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CMOS technology scaling is bringing new challenges to the designers in the form of new failure modes. The challenges include long term reliability failures and particle strike induced random failures. Studies have shown that increasingly, the largest contributor to the device reliability failures will be soft errors. Due to reliability concerns, the adoption of soft error mitigation techniques is on the increase. As the soft error mitigation techniques are increasingly adopted, the area and performance overhead incurred in their implementation also becomes pertinent. This thesis addresses the problem of providing low cost soft error mitigation. The main contributions of this thesis include, (i) proposal of a new delayed capture methodology for low overhead soft error detection, (ii) adopting Error Control Coding (ECC) for delayed capture methodology for correction of single event upsets, (iii) analyzing the impact of different derating factors to reduce the hardware overhead incurred by the above implementations, and (iv) proposal for hardware software co-design for reliability based upon critical component identification determined by the application executing on the hardware (as against standalone hardware analysis). This thesis first surveys existing soft error mitigation techniques and their associated limitations. It proposes a new delayed capture methodology as a low overhead soft error detection technique. Delayed capture methodology is an enhancement of the Razor flip-flop methodology. In the delayed capture methodology, the parity for a set of flip-flops is calculated at their inputs and outputs. The input parity is latched on a second clock, which is delayed with respect to the functional clock by more than the soft error pulse width. It requires an extra flip-flop for each set of flip-flops. On the other hand, in the Razor flip-flop methodology an additional flip-flop is required for every functional flip-flop. Due to the skew in the clocks, either the parity flip-flop or the functional flip-flop will capture the effect of transient, and hence by comparing the output parity and latched input parity an error can be detected. Fault injection experiments are performed to evaluate the bneefits and limitations of the proposed approach. The limitations include soft error detection escapes and lack of error correction capability. Different cases of soft error detection escapes are analyzed. They are attributed mainly to a Single Event Upset (SEU) causing multiple flip-flops within a group to be in error. The error space due to SEUs is analyzed and an intelligent flip-flop grouping method using graph theoretic formulations is proposed such that no SEU can cause multiple flip-flops within a group to be in error. Once the error occurs, leaving the correction aspects to the application may not be desirable. The proposed delayed capture methodology is extended to replace parity codes with codes having higher redundancy to enable correction. The hardware overhead due to the proposed methodology is analyzed and an area savings of about 15% is obtained when compared to an existing soft error mitigation methodology with equivalent coverage. The impact of different derating factors in determining the hardware overhead due to the soft error mitigation methodology is then analyzed. We have considered electrical derating and timing derating information for the evaluation purpose. The area overhead of the circuit with implementation of delayed capture methodology, considering different derating factors standalone and in combination is then analyzed. Results indicate that in different circuits, either a combination of these derating factors yield optimal results, or each of them considered standalone. This is due to the dependency of the solution on the heuristic nature of the algorithms used. About 23% area savings are obtained by employing these derating factors for a more optimal grouping of flip-flops. A new paradigm of hardware software co-design for reliability is finally proposed. This is based on application derating in which the application / firmware code is profiled to identify the critical components which must be guarded from soft errors. This identification is based on the ability of the application software to tolerate certain errors in hardware. An algorithm to identify critical components in the control logic based on fault injection is developed. Experimental results indicated that for a safety critical automotive application, only 12% of the sequential logic elements were found to be critical. This approach provides a framework for investigating how software methods can complement hardware methods, to provide a reduced hardware solution for soft error mitigation.

