Selective software-implemented hardware fault tolerance tecnhiques to detect soft errors in processors with reduced overhead

Abstract

Software-based fault tolerance techniques are a low-cost way to protect processors against soft errors. However, they introduce significant overheads to the execution time and code size, which consequently increases the energy consumption. System operation with time or energy restrictions may not be able to make use of these techniques. For this reason, this work proposes software-based fault tolerance techniques with lower overheads and similar fault coverage to state-of-the-art software techniques. Once detection is less costly than correction, the work focuses on software-based detection techniques. Firstly, a set of data-flow techniques called VAR is proposed. The techniques are based on general building rules to allow an exhaustive assessment, in terms of reliability and overheads, of different technique variations. The rules define how the technique duplicates the code and insert checkers. Each technique uses a different set of rules. Then, a control-flow technique called SETA (Software-only Error-detection Technique using Assertions) is introduced. Comparing SETA with a state-of-the-art technique, SETA is 11.0% faster and occupies 10.3% fewer memory positions. The most promising data-flow techniques are combined with the control-flow technique in order to protect both dataflow and control-flow of the target application. To go even further with the reduction of the overheads, methods to selective apply the proposed software techniques have been developed. For the data-flow techniques, instead of protecting all registers, only a set of selected registers is protected. The set is selected based on a metric that analyzes the code and rank the registers by their criticality. For the control-flow technique, two approaches are taken: (1) removing checkers from basic blocks: all the basic blocks are protected by SETA, but only selected basic blocks have checkers inserted, and (2) selectively protecting basic blocks: only a set of basic blocks is protected. The techniques and their selective versions are evaluated in terms of execution time, code size, fault coverage, and Mean Work To Failure (MWTF), which is a metric to measure the trade-off between fault coverage and execution time. Results show that was possible to reduce the overheads without affecting the fault coverage, and for a small reduction in the fault coverage it was possible to significantly reduce the overheads. Lastly, since the evaluation of all the possible combinations for selective hardening of every application takes too much time, this work uses a method to extrapolate the results obtained by simulation in order to find the parameters for the selective combination of data and control-flow techniques that are probably the best candidates to improve the trade-off between reliability and overheads.

A utilização de técnicas de tolerância a falhas em software é uma forma de baixo custo para proteger processadores contra soft errors. Contudo, elas causam aumento no tempo de execução e utilização de memória. Em consequência disso, o consumo de energia também aumenta. Sistemas que operam com restrição de tempo ou energia podem ficar impossibilitados de utilizar tais técnicas. Por esse motivo, este trabalho propoe técnicas de tolerância a falhas em software com custos no desempenho e memória reduzidos e cobertura de falhas similar a técnicas presentes na literatura. Como detecção é menos custoso que correção, este trabalho foca em técnicas de detecção. Primeiramente, um conjunto de técnicas de dados baseadas em regras de generalização, chamada VAR, é apresentada. As técnicas são baseadas nesse conjunto generalizado de regras para permitir uma investigação exaustiva, em termos de confiabilidade e custos, de diferentes variações de técnicas. As regras definem como a técnica duplica o código e insere verificadores. Cada técnica usa um diferente conjunto de regras. Então, uma técnica de controle, chamada SETA, é introduzida. Comparando SETA com uma técnica estado-da-arte, SETA é 11.0% mais rápida e ocupa 10.3% menos posições de memória. As técnicas de dados mais promissoras são combinadas com a técnica de controle com o objetivo de proteger tanto os dados quanto o fluxo de controle da aplicação alvo. Para reduzir ainda mais os custos, métodos para aplicar seletivamente as técnicas propostas foram desenvolvidos. Para técnica de dados, em vez de proteger todos os registradores, somente um conjunto de registradores selecionados é protegido. O conjunto é selecionado com base em uma métrica que analisa o código e classifica os registradores por sua criticalidade. Para técnicas de controle, há duas abordagens: (1) remover verificadores de blocos básicos, e (2) seletivamente proteger blocos básicos. As técnicas e suas versões seletivas são avaliadas em termos de tempo de execução, tamanho do código, cobertura de falhas, e o Mean Work to Failure (MWTF), o qual é uma métrica que mede o compromisso entre cobertura de falhas e tempo de execução. Resultados mostram redução dos custos sem diminuição da cobertura de falhas, e para uma pequena redução na cobertura de falhas foi possível significativamente reduzir os custos. Por fim, uma vez que a avaliação de todas as possíveis combinações utilizando métodos seletivos toma muito tempo, este trabalho utiliza um método para extrapolar os resultados obtidos por simulação com o objetivo de encontrar os melhores parâmetros para a proteção seletiva e combinada de técnicas de dados e de controle que melhorem o compromisso entre confiabilidade e custos.