Este trabalho consiste em um estudo acerca dos efeitos da radiação em circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SoC), baseados em FPGAs (Field-Programmable Gate Array). Dentre os diversos efeitos que podem ensejar falhas nos circuitos integrados, destacam-se a ocorrência de Single Event Effects (SEEs), Efeitos Transitórios em tradução livre, e a Dose Total Ionizante, do inglês Total Ionizing Dose (TID). SEEs podem ocorrer em razão da incidência de nêutrons originários de interações de raios cósmicos com a atmosfera terrestre, íons pesados provenientes do espaço e prótons originários do Sol (vento solar) e dos cinturões de Van Allen. A Dose Total Ionizante diz respeito à exposição prolongada de um circuito integrado à radiação ionizante e cuja consequência é a alteração das características elétricas de partes do dispositivo em razão das cargas elétricas induzidas pela radiação e acumuladas nas interfaces dos semicondutores. Dentro desse contexto, este trabalho descreve em detalhes a caracterização do SoC-FPGA baseado em memória FLASH e de sinais mistos SmartFusion A2F200-FG484, da empresa Microsemi, quando exposto à radiação (SEEs e TID) através do uso da técnica de Redundância Diversificada visando a detecção de erros. Também, uma arquitetura que utiliza um esquema baseado em Redundância Modular Tripla e Diversificada é testada através da sua implementação no FPGA baseado em memória SRAM da família Spartan-6, modelo LX45, da empresa Xilinx, visando a detecção e correção de erros causados pela radiação (SEEs). Os resultados obtidos mostram que os diversos blocos funcionais que compõe SoC SmartFusion apresentam diferentes níveis de tolerância à radiação e que o uso das técnicas de Redundância Modular Tripla e Redundância Diversificada em conjunto mostrou-se extremamente eficiente no que se refere a tolerância a SEEs. / This work consists in a study about the radiation effects in programmable circuits and System-on-Chips (SoCs) based on FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays). Single Event Effects (SEEs) and Total Ionizing Dose (TID) are the two main effects caused by the radiation incidence, and both can imply in the occurrence of failures in integrated circuits. SEEs are due to the incidence of neutrons derived from the interaction of the cosmic rays with the terrestrial atmosphere, as well as heavy ions coming from the space and protons provided from the solar wind and the Van Allen belts. Total Ionizing Dose regards the prolonged exposure of an integrated circuit to the ionizing radiation, which deviates the standard electrical characteristics of the device due to radiation-induced electrical charges accumulated in the semiconductors’ interfaces. In this context, this work aims to describe in details the characterization of Microsemi’s mixed-signal SoC-FPGA SmartFusion A2F200-FG484 when exposed to radiation (SEEs and TID), using a Diverse Redundancy approach for error detection. As well, an architecture using a Diversified Triple Modular Redundancy scheme was tested (SEEs) through its implementation in a Xilinx’s Spartan-6 LX45 FPGA, aiming error detection and correction. The results obtained show that several functional blocks from SmartFusion have different radiation tolerance levels and that the use of the Triple Modular Redundancy together with Diversified Redundancy proved to be extremely efficient in terms of SEEs tolerance.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:06:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4747.pdf: 5016839 bytes, checksum: ca7594d5895754f4ee9eb215e548c3cc (MD5) Previous issue date: 2012-11-23 / Financiadora de Estudos e Projetos / In recent years, performance improvements in sequential microprocessors have been limited by physical and technological factors. For this reason, alternative approaches for high performance execution have gained importance. One of them is based in the use of reconfigurable hardware, implemented using FPGAs. However, conventional methods for programming those devices are notoriously complex, usually based on hardware description languages such as VHDL and Verilog. This work presents the development of a compilation framework to support the translation of a loop, described in C language, into its corresponding version for synthesis in reconfigurable hardware. The optimized execution is based on the loop pipelining technique, which requires advanced compiler support. That is achieved by using the Cetus compiler, enhanced by a number of modifications, and thus used as a basis for the semi-automatic generation of custom-hardware accelerators. In order to guide the compiler developments and validate its basic functionalities, two study cases were considered: one based on finite state machines as the method of choice for hardware modelling (EC-1), and another based on the LALP domain specific language. In both cases, the proposed compilation framework have shown to be a facilitator element for the development of high performance custom-hardware. / O aumento no desempenho de processadores sequenciais tem sido limitado severamente por fatores físicos e tecnológicos nos últimos anos. Dessa forma, abordagens alternativas para a execução com alto desempenho ganharam maior importância nos últimos anos. Uma delas baseia-se na utilização de hardware customizado, implementado utilizando-se FPGAs. Entretanto, os métodos convencionais para programação desses dispositivos são notoriamente complexos, normalmente baseados em linguagens como VHDL e Verilog. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um framework de compilação para auxiliar a transformação de um loop, escrito em linguagem C, em sua versão para hardware customizado. A execução otimizada baseia-se na técnica de loop pipelining, a qual exige suporte avançado de compilação. Este é conseguido utilizando o compilador Cetus, que após uma série de modificações, pode ser utilizado como base para a geração semi-automática de aceleradores em hardware customizado. Como forma de guiar o desenvolvimento do compilador e validar suas funcionalidades básicas, dois casos de estudo foram considerados: um baseado na utilização de máquinas de estados finitos como método para a modelagem de hardware (EC-1), e outro baseado na linguagem de domínio específico LALP (EC-2). Em ambos os casos, o framework de compilação proposto mostrou-se útil como elemento facilitador ao desenvolvimento de hardware customizado de alto desempenho.

Este trabalho consiste em um estudo acerca dos efeitos da radiação em circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SoC), baseados em FPGAs (Field-Programmable Gate Array). Dentre os diversos efeitos que podem ensejar falhas nos circuitos integrados, destacam-se a ocorrência de Single Event Effects (SEEs), Efeitos Transitórios em tradução livre, e a Dose Total Ionizante, do inglês Total Ionizing Dose (TID). SEEs podem ocorrer em razão da incidência de nêutrons originários de interações de raios cósmicos com a atmosfera terrestre, íons pesados provenientes do espaço e prótons originários do Sol (vento solar) e dos cinturões de Van Allen. A Dose Total Ionizante diz respeito à exposição prolongada de um circuito integrado à radiação ionizante e cuja consequência é a alteração das características elétricas de partes do dispositivo em razão das cargas elétricas induzidas pela radiação e acumuladas nas interfaces dos semicondutores. Dentro desse contexto, este trabalho descreve em detalhes a caracterização do SoC-FPGA baseado em memória FLASH e de sinais mistos SmartFusion A2F200-FG484, da empresa Microsemi, quando exposto à radiação (SEEs e TID) através do uso da técnica de Redundância Diversificada visando a detecção de erros. Também, uma arquitetura que utiliza um esquema baseado em Redundância Modular Tripla e Diversificada é testada através da sua implementação no FPGA baseado em memória SRAM da família Spartan-6, modelo LX45, da empresa Xilinx, visando a detecção e correção de erros causados pela radiação (SEEs). Os resultados obtidos mostram que os diversos blocos funcionais que compõe SoC SmartFusion apresentam diferentes níveis de tolerância à radiação e que o uso das técnicas de Redundância Modular Tripla e Redundância Diversificada em conjunto mostrou-se extremamente eficiente no que se refere a tolerância a SEEs. / This work consists in a study about the radiation effects in programmable circuits and System-on-Chips (SoCs) based on FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays). Single Event Effects (SEEs) and Total Ionizing Dose (TID) are the two main effects caused by the radiation incidence, and both can imply in the occurrence of failures in integrated circuits. SEEs are due to the incidence of neutrons derived from the interaction of the cosmic rays with the terrestrial atmosphere, as well as heavy ions coming from the space and protons provided from the solar wind and the Van Allen belts. Total Ionizing Dose regards the prolonged exposure of an integrated circuit to the ionizing radiation, which deviates the standard electrical characteristics of the device due to radiation-induced electrical charges accumulated in the semiconductors’ interfaces. In this context, this work aims to describe in details the characterization of Microsemi’s mixed-signal SoC-FPGA SmartFusion A2F200-FG484 when exposed to radiation (SEEs and TID), using a Diverse Redundancy approach for error detection. As well, an architecture using a Diversified Triple Modular Redundancy scheme was tested (SEEs) through its implementation in a Xilinx’s Spartan-6 LX45 FPGA, aiming error detection and correction. The results obtained show that several functional blocks from SmartFusion have different radiation tolerance levels and that the use of the Triple Modular Redundancy together with Diversified Redundancy proved to be extremely efficient in terms of SEEs tolerance.