Confiabilidade é um parâmetro de projeto importante para aplicações criticas tanto na Terra como também no espaço. Os FPGAs baseados em memoria SRAM são atrativos para implementar aplicações criticas devido a seu alto desempenho e flexibilidade. No entanto, estes FPGAs são susceptíveis aos efeitos da radiação tais como os erros transientes na memoria de configuração. Além disso, outros efeitos como o envelhecimento (aging) ou escalonamento da tensão de alimentação (voltage scaling) incrementam a sensibilidade à radiação dos FPGAs. Nossos resultados experimentais mostram que o envelhecimento e o escalonamento da tensão de alimentação podem aumentar ao menos duas vezes a susceptibilidade de FPGAs baseados em SRAM a erros transientes. Estes resultados são inovadores porque estes combinam três efeitos reais que acontecem em FPGAs baseados em SRAM. Os resultados podem guiar aos projetistas a prever os efeitos dos erros transientes durante o tempo de operação do dispositivo em diferentes níveis de tensão. A correção da memoria usando a técnica de scrubbing é um método efetivo para corrigir erros transientes em memorias SRAM, mas este método impõe custos adicionais em termos de área e consumo de energia. Neste trabalho, nos propomos uma nova técnica de scrubbing usando a redundância interna a nível de quadros chamada FLR- scrubbing. Esta técnica possui mínimo consumo de energia sem comprometer a capacidade de correção. Como estudo de caso, a técnica foi implementada em um FPGA de tamanho médio Xilinx Virtex-5, ocupando 8% dos recursos disponíveis e consumindo seis vezes menos energia que um circuito corretor tradicional chamado blind scrubber. Além, a técnica proposta reduz o tempo de reparação porque evita o uso de uma memoria externa como referencia. E como outra contribuição deste trabalho, nos apresentamos os detalhes de uma plataforma de injeção de falhas múltiplas que permite emular os erros transientes na memoria de configuração do FPGA usando reconfiguração parcial dinâmica. Resultados de campanhas de injeção são apresentados e comparados com experimentos de radiação acelerada. Finalmente, usando a plataforma de injeção de falhas proposta, nos conseguimos analisar a efetividade da técnica FLR-scrubbing. Nos também confirmamos estes resultados com experimentos de radiação acelerada. / Reliability is an important design constraint for critical applications at ground-level and aerospace. SRAM-based FPGAs are attractive for critical applications due to their high performance and flexibility. However, they are susceptible to radiation effects such as soft errors in the configuration memory. Furthermore, the effects of aging and voltage scaling increment the sensitivity of SRAM-based FPGAs to soft errors. Experimental results show that aging and voltage scaling can increase at least two times the susceptibility of SRAM-based FPGAs to Soft Error Rate (SER). These findings are innovative because they combine three real effects that occur in SRAM-based FPGAs. Results can guide designers to predict soft error effects during the lifetime of devices operating at different power supply voltages. Memory scrubbing is an effective method to correct soft errors in SRAM memories, but it imposes an overhead in terms of silicon area and energy consumption. In this work, it is proposed a novel scrubbing technique using internal frame redundancy called Frame-level Redundancy Scrubbing (FLRscrubbing) with minimum energy consumption overhead without compromising the correction capabilities. As a case study, the FLR-scrubbing controller was implemented on a mid-size Xilinx Virtex-5 FPGA device, occupying 8% of available slices and consumes six times less energy per scrubbed frame than a classic blind scrubber. Also, the technique reduces the repair time by avoiding the use of an external golden memory for reference. As another contribution, this work presents the details of a Multiple Fault Injection Platform that emulates the configuration memory upsets of an FPGA using dynamic partial reconfiguration. Results of fault injection campaigns are presented and compared with accelerated ground-level radiation experiments. Finally, using our proposed fault injection platform it was possible to analyze the effectiveness of the FLR-scrubbing technique. Accelerated radiation tests confirmed these results.

