A fault injection platform based on dynamic partial reconfiguration

Abstract

O uso de FPGAs em projetos aeroespaciais tem se tornado uma prática freqüente, em parte pelo crescente avanço tecnológico que possibilita a indústria de semicondutores a integrar um número cada vez maior de funcionalidades em um único dispositivo, mas principalmente por sua capacidade de reprogramação. A possibilidade de efetuar reprogramação remota de dispositivos em órbita permite que o tempo das missões seja estendido através da atualização de módulos obsoletos. Contudo, FPGAs baseados em células de memória SRAM são extremamente sensíveis à falhas induzidas por partículas de radiação presentes no espaço. Várias técnicas foram desenvolvidas para atenuar o efeito destas partículas, mas para garantir o funcionamento correto do projeto, os engenheiros devem validar a robustez do circuito sob a presença de falhas. Uma das formas de validação é chamada de injeção de falhas. Plataformas de injeção de falhas desenvolvidas no passado têm inconvenientes relacionados a intrusividade, complexidade e custo. Este trabalho foca na definição de uma plataforma não intrusiva, de alta velocidade e baixo custo, que associa o alto desempenho da prototipação em hardware com a capacidade de reconfiguração dinâmica dos FPGAs da família Xilinx Virtex. A técnica de reconfiguração dinâmica parcial é usada para inverter o valor lógico das células de memória dos dispositivos FPGAS, a fim de reproduzir o mesmo efeito causado pela radiação. Resultados experimentais validam o trabalho proposto usando placas de desenvolvimento disponíveis no mercado.

The use of SRAM-based Field Programmable Gate Arrays (FPGA) in aerospace applications is becoming more popular as the silicon industry delivers new products capable of hosting entire digital systems inside a single device. The capability to perform remote reconfiguration provides the possibility to extend the duration of the missions by updating the obsolete modules as required. Unfortunately, SRAM based FPGAs are extremely sensitive to faults induced by radiation particles present in high-altitude environments. Several techniques have been proposed to mitigate the effect of those particles, but in order to successfully guarantee the correctness of a project, engineers must validate the robustness of the design when in the presence of faults. One of the possible validation methods is called fault injection. Fault injection platforms developed in the past have significant drawbacks related to intrusiveness, complexity and costs. This work focuses on defining a fault injection platform based on high-speed, low cost and non-intrusive aspects, associating the hardware prototyping performance with the partial reconfigurability of the Xilinx Virtex FPGAs. Dynamic Partial Reconfiguration is explored as a way of inserting bit flips inside the device configuration memory, thus inducing the same effect of a radiation particle hitting the silicon substrate. Experimental results validate the proposed work using commercial available prototyping boards.