Este trabalho consiste em um estudo acerca dos efeitos da radiação em circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SoC), baseados em FPGAs (Field-Programmable Gate Array). Dentre os diversos efeitos que podem ensejar falhas nos circuitos integrados, destacam-se a ocorrência de Single Event Effects (SEEs), Efeitos Transitórios em tradução livre, e a Dose Total Ionizante, do inglês Total Ionizing Dose (TID). SEEs podem ocorrer em razão da incidência de nêutrons originários de interações de raios cósmicos com a atmosfera terrestre, íons pesados provenientes do espaço e prótons originários do Sol (vento solar) e dos cinturões de Van Allen. A Dose Total Ionizante diz respeito à exposição prolongada de um circuito integrado à radiação ionizante e cuja consequência é a alteração das características elétricas de partes do dispositivo em razão das cargas elétricas induzidas pela radiação e acumuladas nas interfaces dos semicondutores. Dentro desse contexto, este trabalho descreve em detalhes a caracterização do SoC-FPGA baseado em memória FLASH e de sinais mistos SmartFusion A2F200-FG484, da empresa Microsemi, quando exposto à radiação (SEEs e TID) através do uso da técnica de Redundância Diversificada visando a detecção de erros. Também, uma arquitetura que utiliza um esquema baseado em Redundância Modular Tripla e Diversificada é testada através da sua implementação no FPGA baseado em memória SRAM da família Spartan-6, modelo LX45, da empresa Xilinx, visando a detecção e correção de erros causados pela radiação (SEEs). Os resultados obtidos mostram que os diversos blocos funcionais que compõe SoC SmartFusion apresentam diferentes níveis de tolerância à radiação e que o uso das técnicas de Redundância Modular Tripla e Redundância Diversificada em conjunto mostrou-se extremamente eficiente no que se refere a tolerância a SEEs. / This work consists in a study about the radiation effects in programmable circuits and System-on-Chips (SoCs) based on FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays). Single Event Effects (SEEs) and Total Ionizing Dose (TID) are the two main effects caused by the radiation incidence, and both can imply in the occurrence of failures in integrated circuits. SEEs are due to the incidence of neutrons derived from the interaction of the cosmic rays with the terrestrial atmosphere, as well as heavy ions coming from the space and protons provided from the solar wind and the Van Allen belts. Total Ionizing Dose regards the prolonged exposure of an integrated circuit to the ionizing radiation, which deviates the standard electrical characteristics of the device due to radiation-induced electrical charges accumulated in the semiconductors’ interfaces. In this context, this work aims to describe in details the characterization of Microsemi’s mixed-signal SoC-FPGA SmartFusion A2F200-FG484 when exposed to radiation (SEEs and TID), using a Diverse Redundancy approach for error detection. As well, an architecture using a Diversified Triple Modular Redundancy scheme was tested (SEEs) through its implementation in a Xilinx’s Spartan-6 LX45 FPGA, aiming error detection and correction. The results obtained show that several functional blocks from SmartFusion have different radiation tolerance levels and that the use of the Triple Modular Redundancy together with Diversified Redundancy proved to be extremely efficient in terms of SEEs tolerance.