A diminuição no tamanho dos transistores vem aumentando cada vez mais o número de funções que os dispositivos eletrônicos podem realizar. Apesar da diminuição do tamanho mínimo dos transistores, a velocidade máxima dos circuitos não consegue seguir a mesma taxa de aumento. Um dos grandes culpados apontados pelos pesquisadores são as interconexões entre os transistores e também entre os componentes. O aumento no número de interconexões dos circuitos traz consigo um significativo aumento do cosumo de energia, aumento do atraso de propagação dos sinais, além de um aumento da complexidade e custo do projeto dos circuitos integrados. Como uma possível solução a este problema é proposta a utilização de lógica multivalorada, mais especificamente, a lógica quaternária. Os dispositivos FPGAs são caracterizados principalmente pela grande flexibilidade que oferecem aos projetistas de sistemas digitais. Entretanto, com o avanço nas tecnologias de fabricação de circuitos integrados e diminuição das dimensões de fabricação, os problemas relacionados ao grande número de interconexões são uma preocupação para as próximas tecnologias de FPGAs. As tecnologias menores que 90nm possuem um grande aumento na taxa de erros dos circuitos, na lógica combinacional e sequencial. Apesar de algumas potenciais soluções começara a ser investigadas pela comunidade, a busca por circuitos tolerantes a erros induzidos por radiação, sem penalidades no desempenho, área ou potência, ainda é um assunto de pesquisa em aberto. Este trabalho propõe o uso de circuitos quaternários com modificações para tolerar falhas provenientes de eventos transientes. Como principal contribuição deste trabalho destaca-se o desenvolvimento de uma CLB (do inglês Configurable Logic Block) quaternária capaz de suportar eventos transientes e, na possibilidade de um erro, evitá-lo ou corrigi-lo. / The decrease in transistor size is increasing the number of functions that can be performed by the electronic devices. Despite this reduction in the transistors minimum size, the circuit’s speed does not follow the same rate. One of the major reasons pointed out by researchers are the interconnections between the transistors and between the components. The increase in the number of circuit interconnections brings a significant increase in energy consumption, propagation delay of signals, and an increase in the complexity and cost of new technologies IC designs. As a possible solution to this problem the use of multivalued logic is being proposed, more specifically, the quaternary logic. FPGA devices are characterized mainly by offering greater flexibility to designers of digital systems. However, with the advance in IC manufacturing technologies and the reduced size of the minimum fabricated dimensions, the problems related to the large number of interconnections are a concern for future technologies of FPGAs. The sub 90nm technologies have a large increase in the error rate of its functions for the combinational and sequential logic. Although potential solutions are being investigated by the community, the search for circuits tolerant to radiation induced errors, without performance, area, or power penalties, is still an open research issue. This work proposes the use of quaternary circuits with modifications to tolerate faults from transient events. The main contribution of this work is the development of a quaternary CLB (Configurable Logic Block) able to withstand transient events and the occurrence of soft errors.

A diminuição no tamanho dos dispositivos nas tecnologias do futuro traz consigo um grande aumento na taxa de erros dos circuitos, na lógica combinacional e seqüencial. Apesar de algumas potenciais soluções começarem a ser investigadas pela comunidade, a busca por circuitos tolerantes a erros induzidos por radiação, sem penalidades no desempenho, área ou potência, ainda é um assunto de pesquisa em aberto. Este trabalho propõe duas soluções para lidar com este comportamento imprevisível das tecnologias futuras: a primeira solução, chamada MemProc, é uma arquitetura baseada em memória que propõe reduzir a taxa de falhas de aplicações embarcadas micro-controladas. Esta solução baseia-se no uso de memórias magnéticas, que são tolerantes a falhas induzidas por radiação, e área de circuito combinacional reduzida para melhorar a confiabilidade ao processar quaisquer aplicações. A segunda solução proposta aqui é uma implementação de um IP de infra-estrutura para o processador MIPS indicada para sistemas em chip confiáveis, devido a sua adaptação rápida e por permitir diferentes níveis de robustez para a aplicação. A segunda solução é também indicada para sistemas em que nem o hardware nem o software podem ser modificados. Os resultados dos experimentos mostram que ambas as soluções melhoram a confiabilidade do sistema que fazem parte com custos aceitáveis e até, no caso da MemProc, melhora o desempenho da aplicação. / Device scaling in new and future technologies brings along severe increase in the soft error rate of circuits, for combinational and sequential logic. Although potential solutions are being investigated by the community, the search for circuits tolerant to radiation induced errors, without performance, area, or power penalties, is still an open research issue. This work proposes two solutions to cope with this unpredictable behavior of future technologies: the first solution, called MemProc, is a memory based architecture proposed to reduce the fault rate of embedded microcontrolled applications. This solution relies in the use magnetic memories, which are tolerant to radiation induced failures, and reduced combinational circuit area to improve the reliability when processing any application. The second solution proposed here is an infrastructure IP implementation for the MIPS architecture indicated for reliable systems-on-chip due to its fast adaptation and different levels of application hardening that are allowed. The second solution is also indicated for systems where neither the hardware nor the software can be modified. The experimental results show that both solutions improve the reliability of the system they take part with affordable overheads and even, as in the case of the MemProc solution, improving the performance results.

