown that the proposed techniques improve the state-of-the-art by providing high fault detection rates at low penalties on performance degradation and memory overhead.

Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) são largamente utilizadas em sistemas digitais por características como flexibilidade, baixo custo e alta densidade. Estas características advém do uso de células de SRAM na memória de configuração, o que torna estes dispositivos suscetíveis a erros induzidos por radiação, tais como SEUs. TMR é o método de mitigação mais utilizado, no entanto, possui um elevado custo tanto em área como em energia, restringindo seu uso em aplicações de baixo custo e/ou baixo consumo. Como alternativa a TMR, propõe-se utilizar DMR associado a um mecanismo de reparo da memória de configuração da FPGA chamado scrubbing. O reparo de FPGAs em sistemas em tempo real apresenta desafios específicos. Além da garantia da computação correta dos dados, esta computação deve se dar completamente dentro do tempo disponível (time-slot), devendo ser finalizada antes do tempo limite (deadline). A diferença entre o tempo de computação dos dados e a deadline é chamado de slack e é o tempo disponível para reparo do sistema. Este trabalho faz uso de scrubbing deslocado dinâmico, que busca maximizar a probabilidade de reparo da memória de configuração de FPGAs dentro do slack disponível, baseado em um diagnóstico do erro. O scrubbing deslocado já foi utilizado com técnicas de diagnóstico de grão fino (NAZAR, 2015). Este trabalho propõe o uso de técnicas de diagnóstico de grão grosso para o scrubbing deslocado, evitando as penalidades de desempenho e custos em área associados a técnicas de grão fino. Circuitos do conjunto MCNC foram protegidos com as técnicas propostas e submetidos a seções de injeção de erros (NAZAR; CARRO, 2012a). Os dados obtidos foram analisados e foram calculadas as melhores posição iniciais do scrubbing para cada um dos circuitos. Calculou-se a taxa de Failure-in-Time (FIT) para comparação entre as diferentes técnicas de diagnóstico propostas. Os resultados obtidos confirmaram a hipótese inicial deste trabalho que a redução do número de bits sensíveis e uma baixa degradação do período do ciclo de relógio permitiram reduzir a taxa de FIT quando comparadas com técnicas de grão fino. Por fim, uma comparação entre as três técnicas propostas é feita, analisando o desempenho e custos em área associados a cada uma. / Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are widely used in digital systems due to characteristics such as flexibility, low cost and high density. These characteristics are due to the use of SRAM memory cells in the configuration memory, which make these devices susceptible to radiation-induced errors, such as SEUs. TMR is the most used mitigation technique, but it has an elevated cost both in area as well as in energy, restricting its use in low cost/low energy applications. As an alternative to TMR, we propose the use of DMR associated with a repair mechanism of the FPGA configuration memory called scrubbing. The repair of FPGA in real-time systems present a specific set of challenges. Besides guaranteeing the correct computation of data, this computation must be completely carried out within the available time (time-slot), being finalized before a time limit (deadline). The difference between the computation time and the deadline is called the slack and is the time available to repair the system. This work uses a dynamic shifted scrubbing that aims to maximize the repair probability of the configuration memory of the FPGA within the available slack based on error diagnostic. The shifted scrubbing was already proposed with fine-grained diagnostic techniques (NAZAR, 2015). This work proposes the use of coarse-grained diagnostic technique as a way to avoid the performance penalties and area costs associated to fine-grained techniques. Circuits of the MCNC suite were protected by the proposed techniques and subject to error-injection campaigns (NAZAR; CARRO, 2012a). The obtained data was analyzed and the best scrubbing starting positions for each circuit were calculated. The Failure-in-Time (FIT) rates were calculated to compare the different proposed diagnostic techniques. The obtained results validated the initial hypothesis of this work that the reduction of the number of sensitive bits and a low degradation of the clock cycle allowed a reduced FIT rate when compared with fine-grained diagnostic techniques. Finally, a comparison is made between the proposed techniques, considering performance and area costs associated to each one.