Field Programmable Gate Array (FPGA) devices offer a suitable platform for survivable hardware architectures in mission-critical systems. In this dissertation, active dynamic redundancy-based fault-handling techniques are proposed which exploit the dynamic partial reconfiguration capability of SRAM-based FPGAs. Self-adaptation is realized by employing reconfiguration in detection, diagnosis, and recovery phases. To extend these concepts to semiconductor aging and process variation in the deep submicron era, resilient adaptable processing systems are sought to maintain quality and throughput requirements despite the vulnerabilities of the underlying computational devices. A new approach to autonomous fault-handling which addresses these goals is developed using only a uniplex hardware arrangement. It operates by observing a health metric to achieve Fault Demotion using Recon- figurable Slack (FaDReS). Here an autonomous fault isolation scheme is employed which neither requires test vectors nor suspends the computational throughput, but instead observes the value of a health metric based on runtime input. The deterministic flow of the fault isolation scheme guarantees success in a bounded number of reconfigurations of the FPGA fabric. FaDReS is then extended to the Priority Using Resource Escalation (PURE) online redundancy scheme which considers fault-isolation latency and throughput trade-offs under a dynamic spare arrangement. While deep-submicron designs introduce new challenges, use of adaptive techniques are seen to provide several promising avenues for improving resilience. The scheme developed is demonstrated by hardware design of various signal processing circuits and their implementation on a Xilinx Virtex-4 FPGA device. These include a Discrete Cosine Transform (DCT) core, Motion Estimation (ME) engine, Finite Impulse Response (FIR) Filter, Support Vector Machine (SVM), and Advanced Encryption Standard (AES) blocks in addition to MCNC benchmark circuits. A iii significant reduction in power consumption is achieved ranging from 83% for low motion-activity scenes to 12.5% for high motion activity video scenes in a novel ME engine configuration. For a typical benchmark video sequence, PURE is shown to maintain a PSNR baseline near 32dB. The diagnosability, reconfiguration latency, and resource overhead of each approach is analyzed. Compared to previous alternatives, PURE maintains a PSNR within a difference of 4.02dB to 6.67dB from the fault-free baseline by escalating healthy resources to higher-priority signal processing functions. The results indicate the benefits of priority-aware resiliency over conventional redundancy approaches in terms of fault-recovery, power consumption, and resource-area requirements. Together, these provide a broad range of strategies to achieve autonomous recovery of reconfigurable logic devices under a variety of constraints, operating conditions, and optimization criteria.

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Space debris and space situational awareness (SSA) have become growing concerns for national security and the sustainability of space operations, where timely detection and tracking of space objects is critical in preventing collision events. Traditional computer-vision algorithms have been used extensively to solve detection and tracking problems in flight, but recently deep learning approaches have seen widespread adoption in non-space related applications for their high accuracy. The performanceper-watt and flexibility of reconfigurable Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) make them a good candidate for deep learning model deployment in space, supporting in-flight updates and maintenance. However, the FPGA design costs of custom accelerators for complex algorithms remains high. The research focus of the thesis relies on novel high-level synthesis (HLS) workflows that allow the developer to raise the level of abstraction and lower design costs for deep learning accelerators, particularly for space-representative applications. To this end, four different hardware accelerators of convolutional neural network models for spacebased debris detection are implemented (ResNet, SqueezeNet, DenseNet, TinyCNN), using the open-source HLS tool NNgen. The obtained hardware accelerators are deployed to a reconfigurable module of the Zynq Ultrascale+ MPSoC programmable logic, and compared in terms of inference performance, resource utilization and latency. The tests on the target hardware show a detection accuracy over 95% for ResNet, DenseNet