Análise do uso de redundância em circuitos gerados por síntese de alto nível para FPGA programado por SRAM sob falhas transientes

Abstract

Este trabalho consiste no estudo e análise da suscetibilidade a efeitos da radiação em projetos de circuitos gerados por ferramenta de Síntese de Alto Nível para FPGAs (Field Programmable Gate Array), ou seja, circuitos programáveis e sistemas em chip, do inglês System-on-Chip (SOC). Através de um injetor de falhas por emulação usando o ICAP (Internal Configuration Access Port) localizado dentro do FPGA é possível injetar falhas simples ou acumuladas do tipo SEU (Single Event Upset), definidas como perturbações que podem afetar o funcionamento correto do dispositivo através da inversão de um bit por uma partícula carregada. SEU está dentro da classificação de SEEs (Single Event Effects), efeitos transitórios em tradução livre, podem ocorrer devido a penetração de partículas de alta energia do espaço e do sol (raios cósmicos e solares) na atmosfera da Terra que colidem com átomos de nitrogênio e oxigênio resultando na produção de partículas carregadas, na grande maioria nêutrons. Dentro deste contexto além de analisar a suscetibilidade de projetos gerados por ferramenta de Síntese de Alto Nível, torna-se relevante o estudo de técnicas de redundância como TMR (Triple Modular Redundance) para detecção, correção de erros e comparação com projetos desprotegidos verificando a confiabilidade. Os resultados mostram que no modo de injeção de falhas simples os projetos com redundância TMR demonstram ser efetivos. Na injeção de falhas acumuladas o projeto com múltiplos canais apresentou melhor confiabilidade do que o projeto desprotegido e com redundância de canal simples, tolerando um maior número de falhas antes de ter seu funcionamento comprometido.

This work consists of the study and analysis of the susceptibility to effects of radiation in circuits projects generated by High Level Synthesis tool for FPGAs Field Programmable Gate Array (FPGAs), that is, system-on-chip (SOC). Through an emulation fault injector using ICAP (Internal Configuration Access Port), located inside the FPGA, it is possible to inject single or accumulated failures of the type SEU (Single Event Upset), defined as disturbances that can affect the correct functioning of the device through the inversion of a bit by a charged particle. SEU is within the classification of SEEs (Single Event Effects), can occur due to the penetration of high energy particles from space and from the sun (cosmic and solar rays) in the Earth's atmosphere that collide with atoms of nitrogen and oxygen resulting in the production of charged particles, most of them neutrons. In this context, in addition to analyzing the susceptibility of projects generated by a High Level Synthesis tool, it becomes relevant to study redundancy techniques such as TMR (Triple Modular Redundancy) for detection, correction of errors and comparison with unprotected projects verifying the reliability. The results show that in the simple fault injection mode TMR redundant projects prove to be effective. In the case of accumulated fault injection, the multichannel design presented better reliability than the unprotected design and with single channel redundancy, tolerating a greater number of failures before its operation was compromised.