Unidades gráficas de processamento, mais conhecidas como GPUs (Graphics Processing Unit), são dispositivos que possuem um grande poder de processamento paralelo com respectivo baixo custo de operação. Sua capacidade de simultaneamente manipular grandes blocos de memória a credencia a ser utilizada nas mais variadas aplicações, tais como processamento de imagens, controle de tráfego aéreo, pesquisas acadêmicas, dentre outras. O termo GPGPUs (General Purpose Graphic Processing Unit) designa o uso de GPUs utilizadas na computação de aplicações de uso geral. A rápida proliferação das GPUs com ao advento de um modelo de programação amigável ao usuário fez programadores utilizarem essa tecnologia em aplicações onde confiabilidade é um requisito crítico, como aplicações espaciais, automotivas e médicas. O crescente uso de GPUs nestas aplicações faz com que novas arquiteturas deste dispositivo sejam propostas a fim de explorar seu alto poder computacional. A arquitetura FlexGrip (FLEXible GRaphIcs Processor) é um exemplo de GPGPU implementada em FPGA (Field Programmable Gate Array), sendo compatível com programas implementados especificamente para GPUs, com a vantagem de possibilitar a customização da arquitetura de acordo com a necessidade do usuário. O constante aumento da demanda por tecnologia fez com que GPUs de última geração sejam fabricadas em tecnologias com processo de fabricação de até 28nm, com frequência de relógio de até 1GHz. Esse aumento da frequência de relógio e densidade de transistores, combinados com a redução da tensão de operação, faz com que os transistores fiquem mais suscetíveis a falhas causadas por interferência de radiação. O modelo de programação utilizado pelas GPUs faz uso de constantes acessos a memórias e registradores, tornando estes dispositivos sensíveis a perturbações transientes em seus valores armazenados. Estas perturbações são denominadas Single Event Upset (SEU), ou bit-flip, e podem resultar em erros no resultado final da aplicação. Este trabalho tem por objetivo apresentar um modelo de injeção de falhas transientes do tipo SEU nos principais bancos de registradores da GPGPU Flexgrip, avaliando o comportamento da execução de diferentes algoritmos em presença de SEUs. O impacto de diferentes distribuições de recursos computacionais da GPU em sua confiabilidade também é abordado. Resultados podem indicar maneiras eficientes de obter-se confiabilidade explorando diferentes configurações de GPUs. / Graphic Process Units (GPUs) are specialized massively parallel units that are widely used due to their high computing processing capability with respective lower costs. The ability to rapidly manipulate high amounts of memory simultaneously makes them suitable for solving computer-intensive problems, such as analysis of air traffic control, academic researches, image processing and others. General-Purpose Graphic Processing Units (GPGPUs) designates the use of GPUs in applications commonly handled by Central Processing Units (CPUs). The rapid proliferation of GPUs due to the advent of significant programming support has brought programmers to use such devices in safety critical applications, like automotive, space and medical. This crescent use of GPUs pushed developers to explore its parallel architecture and proposing new implementations of such devices. The FLEXible GRaphics Processor (FlexGrip) is an example of GPGPU optimized for Field Programmable Arrays (FPGAs) implementation, fully compatible with GPU’s compiled programs. The increasing demand for computational has pushed GPUs to be built in cuttingedge technology down to 28nm fabrication process for the latest NVIDIA devices with operating clock frequencies up to 1GHz. The increases in operating frequencies and transistor density combined with the reduction of voltage supplies have made transistors more susceptible to faults caused by radiation. The program model adopted by GPUs makes constant accesses to its memories and registers, making this device sensible to transient perturbations in its stored values. These perturbations are called Single Event Upset (SEU), or just bit-flip, and might cause the system to experience an error. The main goal of this work is to study the behavior of the GPGPU FlexGrip under the presence of SEUs in a range of applications. The distribution of computational resources of the GPUs and its impact in the GPU confiability is also explored, as well as the characterization of the errors observed in the fault injection campaigns. Results can indicate efficient configurations of GPUs in order to avoid perturbations in the system under the presence of SEUs.

