Low overhead single event upset reliability improvement for soft core processors

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2018.Os processadores utilizados em aplicações embarcadas são componentes indispensáveis na eletrônica de satélites. Eles são empregados para lidar com uma variedade de tarefas, incluindo processamento de dados, tratamento de comandos, além do próprio controle do satélite. No entanto, como qualquer outro componente eletrônico utilizado no meio espacial, a exposição à radiação ionizante pode induzir diversos efeitos indesejados, dentre os quais as falhas transientes são os mais recorrentes. Para superar esse problema, os processadores utilizados em aplicações espaciais são geralmente fabricados por meio de técnicas não convencionais que oferecem menor suscetibilidade a danos por radiação. Infelizmente, a produção de chips tolerante a radiação requer longos períodos de teste e desenvolvimento, o que os torna mais caros que os processadores comerciais. Frente a esta limitação, processadores soft core surgem como uma abordagem alternativa, apresentando menor custo e a possibilidade de integrar técnicas de tolerância a falha para atingir os níveis de confiabilidade requeridos por aplicações espaciais. Todavia, as abordagens clássicas para prover tolerância a falhas em processadores soft core envolvem penalidades significativas em termos de área e desempenho. Neste contexto, o presente trabalho apresenta uma estratégia de tolerância a falhas de baixo custo, na qual apenas as partes mais vulneráveis do prcessador são protegidas. A identificação destas partes é baseada nos resultados de uma extensa campanha de injeção de falhas. Quando comparada a técnicas do estado da arte, como a de redundância modular tripla (TMR), a estratégia proposta resultou eficiente ao fornecer níveis similares de tolerância a falhas a um custo de área inferior.Abstract : Embedded processors are an essential component in most satellite electronics. They are employed to handle a variety of functions including data processing, command handling, and satellite control. However, like any other electronic component used in space, the exposure to radiation may induce many undesired effects, such as soft errors. To overcome this issue, the processors used in space applications are usually manufactured through non-conventional techniques that provide reduced susceptibility to radiation damage and thus are known as rad-hard. Unfortunately, the production of rad-hard chips requires extensive development and testing, making them more expensive and slower than commercial parts. Soft core processors appear as an alternative approach, with lower cost, and the possibility to implement hardening by design strategies to achieve the required dependability levels of space applications. Nevertheless, classical approaches for providing fault tolerance in soft core processors involve significant area and performance costs. In this context, the present work introduces a low overhead fault tolerance strategy which protects only the most vulnerable parts of the processor. The identification of these parts is based on the results of an extensive fault injection campaign, also conducted in this work. When compared to state-of-the-art techniques such as triple modular redundancy (TMR), the proposed strategy proved to be quite efficient, providing similar levels of fault tolerance with a much lower area cost