Confiabilidade é um parâmetro de projeto importante para aplicações criticas tanto na Terra como também no espaço. Os FPGAs baseados em memoria SRAM são atrativos para implementar aplicações criticas devido a seu alto desempenho e flexibilidade. No entanto, estes FPGAs são susceptíveis aos efeitos da radiação tais como os erros transientes na memoria de configuração. Além disso, outros efeitos como o envelhecimento (aging) ou escalonamento da tensão de alimentação (voltage scaling) incrementam a sensibilidade à radiação dos FPGAs. Nossos resultados experimentais mostram que o envelhecimento e o escalonamento da tensão de alimentação podem aumentar ao menos duas vezes a susceptibilidade de FPGAs baseados em SRAM a erros transientes. Estes resultados são inovadores porque estes combinam três efeitos reais que acontecem em FPGAs baseados em SRAM. Os resultados podem guiar aos projetistas a prever os efeitos dos erros transientes durante o tempo de operação do dispositivo em diferentes níveis de tensão. A correção da memoria usando a técnica de scrubbing é um método efetivo para corrigir erros transientes em memorias SRAM, mas este método impõe custos adicionais em termos de área e consumo de energia. Neste trabalho, nos propomos uma nova técnica de scrubbing usando a redundância interna a nível de quadros chamada FLR- scrubbing. Esta técnica possui mínimo consumo de energia sem comprometer a capacidade de correção. Como estudo de caso, a técnica foi implementada em um FPGA de tamanho médio Xilinx Virtex-5, ocupando 8% dos recursos disponíveis e consumindo seis vezes menos energia que um circuito corretor tradicional chamado blind scrubber. Além, a técnica proposta reduz o tempo de reparação porque evita o uso de uma memoria externa como referencia. E como outra contribuição deste trabalho, nos apresentamos os detalhes de uma plataforma de injeção de falhas múltiplas que permite emular os erros transientes na memoria de configuração do FPGA usando reconfiguração parcial dinâmica. Resultados de campanhas de injeção são apresentados e comparados com experimentos de radiação acelerada. Finalmente, usando a plataforma de injeção de falhas proposta, nos conseguimos analisar a efetividade da técnica FLR-scrubbing. Nos também confirmamos estes resultados com experimentos de radiação acelerada. / Reliability is an important design constraint for critical applications at ground-level and aerospace. SRAM-based FPGAs are attractive for critical applications due to their high performance and flexibility. However, they are susceptible to radiation effects such as soft errors in the configuration memory. Furthermore, the effects of aging and voltage scaling increment the sensitivity of SRAM-based FPGAs to soft errors. Experimental results show that aging and voltage scaling can increase at least two times the susceptibility of SRAM-based FPGAs to Soft Error Rate (SER). These findings are innovative because they combine three real effects that occur in SRAM-based FPGAs. Results can guide designers to predict soft error effects during the lifetime of devices operating at different power supply voltages. Memory scrubbing is an effective method to correct soft errors in SRAM memories, but it imposes an overhead in terms of silicon area and energy consumption. In this work, it is proposed a novel scrubbing technique using internal frame redundancy called Frame-level Redundancy Scrubbing (FLRscrubbing) with minimum energy consumption overhead without compromising the correction capabilities. As a case study, the FLR-scrubbing controller was implemented on a mid-size Xilinx Virtex-5 FPGA device, occupying 8% of available slices and consumes six times less energy per scrubbed frame than a classic blind scrubber. Also, the technique reduces the repair time by avoiding the use of an external golden memory for reference. As another contribution, this work presents the details of a Multiple Fault Injection Platform that emulates the configuration memory upsets of an FPGA using dynamic partial reconfiguration. Results of fault injection campaigns are presented and compared with accelerated ground-level radiation experiments. Finally, using our proposed fault injection platform it was possible to analyze the effectiveness of the FLR-scrubbing technique. Accelerated radiation tests confirmed these results.