and SqueezeNet, and a localization intersection-over-union over 0.5 for the deep models, and over 0.7 for TinyCNN, for space debris objects at a range between 1km and 100km for a diameter of 1cm, or between 100km and 1000km for a diameter of 10cm. The obtained speed-ups with respect to software-only implementations lay between 3x and 32x for the different hardware accelerators. / Rymdskrot och rymdsituationstänksamhet (SSA) har blivit växande oro för nationell säkerhet och hållbarheten för rymdoperationer, där snabb upptäckt och spårning av rymdobjekt är avgörande för att förhindra kollisioner. Traditionella datorseendealgoritmer har använts omfattande för att lösa problem med upptäckt och spårning i flygning, men på senare tid har djupinlärningsmetoder fått stor användning inom icke rymdrelaterade applikationer på grund av sin höga noggrannhet. Prestandaper-watt och flexibiliteten hos omkonfigurerbara Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) gör dem till en bra kandidat för distribution av djupinlärningsmodeller i rymden, med stöd för uppdateringar och underhåll under flygning. Men FPGAdesignkostnaderna för anpassade acceleratorer för komplexa algoritmer är fortfarande höga. Forskningsfokus för avhandlingen ligger på nya högnivåsyntes (HLS) arbetsflöden som gör det möjligt för utvecklaren att höja abstraktionsnivån och sänka designkostnaderna för acceleratorer för djupinlärning, särskilt för tillämpningar i rymden. För detta har fyra olika hårdvaruacceleratorer för modeller av konvolutionsnätverk för upptäckt av rymdbaserat skrot implementerats (ResNet, SqueezeNet, DenseNet, TinyCNN), med hjälp av öppen källkod HLS-verktyget NNgen. De erhållna hårdvaruacceleratorerna distribueras till en omkonfigurerbar modul av Zynq Ultrascale+ MPSoC-programmerbar logik och jämförs med avseende på inferensprestanda, resursutnyttjande och latens. Testerna på målhardwaren visar en upptäktnoggrannhet på över 95% för ResNet, DenseNet och SqueezeNet, och en lokaliserings-intersektion-över-union på över 0,5 för de djupa modellerna och över 0,7 för TinyCNN för rymdskrotobjekt på en avstånd mellan 1 km och 100 km för en diameter på 1 cm eller mellan 100 km och 1000 km för en diameter på 10 cm. De erhållna hastighetsökningarna i förhållande till endast programvara ligger mellan 3x och 32x för de olika hårdvaruacceleratorerna.

Actualmente, las tecnologías CMOS submicrónicas son básicas para el desarrollo de los modernos sistemas basados en computadores, cuyo uso simplifica enormemente nuestra vida diaria en una gran variedad de entornos, como el gobierno, comercio y banca electrónicos, y el transporte terrestre y aeroespacial. La continua reducción del tamaño de los transistores ha permitido reducir su consumo y aumentar su frecuencia de funcionamiento, obteniendo por ello un mayor rendimiento global. Sin embargo, estas mismas características que mejoran el rendimiento del sistema, afectan negativamente a su confiabilidad. El uso de transistores de tamaño reducido, bajo consumo y alta velocidad, está incrementando la diversidad de fallos que pueden afectar al sistema y su probabilidad de aparición. Por lo tanto, existe un gran interés en desarrollar nuevas y eficientes técnicas para evaluar la confiabilidad, en presencia de fallos, de sistemas fabricados mediante tecnologías submicrónicas. Este problema puede abordarse por medio de la introducción deliberada de fallos en el sistema, técnica conocida como inyección de fallos. En este contexto, la inyección basada en modelos resulta muy interesante, ya que permite evaluar la confiabilidad del sistema en las primeras etapas de su ciclo de desarrollo, reduciendo por tanto el coste asociado a la corrección de errores. Sin embargo, el tiempo de simulación de modelos grandes y complejos imposibilita su aplicación en un gran número de ocasiones. Esta tesis se centra en el uso de dispositivos lógicos programables de tipo FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) para acelerar los experimentos de inyección de fallos basados en simulación por medio de su implementación en hardware reconfigurable. Para ello, se extiende la investigación existente en inyección de fallos basada en FPGA en dos direcciones distintas: i) se realiza un estudio de las tecnologías submicrónicas existentes para obtener un conjunto representativo de modelos de fallos transitorios / Andrés Martínez, DD. (2007). Speeding-up model-based fault injection of deep-submicron CMOS fault models through dynamic and partially reconfigurable FPGAS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1943