Designing single event upset mitigation techniques for large SRAM-Based FPGA components

Abstract

This thesis presents the study and development of fault-tolerant techniques for programmable architectures, the well-known Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), customizable by SRAM. FPGAs are becoming more valuable for space applications because of the high density, high performance, reduced development cost and re-programmability. In particular, SRAM-based FPGAs are very valuable for remote missions because of the possibility of being reprogrammed by the user as many times as necessary in a very short period. SRAM-based FPGA and micro-controllers represent a wide range of components in space applications, and as a result will be the focus of this work, more specifically the Virtex® family from Xilinx and the architecture of the 8051 micro-controller from Intel. The Triple Modular Redundancy (TMR) with voters is a common high-level technique to protect ASICs against single event upset (SEU) and it can also be applied to FPGAs. The TMR technique was first tested in the Virtex® FPGA architecture by using a small design based on counters. Faults were injected in all sensitive parts of the FPGA and a detailed analysis of the effect of a fault in a TMR design synthesized in the Virtex® platform was performed. Results from fault injection and from a radiation ground test facility showed the efficiency of the TMR for the related case study circuit. Although TMR has showed a high reliability, this technique presents some limitations, such as area overhead, three times more input and output pins and, consequently, a significant increase in power dissipation. Aiming to reduce TMR costs and improve reliability, an innovative high-level technique for designing fault-tolerant systems in SRAM-based FPGAs was developed, without modification in the FPGA architecture. This technique combines time and hardware redundancy to reduce overhead and to ensure reliability. It is based on duplication with comparison and concurrent error detection. The new technique proposed in this work was specifically developed for FPGAs to cope with transient faults in the user combinational and sequential logic, while also reducing pin count, area and power dissipation. The methodology was validated by fault injection experiments in an emulation board. The thesis presents comparison results in fault coverage, area and performance between the discussed techniques.

Esse trabalho consiste no estudo e desenvolvimento de técnicas de proteção a falhas transientes, também chamadas single event upset (SEU), em circuitos programáveis customizáveis por células SRAM. Os projetistas de circuitos eletrônicos estão cada vez mais predispostos a utilizar circuitos programáveis, conhecidos como Field Programmable Gate Array (FPGA), para aplicações espaciais devido a sua alta flexibilidade lógica, alto desempenho, baixo custo no desenvolvimento, rapidez na prototipação e principalmente pela reconfigurabilidade. Em particular, FPGAs customizados por SRAM são muito importantes para missões espaciais pois podem ser rapidamente reprogramados à distância quantas vezes for necessário. A técnica de proteção baseada em redundância tripla, conhecida como TMR, é comumente utilizada em circuitos integrados de aplicações específicas e pode também ser aplicada em circuitos programáveis como FPGAs. A técnica TMR foi testada no FPGA Virtex® da Xilinx em aplicações como contadores e micro-controladores. Falhas foram injetadas em todos as partes sensíveis da arquitetura e seus efeitos foram detalhadamente analisados. Os resultados de injeção de falhas e dos experimentos sob radiação em laboratório comprovaram a eficácia do TMR em proteger circuitos sintetizados em FPGAs customizados por SRAM. Todavia, essa técnica possui algumas limitações como aumento em área, uso de três vezes mais pinos de entrada e saída (E/S) e conseqüentemente, aumento na dissipação de potência. Com o objetivo de reduzir custos no TMR e melhorar a confiabilidade, uma técnica inovadora de tolerância a falhas para FPGAs customizados por SRAM foi desenvolvida para ser implementada em alto nível, sem modificações na arquitetura do componente. Essa técnica combina redundância espacial e temporal para reduzir custos e assegurar confiabilidade. Ela é baseada em duplicação com um circuito comparador e um bloco de detecção concorrente de falhas. Esta nova técnica proposta neste trabalho foi especificamente projetada para tratar o efeito de falhas transientes em blocos combinacionais e seqüenciais na arquitetura reconfigurável, reduzir o uso de pinos de E/S, área e dissipação de potência. A metodologia foi validada por injeção de falhas emuladas em uma placa de prototipação. O trabalho mostra uma comparação nos resultados de cobertura de falhas, área e desempenho entre as técnicas apresentadas.