Partículas radioativas, ao atingirem o hardware dos sistemas computacionais, podem resultar em comportamentos inesperados durante a execução de um software. Tais comportamentos inesperados podem persistir por toda a vida útil do sistema ou podem ter uma duração limitada. Nesse último caso, temos o que chamamos de falhas transientes. Falhas transientes podem fazer com que as instruções do programa executem em uma sequência incorreta, o que chamamos de erros de fluxo de controle (Control-flow errors - CFEs). Estudos mostram que entre 33% e 77% das falhas transientes que afetam o hardware se manifestam como erros de fluxo de controle, dependendo do tipo do processador. Se o sistema não realizar nenhuma verificação em tempo de execução, um erro de fluxo de controle pode não ser detectado, o que pode resultar em uma execução incorreta do programa. Sistemas projetados para aplicações de baixo custo voltados para sistemas embarcados, onde os custos e desempenho são os fatores principais, utilizam técnicas baseadas em software para aumentar a confiabilidade do sistema. As técnicas baseadas em software para detecção de CFEs são conhecidas como signature monitoring ou signature checking. Essas técnicas introduzem código extra em todos os blocos básicos do programa com a finalidade de detectar os CFEs. Esse código extra implica em overhead, que pode ter uma grande variação dependendo da técnica utilizada. Na tentativa de minimizar o overhead imposto pelas técnicas de detecção de CFEs, neste trabalho foi desenvolvida a técnica de detecção e proteção de blocos básicos suscetíveis através da análise sistemática de single bit-flip. O objetivo da técnica é detectar os blocos básicos suscetíveis do programa através da análise sistemática de single bit-flip e proteger apenas esses blocos básicos. A técnica foi avaliada em termos de sua taxa de cobertura de falhas e desempenho. Para avaliar a taxa de cobertura falhas foram realizadas várias campanhas de injeção de falhas nos programas da suíte de benchmarks Mibench. A avaliação de desempenho foi feita com base na quantidade de instruções de máquina executadas pelos benchmarks, comparando quantidade de instruções antes e depois da utilização da técnica detecção e proteção de blocos básicos suscetíveis. Os resultados dos experimentos mostram que é possível reduzir em até 27,93% a quantidade de blocos básicos protegidos e ao mesmo tempo manter uma alta taxa de cobertura de falhas. Porém, em termos de desempenho, o ganho não ficou na mesma proporção da quantidade de blocos básicos não protegidos, ficando abaixo do esperado. / Radioactive particles hitting the hardware of computer systems may result in unexpected behavior during software execution. Such unexpected behavior may persist for the lifetime of the system or may have a limited duration. In the latter case, we have what is called a transient fault. Transient faults may cause the program instructions to execute in an incorrect sequence. This incorrect sequence is called a control flow error (CFE). Research show that between 33% to 77% of transient faults manifest themselves as CFEs, depending on the type of the processor. If the system does not perform any verification at runtime, a control flow error may be not detected, which can result in incorrect program execution. Systems projected to low-cost embedded applications, where cost and performance are the main factors, use software based techniques to improve system reliability. Software based techniques to detect CFEs are known as signature monitoring or signature checking. These techniques insert extra code in each basic block of the program in order to detect CFEs. This extra code add an undesirable overhead in the program, which can have large variation depending on the technique used. In the attempt to minimize the overhead added by CFEs detection techniques, this work developed a technique of detection and protection of susceptible basic blocks through systematic bit-flip analysis. The purpose of this technique is to detect the susceptible basic blocks of the program through the systematic bit-flip analysis and to protect only these basic blocks. The technique was evaluated based on its fault coverage rate and performance. To evaluate the fault coverage rate a fault injection campaing was performed in the programs of the Mibench benchmark suite. The performance evaluation was based in the number of instruction executed by each benchmark, comparing the number of instructions before and after the use of the proposed technique. The experimental results show that is possible to reduce up to 27,93% the amount of protected basic blocks, while keeping a high faults coverage hate. However, in terms of performance, the gain was not in the same proportion, being lower than expected.

As computer systems are built with aggressively scaled and unreliable technologies, some implementations rely on function specialization with reconfigurable computing to increase performance by exploiting parallelism, with possible energy gains. However, the use of reconfigurable devices in general purpose computing also brings extra reliability challenges at the system level. Solutions to cope with that are generally accompanied with the addition of excessive area, performance and power overheads to the overall system. These overheads could be reduced if a more extensive analysis was performed to evaluate the best fault tolerance strategy to balance the tradeoff between reliability and the mentioned aspects. In this context, this work present a comprehensive analysis of architectural design that includes the use of reliability modeling and takes into consideration aspects such as area, performance, and power. The analysis aims to assist the design of reliability-aware reconfigurable architectures by giving some indications about what kind of redundancy should be used in order to increase reliability. In the proposed analysis, we show that communication among functional units is critical to the overall reliability of reconfigurable architectures. Therefore, where most of the reliability investments should be made. Moreover, the analysis also demonstrate that there is a threshold in the amount of redundancy that can be added in order to increase reliability. This limit is determined by the fact that adding redundancy increases area overhead. This overhead influences reliability until overcomes the reliability gains. Therefore, even disregarding area cost, the gains in reliability will cease or even decrease. To provide a more extended evaluation, a fault tolerance approach was proposed to cope with permanent faults. The LOwER-FaT strategy is a mechanism embedded in a run-time reconfiguration mechanism that automatically selects the fault-free resources without adding extra time overhead to the configuration generation mechanism. The fault-tolerant strategy takes advantage of the on-line transparent configuration generation mechanism to transparently avoid faulty functional units and interconnects. Moreover, the strategy does not require the addition of spare resources. All the resources are used to accelerate execution, and only in case of fault, a resource is replaced by a working one, with a performance penalty caused by the reduction in the amount of resources. In spite of that, experimental results showed a mean performance degradation of 14% on overall performance under 20% fault rate. Moreover, reliability results indicated gains of around six orders of magnitude when the fault tolerance strategy was in place.

