Soft error mitigation in asynchronous networks on chip

O aumento agressivo das frequências de operação de sinais de relógio em tecnologias submicrônicas profundas chegou ao seu limite. O uso de relógios globais não é mais viável em tais tecnologias, o que fomenta a popularização do paradigma Globalmente Assíncrono, Localmente Síncrono na construção de sistemas integrados complexos, onde se empregam ilhas síncronas de lógica interconectadas através de comunicação assíncrona. Redes intrachip assíncronas proveem um modelo de comunicação baseado em troca de pacotes e paralelismo de comunicação escalável quando comparado com arquiteturas de comunicação tradicionais, como as baseadas em barramentos compartilhados. Devido a estas características, tal tipo de redes vem revelando benefícios, quando comparadas com suas equivalentes síncronas, para construir as arquiteturas many-cores do futuro, e isto em termos de ambos, desempenho e dissipação de potência. Um dos próximos desafios para as arquiteturas de comunicação em questão é a confiabilidade, na forma de robustez a efeitos de evento único (em inglês, single event effects ou SEEs), quando o circuito sofre impactos de partículas geradas por radiação ionizante. Isto ocorre porque a diminuição contínua das geometrias de dispositivos semicondutores em tecnologias sucessivas aumenta cada vez mais a sensibilidade destes a tais efeitos.Ao contrário do que ocorre em circuitos síncronos, variações de atraso induzidas por radiação em geral não geram qualquer impacto, exceto por possíveis perdas de desempenho, em circuitos lógicos assíncronos construídos usando técnicas quase insensíveis a atrasos (em inglês quasi-delay insensitive ou QDI). Contudo, a inversão de valores de bits em dispositivos de armazenamento pode corromper o estado do circuito sem possível solução de recuperação, mesmo no caso de assíncronos. Este trabalho propõe um novo conjunto de técnicas aplicáveis a redes intrachip assíncronas, que visa o aumento de robustez contra efeitos de evento único. Apresentam-se estudos de caso práticos de tais técnicas e avaliam-se as mesmas em ambientes que simulam casos reais de uso. Os resultados obtidos mostram que o aumento de robustez alcançado sobre redes intrachip tem o potencial de tornar esta arquitetura de comunicação a principal candidata para integrar as novas gerações de dispositivos de silício complexos construídos com o emprego de nodos tecnológicos avançados tais como 32 nm, 28 nm, 20 nm e abaixo.In advanced deep submicron technologies, the aggressive scaling of the clock to increasingly higher frequencies has now terminated. At the circuit top level, global clocking is not feasible anymore, which has led to the popularization of the Globally Asynchronous Locally Synchronous paradigm for constructing complex system on chip devices, with local islands of clocked logic interconnected by asynchronous communication. By providing packet-based communication and scalable communication parallelism compared to traditional bus-based communication, asynchronous network- on-chip have recently shown their benefits compared to their synchronous counterparts to build future many-core architectures, in terms of both performance and power. One of the next challenges for such asynchronous communication architectures is reliability, in the form of robustness to single event effects, when under the impact of particles generated by ionizing radiation. This occurs because technology downscaling continuously increases the logic sensitivity of silicon devices to such effects.Contrary to what happens in synchronous circuits, delay variations induced by radiation usually have no impact on asynchronous quasi-delay insensitive (QDI) combinational logic blocks, but in case of storage logic, bit flips may corrupt the circuit state with no recovery solution, even when using asynchronous circuits. This work proposes a new set of hardening techniques against single event effects applicable to asynchronous networks-on-chip. It presents practical case studies of use for these techniques and evaluates them in close to real life situations. The obtained results show that the achieved increase in asynchronous network-on-chip robustness has the potential to leverage this communication architecture solution as the main choice for the next generations of complex silicon devices on advanced nodes technologies such as 32 nm, 28 nm, 20 nm and below