A diminuição no tamanho dos transistores vem aumentando cada vez mais o número de funções que os dispositivos eletrônicos podem realizar. Apesar da diminuição do tamanho mínimo dos transistores, a velocidade máxima dos circuitos não consegue seguir a mesma taxa de aumento. Um dos grandes culpados apontados pelos pesquisadores são as interconexões entre os transistores e também entre os componentes. O aumento no número de interconexões dos circuitos traz consigo um significativo aumento do cosumo de energia, aumento do atraso de propagação dos sinais, além de um aumento da complexidade e custo do projeto dos circuitos integrados. Como uma possível solução a este problema é proposta a utilização de lógica multivalorada, mais especificamente, a lógica quaternária. Os dispositivos FPGAs são caracterizados principalmente pela grande flexibilidade que oferecem aos projetistas de sistemas digitais. Entretanto, com o avanço nas tecnologias de fabricação de circuitos integrados e diminuição das dimensões de fabricação, os problemas relacionados ao grande número de interconexões são uma preocupação para as próximas tecnologias de FPGAs. As tecnologias menores que 90nm possuem um grande aumento na taxa de erros dos circuitos, na lógica combinacional e sequencial. Apesar de algumas potenciais soluções começara a ser investigadas pela comunidade, a busca por circuitos tolerantes a erros induzidos por radiação, sem penalidades no desempenho, área ou potência, ainda é um assunto de pesquisa em aberto. Este trabalho propõe o uso de circuitos quaternários com modificações para tolerar falhas provenientes de eventos transientes. Como principal contribuição deste trabalho destaca-se o desenvolvimento de uma CLB (do inglês Configurable Logic Block) quaternária capaz de suportar eventos transientes e, na possibilidade de um erro, evitá-lo ou corrigi-lo. / The decrease in transistor size is increasing the number of functions that can be performed by the electronic devices. Despite this reduction in the transistors minimum size, the circuit’s speed does not follow the same rate. One of the major reasons pointed out by researchers are the interconnections between the transistors and between the components. The increase in the number of circuit interconnections brings a significant increase in energy consumption, propagation delay of signals, and an increase in the complexity and cost of new technologies IC designs. As a possible solution to this problem the use of multivalued logic is being proposed, more specifically, the quaternary logic. FPGA devices are characterized mainly by offering greater flexibility to designers of digital systems. However, with the advance in IC manufacturing technologies and the reduced size of the minimum fabricated dimensions, the problems related to the large number of interconnections are a concern for future technologies of FPGAs. The sub 90nm technologies have a large increase in the error rate of its functions for the combinational and sequential logic. Although potential solutions are being investigated by the community, the search for circuits tolerant to radiation induced errors, without performance, area, or power penalties, is still an open research issue. This work proposes the use of quaternary circuits with modifications to tolerate faults from transient events. The main contribution of this work is the development of a quaternary CLB (Configurable Logic Block) able to withstand transient events and the occurrence of soft errors.

