Dealing with radiation induced long duration transient faults in future technologies

Abstract

Com a evolução da tecnologia, dispositivos menores e mais rápidos ficam disponíveis para a fabricação de circuitos que, embora sejam mais eficientes, são mais sensíveis aos efeitos da radiação. A alta densidade, ao reduzir a distância entre dispositivos vizinhos, torna possível a ocorrência de múltiplas perturbações como resultado da colisão de uma única partícula. A alta velocidade, ao reduzir os ciclos de relógio dos circuitos, faz com que os pulsos transientes durem mais do que um ciclo. Todos estes fatos impedem o uso de diversas técnicas de mitigação existentes, baseadas em redundância temporal, e tornam necessário o desenvolvimento de técnicas inovadoras para fazer frente a este novo e desafiador cenário. Esta tese inicia com a análise da evolução da duração de pulsos transitórios nas diferentes tecnologias que dá suporte à previsão de que transitórios de longa duração (TLDs) irão afetar sistemas fabricados usando tecnologias futuras e mostra que diversas técnicas de mitigação baseadas em redundância temporal existentes não serão capazes de lidar com os TLDs devido à enorme sobrecarga que elas imporiam ao desempenho. Ao mesmo tempo, as técnicas baseadas em redundância temporal, embora sejam capazes de lidar com TLDs, ainda impõem penalidades muito elevadas em termos de área e energia, o que as torna inadequadas para uso em algumas áreas de aplicação, como as de sistemas portáteis e embarcados. Como uma alternativa para enfrentar estes desafios impostos aos projetistas pelas tecnologias futuras, é proposto o desenvolvimento de técnicas de mitigação com baixa sobrecarga, atuando em níveis de abstração distintos. Exemplos de novas técnicas de baixo custo atuando nos níveis de circuito, algoritmo e arquitetura são apresentados e avaliados. Atuando em nível de algoritmo, uma alternativa de baixo custo para verificação de multiplicação de matrizes é proposta e avaliada, mostrando-se que ela oferece uma boa solução para este problema específico, com uma enorme redução no custo de recomputação quando um erro em um elemento da matriz produto é detectado. Para generalizar esta idéia, o uso de invariantes de software na detecção de erros transitórios durante a execução é sugerido como outra técnica de baixo custo, e é mostrado que esta oferece alta capacidade de detecção de falhas, sendo, portanto, uma boa candidata para uso de maneira complementar com outras técnicas no desenvolvimento de software tolerante a falhas transitórias. Como exemplo de uma técnica em nível de arquitetura, é proposta e avaliada uma melhoria da clássica técnica de lockstep com checkpoint e rollback, mostrando uma redução significativa no número de operações de escrita necessárias para um checkpoint. Finalmente, como um exemplo de técnica de baixo custo baseada em redundância espacial, é proposto e avaliado o uso de código de Hamming na proteção de lógica combinacional, um problema ainda em aberto no projeto de sistemas usando tecnologias futuras.

As the technology evolves, faster and smaller devices are available for manufacturing circuits that, while more efficient, are more sensitive to the effects of radiation. The high transistor density, reducing the distance between neighbor devices, makes possible the occurrence of multiple upsets caused by a single particle hit. The achievable high speed, reducing the clock cycles of circuits, leads to transient pulses lasting longer than one cycle. All those facts preclude the use of several existing soft error mitigation techniques based on temporal redundancy, and require the development of innovative fault tolerant techniques to cope with this challenging new scenario. This thesis starts with the analysis of the transient width scaling across technologies, a fact that supports the prediction that long duration transients (LDTs) will affect systems manufactured using future technologies, and shows that several existing mitigation techniques based on temporal redundancy will not be able to cope with LDTs, due to the huge performance overhead that they would impose. At the same time, space redundancy based techniques, despite being able to deal with LDTs, still impose very high area and power penalties, making them inadequate for use in some application areas, such as portable and embedded systems. As an alternative to face those challenges imposed to designers by future technologies, the development of low overhead mitigation techniques, working at different abstraction levels, is proposed. Examples of new low cost techniques working at the circuit, algorithm, and architecture levels are presented and evaluated. Working at the algorithm level, a low cost verification algorithm for matrix multiplication is proposed and evaluated, showing that it provides a good solution for this specific problem, with dramatic reduction in the cost of recomputation when an error in one of the product matrix elements is detected. In order to generalize this idea, the use of software invariants to detect soft errors at runtime is suggested as a low cost technique, and shown to provide high fault detection capability, being a good candidate for use in a complementary fashion in the development of software tolerant to transient faults. As an example of architecture level technique, the improvement of the classic lockstep with checkpoint and rollback technique is proposed and evaluated, showing significant reduction in the number of write operations required for checkpoints. Finally, as an example of low cost space redundancy technique at circuit level, the use of Hamming coding to protect combinational logic, an open issue in the design of systems using future technologies, is proposed and evaluated through its application to a set of arithmetic and benchmark circuits.