Nos últimos anos, os sistemas integrados em silício (SOCs - Systems-on-Chip) têm se tornado menos imunes a ruído, em decorrência dos ajustes necessários na tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Silicon) para garantir o funcionamento dos transistores com dimensões nanométricas. Dentre tais ajustes, a redução da tensão de alimentação e da tensão de limiar (threshold) tornam os SOCs mais suscetíveis a falhas transientes, principalmente aquelas provocadas pela colisão de partículas energéticas que provêm do espaço e encontram-se presentes na atmosfera terrestre. Quando uma partícula energética de alta energia colide com o dreno de um transistor que está desligado, ela perde energia e produz pares elétron-lacuna livres, resultando em uma trilha de ionização. A ionização pode gerar um pulso transiente de tensão que pode ser interpretado como uma mudança no sinal lógico. Em um circuito combinacional, o pulso pode propagar-se até ser armazenado em um elemento de memória. Tal fenômeno é denominado Single-Event Transient (SET). Como a tendência é que as dimensões dos dispositivos fabricados com tecnologia CMOS continuem reduzindo por mais alguns anos, a ocorrência de SETs em SOCs operando na superfície terrestre tende a aumentar, exigindo a adoção de técnicas de tolerância a falhas no projeto de SOCs. O presente trabalho tem por objetivo avaliar circuitos somadores tolerantes a falhas transientes encontrados na literatura. Duas arquiteturas de somadores foram escolhidas: Ripple Carry Adder (RCA) e Binary Signed Digit Adder (BSDA). O RCA foi escolhido por ser o tipo de somador de menor custo e por isso, amplamente utilizado em SOCs. Já o BSDA foi escolhido porque utiliza o sistema numérico de dígito binário com sinal (Binary Signed Digit – BSD). Por ser um sistema de representação redundante, o uso de BSD facilita a aplicação de técnicas de tolerância a falhas baseadas em redundância de informação. Os somadores protegidos avaliados foram projetados com as seguintes técnicas: Redundância Modular Tripla (Triple Modular Redundancy - TMR) e Recomputação com Entradas e Saídas Invertidas (RESI), no caso do RCA, e codificação 1 de 3 e verificação de paridade, no caso do BSDA. As 9 arquiteturas de somadores foram simuladas no nível elétrico usando o Modelo Tecnológico Preditivo (Predictive Technology Model - PTM) de 45nm e considerando quatro comprimentos de operandos: 4, 8, 16 e 32 bits. Os resultados obtidos permitiram quantificar o número de transistores, o atraso crítico e a potência média consumida por cada arquitetura protegida. Também foram realizadas campanhas de injeção de falhas, por meio de simulações no nível elétrico, para estimar o grau de proteção de cada arquitetura. Os resultados obtidos servem para guiar os projetistas de SOCs na escolha da arquitetura de somador tolerante a falhas mais adequada aos requisitos de cada projeto. / In the past recent years, integrated systems on a chip (Systems-on-chip - SOCs) became less immune to noise due to the adjusts in CMOS technology needed to assure the operation of nanometric transistors. Among such adjusts, the reductions in supply voltage and threshold voltage make SOSs more susceptible to transient faults, mainly those provoked by the collision of charged particles coming from the outer space that are present in the atmosphere. When a heavily energy charged particle hits the drain region of a transistor that is at the off state it produces free electron-hole pairs, resulting in an ionizing track. The ionization may generate a transient voltage pulse that can be interpreted as a change in the logic signal. In a combinational circuit, the pulse may propagate up to the primary outputs and may be captured by the output storage element. Such phenomenon is referred to as Single-Event Transient (SET). Since it is expected that transistor dimensions will continue to reduce in the next technological nodes, the occurrence of SETs at Earth surface will increase and therefore, fault tolerance techniques will become a must in the design of SOSs. The present work targets the evaluation of transient fault-tolerant adders found in the literature. Two adder architectures were chosen: the Ripple-Carry Adder (RCA) and the Binary Signed Digit Adder (BSDA). The RCA was chosen because it is the least expensive and therefore, the most used architecture for SOS design. The BSDA, in turn, was chosen because it uses the Binary Signed Digit (BSD) system. As a redundant number system, the BSD paves the way to the implementation of fault-tolerant adders using information redundancy. The evaluated fault-tolerant adders were implemented by using the following techniques: Triple Module Redundancy (TMR) and Recomputing with Inverted Inputs and Outputs (RESI), in the case of the RCA, and 1 out of 3 coding and parity verification, in the case of the BSDA. A total of 9 adder architectures were simulated at the electric-level using the Predictive Technology Model (PTM) for 45nm in four different bitwidths: 4, 8, 16 and 32. The obtained results allowed for quantifying the number of transistors, critical delay and average power consumption for each fault-tolerant architecture. Fault injection campaigns were also accomplished by means of electric-level simulations to estimate the degree of protection of each architecture. The results obtained in the present work may be used to guide SOS designers in the choice of the fault-tolerant adder architecture that is most likely to satisfy the design requirements.

