Enhancements on fault injection for xilinx 7 series and ultrascale+ SRAM-based FPGAs

Abstract

Commercial grade SRAM-based FPGAs are susceptible to radiation effects that can affect safety- and mission-critical cyber-physical systems. Emulated fault injection is a test strat egy based on provoking failures in a controlled manner, which can be applied in assessing the reliability and fault tolerance of such systems. The use of fault injection inside the en gineering process of complex systems, such as systems on chip and applications of neural networks, with a higher problem dimensionality and combining several fault mitigation techniques, requires a higher consistency between the results of fault injection and the be havior under radiation to steer the engineering process in right direction. Fault injection must also be fast enough to not hinder the engineering productivity. The main claims of this thesis are that a higher consistency is achieved, when related to accelerated radiation experiments, by the use of synchronous and asynchronous cumulative-randomized fault injection emulating single and multiple bits upsets and that the sampling by cumulative randomized fault injection improves the fault injection campaign productivity to be used inside design space exploration engineering processes. The originality and main contri butions of this thesis resides on injecting faults clustered together on the Xilinx 7 Series FPGA memory emulating patterns generated by a single radiation particle, injecting mul tiple faults cumulatively over time to allow better comparison with data from radiation experiments, injecting faults in the presence of Xilinx 7 Series memory scrubber, inject ing faults on user memory holding persistent data, and, finally, porting the fault injection to the newer family of Xilinx UltraScale+ devices. The consistency with radiation exper iments and fault injection campaign speedup are evaluated in comparison with the legacy methodology that consisted on exhaustive and synchronous fault injection emulating sin gle bit upsets only in the persistent configuration memory of the FPGA. Dynamic tests of study-case designs are used for comparison between fault injection and radiation. The methodology adopted on this thesis consists in bibliographic review, development of the study-case designs for comparative experiments, laboratory experiments for characteriza tion of the target devices and the study-case designs, enhancement of the fault injection tool and development of fault injection campaign scripts realizing the proposed method ologies.

Os arranjos de portas lógicas configuráveis em campo (FPGAs) de classe comercial ba seados em SRAM são suscetíveis aos afeitos de radiação que podem afetar sistemas de segurança crítica e de missão crítica. A injeção de falhas baseada em emulação é uma estratégia de testes que consiste em provocar falhas de forma controlada, a qual pode ser aplicada na avaliação de confiabilidade e tolerância a falhas destes sistemas críticos. O uso de injeção de falhas dentro do processo de engenharia de sistemas complexos, com uma dimensionalidade de problema maior e combinando diversas técnicas de mitigação de fa lhas, requer maior fidelidade entre a injeção de falhas e o comportamento sob radiação para que o processo seja conduzido na direção correta. A injeção de falhas também precisa ser rápida para manter a produtividade do processo de engenharia. As principais hipóte ses de trabalho nesta tese são de que uma consistência maior é obtida, quando comparado com experimentos de radiação, pelo uso de injeção de falhas acumulada-aleatória sin cronamente e assincronamente, e de que a amostragem pela injeção acumulada-aleatória acelera e melhora a produtividade da campanha de injeção de falhas a ser utilizada na ex ploração do espaço de projeto. A originalidade e principais contribuições desta tese estão na injeção de falhas agrupadas para emular o efeito de radiação, na injeção de falhas acu muladas, na injeção de falhas na presença do mecanismo de deteção e correção de erros de memória, na injeção de falhas em memória do usuário, e no porte da injeção de falhas para a família de FPGAs Xilinx UltraScale+. A consistência com radiação e a aceleração da injeção de falhas são avaliadas em comparação com a metodologia de injeção síncrona e exaustiva emulando falhas simples na memória de configuração do FPGA. Testes di nâmicos de estudos de caso são utilizados para a comparação entre injeção de falhas e radiação. A metodologia adotada nesta tese consiste em revisão bibliográfica, desenvol vimento das aplicações de estudo de caso para experimentos comparativos, realização de experimentos em laboratório para a caracterização dos dispositivos alvo e aplicações de estudo de caso, aperfeiçoamentos na ferramenta de injeção de falhas e desenvolvimento de scripts de automação da campanha que realizam as metodologias propostas.