Design of self-tuning reliable embedded systems and its application in railway transportation systems

Un énorme progrès dans les performances des semiconducteurs a été accompli ces dernières années. Avec l’´émergence d’applications complexes, les systèmes embarqués doivent être à la fois performants et fiables. Une multitude de travaux ont été proposés pour améliorer l’efficacité des systèmes embarqués en réduisant le décalage entre la flexibilité des solutions logicielles et la haute performance des solutions matérielles. En vertu de leur nature reconfigurable, les FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) représentent un pas considérable pour réduire ce décalage performance/flexibilité. Cependant, la reconfiguration dynamique a toujours souffert d’une limitation liée à la latence de reconfiguration.Dans cette thèse, une nouvelle technique de reconfiguration dynamiqueau niveau ”grain-moyen” pour les circuits à base de blocks DSP48E1 est proposée. L’idée est de profiter de la reprogrammabilité des blocks DSP48E1 couplée avec un circuit d’interconnection reconfigurable afin de changer la fonction implémentée par le circuit en un cycle horloge. D’autre part, comme les nouvelles technologies s’appuient sur la réduction des dimensions des transistors ainsi que les tensions d’alimentation, les circuits électroniques sont devenus de plus en plus susceptibles aux fautes transitoires. L’impact de ces erreurs au niveau système peut être catastrophique et les SETs (Single Event Transients) sont devenus une menace tangible à la fiabilité des systèmes embarqués, en l’occurrence pour les applications critiques comme les systèmes de transport. Les techniques de fiabilité qui se basent sur des taux d’erreurs (SERs) surestimés peuvent conduire à un gaspillage de ressources et par conséquent un cout en consommation de puissance électrique. Il est primordial de prendre en compte le phénomène de masquage d’erreur pour une estimation précise des SERs.Cette thèse propose une nouvelle modélisation inter-couches de la vulnérabilité des circuits qui combine les mécanismes de masquage au niveau transistor (TLM) et le masquage au niveau Système (SLM). Ce modèle est ensuite utilisé afin de construire une architecture adaptative tolérante aux fautes qui évalue la vulnérabilité effective du circuit en runtime. La stratégie d’amélioration de fiabilité est adaptée pour ne protéger que les parties vulnérables du système, ce qui engendre un circuit fiable avec un cout optimisé. Les expérimentations effectuées sur un système de détection d’obstacles à base de radar pour le transport ferroviaire montre que l’approche proposée permet d’´établir un compromis fiabilité/ressources utilisées.During the last few decades, a tremendous progress in the performance of semiconductor devices has been accomplished. In this emerging era of high performance applications, machines need not only to be efficient but also need to be dependable at circuit and system levels. Several works have been proposed to increase embedded systems efficiency by reducing the gap between software flexibility and hardware high-performance. Due to their reconfigurable aspect, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) represented a relevant step towards bridging this performance/flexibility gap. Nevertheless, Dynamic Reconfiguration (DR) has been continuously suffering from a bottleneck corresponding to a long reconfiguration time.In this thesis, we propose a novel medium-grained high-speed dynamic reconfiguration technique for DSP48E1-based circuits. The idea is to take advantage of the DSP48E1 slices runtime reprogrammability coupled with a re-routable interconnection block to change the overall circuit functionality in one clock cycle. In addition to the embedded systems efficiency, this thesis deals with the reliability chanllenges in new sub-micron electronic systems. In fact, as new technologies rely on reduced transistor size and lower supply voltages to improve performance, electronic circuits are becoming remarkably sensitive and increasingly susceptible to transient errors. The system-level impact of these errors can be far-reaching and Single Event Transients (SETs) have become a serious threat to embedded systems reliability, especially for especially for safety critical applications such as transportation systems. The reliability enhancement techniques that are based on overestimated soft error rates (SERs) can lead to unnecessary resource overheads as well as high power consumption. Considering error masking phenomena is a fundamental element for an accurate estimation of SERs.This thesis proposes a new cross-layer model of circuits vulnerability based on a combined modeling of Transistor Level (TLM) and System Level Masking (SLM) mechanisms. We then use this model to build a self adaptive fault tolerant architecture that evaluates the circuit’s effective vulnerability at runtime. Accordingly, the reliability enhancement strategy is adapted to protect only vulnerable parts of the system leading to a reliable circuit with optimized overheads. Experimentations performed on a radar-based obstacle detection system for railway transportation show that the proposed approach allows relevant reliability/resource utilization tradeoffs