Frame-level redundancy scrubbing technique for SRAM-based FPGAs

Abstract

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.

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.