Este trabalho apresenta uma ferramenta configurável, denominada de CFT-tool, capaz de aplicar automaticamente técnicas de detecção de erros em software com o objetivo de proteger processadores com diferentes arquiteturas e organizações contra falhas transientes no hardware. As técnicas baseadas em redundância e comparação são aplicadas pela CFT-tool no código assembly de um programa desprotegido, compilado para a arquitetura alvo. A ferramenta desenvolvida foi validada utilizando dois processadores distintos: miniMIPS e LEON3. O processador miniMIPS foi utilizado para verificar a eficiência, em termos de taxa de detecção de erros, tempo de execução e ocupação de memória, das técnicas de detecção em software aplicadas pela CFT-tool, comparando os resultados obtidos com os presentes na literatura. O processador LEON3 foi selecionado por ser amplamente utilizado em aplicações espaciais e por ser baseado em uma arquitetura diferente da arquitetura do processador miniMIPS. Com o processador LEON3 é verificada a configurabilidade da CFT-tool, isto é, a capacidade dela de aplicar técnicas de detecção em software em um código compilado para um diferente processador, o mantendo funcional e sendo capaz de detectar erros. A CFT-tool pode ser utilizada para proteger programas para outras arquiteturas e organizações através da modificação dos arquivos de configuração da ferramenta. A configuração das técnicas é definida segundo as especificações da aplicação, recursos do processador e seleções do usuário. Programas foram protegidos e falhas foram injetadas em nível lógico em ambos os processadores. Para o processador miniMIPS, as taxas de detecção de erros, os tempos de execução e as ocupações de memórias dos programas protegidos se mostraram compatíveis com os resultados presentes na literatura. Resultados semelhantes foram encontrados para o processador LEON3. Diferenças entre os resultados ocorrem devido às características da arquitetura. A ferramenta CFT-tool por ser configurável pode proteger o código na integralidade ou selecionar partes do código e registradores que serão redundantes e protegidos. A vantagem de proteger parte do código é reduzir o custo final em termos de tempo de processamento e ocupação de memória. Uma análise do impacto da seleção seletiva de registradores na taxa de detecção de erros é apresentada. E diretivas de alcançar um comprometimento ótimo entre quantidade de registradores protegidos, taxa de detecção de erros e custo são discutidas. / This work presents a configurable tool, called CFT-tool, capable of automatically applying software-based error detection techniques aiming to protect processors with different architectures and organizations against transient faults in the hardware. The techniques are based on redundancy and comparison. They are applied by CFT-tool in the assembly code of an unprotected program, compiled to the target architecture. The developed tool was validated using two distinct processors: miniMIPS and LEON3. The miniMIPS processor has been utilized to verify the efficiency of the software-based techniques applied by CFT-tool in the assembly code of unprotected programs in terms of error detection rate, runtime and memory occupation, comparing the obtained results with those presented in the literature. The LEON3 processor was selected because it is largely adopted in space applications and because it is based on a different architecture that miniMIPS processor. The configurability of the CFT-tool is verified with the LEON3 processor, that is, the capability of the tool at applying software-based detection techniques in a code compiled to a different processor, maintaining it functional and capable of detecting errors. The CFT-tool can be utilized to protect programs compiled to other architectures and organizations by modifying the configuration files of the tool. The configuration of the techniques is defined by the specifications of the application, processor resources and selections of the user. Programs were protected and faults were injected in logical level in both processors. When using the miniMIPS processor, the error detection rates, runtimes and memory occupations of the protected programs are comparable to the results presents in the literature. Similar results are reached with the LEON3 processor. Differences between the results are due to architecture features. The CFT-tool can be configurable to protect the entire code or to select portions of the code or registers that will be redundant and protected. The advantage of protecting portions of the code is to reduce the final cost in terms of runtime and memory occupation. An analysis of the impact of selective selection of registers in the error detection rate is also presented. And policies to reach an optimum committal between amount of protected registers, error detection rate and cost are discussed.