Esta dissertação propõe a utilização da técnica de filtragem adaptativa de pulsos transientes de modo a proteger os circuitos integrados sob efeito da radiação ionizante. Para garantir o uso desta técnica é necessária a utilização de um flip-flop tolerante à radiação que possua a capacidade de ter um ajuste de atraso configurável. O objetivo do uso do flip-flop programável é ter a opção de selecionar o atraso mais apropriado para filtragem temporal de pulsos de SET para cada circuito. Sendo assim, cada flip-flop pode filtrar SETs pelo uso de diferentes atrasos, baseado no atraso de propagação de cada caminho lógico. A variação nos atrasos de propagação entre múltiplos caminhos combinacionais pode ser usada para aumentar ou reduzir o atraso da filtragem de SET. Esta abordagem foi validada com o estudo de caso através de simulação elétrica e pela injeção de milhares de pulsos de SET com diferentes larguras em um circuito com filtragem adaptativa de pulsos tolerantes, os quais foram injetados de forma randômica no circuito. Os resultados mostraram o uso eficiente desta técnica de filtragem de SET em circuitos integrados. De modo a maximizar os resultados, um novo elemento de atraso programável foi desenvolvido e inserido no flip-flop. Para validação deste novo elemento, um segundo estudo de caso, utilizando o conjunto de circuitos dos benchmarks do ISCAS'85 foi também avaliado com a injeção de falhas. Os resultados mostraram que o uso do método proposto, reduz o número de erros sem perda de desempenho e com baixo incremento de área. / This dissertation proposes the use of an adaptive filtering technique of transient pulses in order to protect the integrated circuit under the effect of radiation. To ensure this technique it is necessary to use a tolerant radiation flip-flop having the ability to have a configurable delay adjustment. The purpose of the use a programmable radiation hardened flip-flop is having option of to select the most appropriate delay in the SET temporal filtering for each flip-flop in a circuit. Thus, each flip-flop can filter SETs by using different delays based on the propagation-delay of its logical path. The propagation-delay variances among multiple paths can be used to increase or reduce the delay of the SET filtering. This approach was validated in a case-study by electrical simulation with injection of thousands of SET pulses of different widths, which were randomly injected in a circuit with adaptive filtering technique and the results showed efficient use of this SET filtering technique in integrated circuits. In order to maximize the results of this technique a new programmable delay element was developed and inserted into the flip-flop. This approach of the new element was validated in a second case-study, using a set of benchmark circuits from ISCAS’85 was also evaluated by injecting faults. Results showed that using the proposed method, the number of errors can be reduced without decreasing the performance and with low area overhead.

A diminuição no tamanho dos dispositivos nas tecnologias do futuro traz consigo um grande aumento na taxa de erros dos circuitos, na lógica combinacional e seqüencial. Apesar de algumas potenciais soluções começarem a ser investigadas pela comunidade, a busca por circuitos tolerantes a erros induzidos por radiação, sem penalidades no desempenho, área ou potência, ainda é um assunto de pesquisa em aberto. Este trabalho propõe duas soluções para lidar com este comportamento imprevisível das tecnologias futuras: a primeira solução, chamada MemProc, é uma arquitetura baseada em memória que propõe reduzir a taxa de falhas de aplicações embarcadas micro-controladas. Esta solução baseia-se no uso de memórias magnéticas, que são tolerantes a falhas induzidas por radiação, e área de circuito combinacional reduzida para melhorar a confiabilidade ao processar quaisquer aplicações. A segunda solução proposta aqui é uma implementação de um IP de infra-estrutura para o processador MIPS indicada para sistemas em chip confiáveis, devido a sua adaptação rápida e por permitir diferentes níveis de robustez para a aplicação. A segunda solução é também indicada para sistemas em que nem o hardware nem o software podem ser modificados. Os resultados dos experimentos mostram que ambas as soluções melhoram a confiabilidade do sistema que fazem parte com custos aceitáveis e até, no caso da MemProc, melhora o desempenho da aplicação. / Device scaling in new and future technologies brings along severe increase in the soft error rate of circuits, for combinational and sequential logic. Although potential solutions are being investigated by the community, the search for circuits tolerant to radiation induced errors, without performance, area, or power penalties, is still an open research issue. This work proposes two solutions to cope with this unpredictable behavior of future technologies: the first solution, called MemProc, is a memory based architecture proposed to reduce the fault rate of embedded microcontrolled applications. This solution relies in the use magnetic memories, which are tolerant to radiation induced failures, and reduced combinational circuit area to improve the reliability when processing any application. The second solution proposed here is an infrastructure IP implementation for the MIPS architecture indicated for reliable systems-on-chip due to its fast adaptation and different levels of application hardening that are allowed. The second solution is also indicated for systems where neither the hardware nor the software can be modified. The experimental results show that both solutions improve the reliability of the system they take part with affordable overheads and even, as in the case of the MemProc solution, improving the performance results.