Dynamic reliability management

Strahlungs-tolerantes Rechnen auf FPGAs ist ein wichtiges Forschungsfeld geworden, da die Nutzung von FPGAs in Weltraummissionen stark angestiegen ist. Verschiedene Härtetechniken gegen Strahlung auf Transistor- und Entwurfsebene wurden in der Vergangenheit genutzt um Fehler, insbesondere Single-Event-Upsets welche durch ionisierende Strahlung während Weltraummissionen entstehen, abzuschwächen. Redundanz ist hierbei die am meisten benutzte Technik um solchen Fehlern entgegen zu wirken. Der traditionelle Hardwareentwurfsansatz benutzt statische Strukturen und nimmt somit zusätzliche Kosten in Form von größerer Chipfläche, Latenz und Leistungsaufnahme in Kauf. Diese Strukturen wurden entworfen um auch die ungünstigsten Strahlungsbedingungen zu überstehen. Jedoch haben Experimente zur Intensität der Strahlung im Weltraum ergeben, dass die Strahlungsintensität während einer Satellitenmission starken Schwankungen unterworfen ist. Daher resultiert die Benutzung von statisch allokierten redundanten Strukturen in einer Verschwendung von Ressourcen und Rechenleistung, da während Zeiten mit niedriger Strahlungsintensität geringere Ansprüche an die Fehlertoleranz gestellt werden können. Da mehrfach redundant ausgelegte Systeme hohe Kosten verursachen, ist der beste Ansatz um den Kompromiss aus Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit zu erhalten der, den FPGA dynamisch, abhängig von der Strahlungsintensität, auf die benötigte Redundanz zu rekonfigurieren. Glücklicherweise erlauben FPGAs diese Art von Flexibilität durch ihre Fähigkeit zur Laufzeit neu konfiguriert zu werden. Dieses Konzept zur Laufzeit-Rekonfiguration von FPGAs zur Steuerung der Zuverlässigkeit wird in dieser Arbeit "Dynamic Reliability Management" (DRM) genannt.Radiation-tolerant computing for FPGAs has become an important field of research due to the increased usage of FPGAs in space missions. Various device and design hardening techniques have been used in the past to mitigate errors, particularly single event upsets, that appear due to ionizing radiation particles in aerospace missions. Redundancy is the most commonly used technique to counter such errors. However, the traditional hardware design approaches use statically redundant structures and incur a fixed overhead in performance factors of area consumption, latency and power dissipation. These structures are designed to handle the worst case radiation scenarios. However, it has been shown by experiments, depicting radiation patterns of space, that the radiation strength varies a lot during the operation time span of satellite missions. Therefore, incurring a fixed overhead of static redundant structures for FPGA hardware, results in the wastage of resources as well as performance loss since lower levels of redundancy provide sufficient level of reliability in relatively calm regions of space radiation. Since high orders of redundancy cost large overheads in performance factors, the best approach of maintaining the reliability-performance tradeoff is to dynamically reconfigure the FPGAs to required reliability levels, based on the radiation strength of the environment. Fortunately, FPGAs provide this level of flexibility since they are run-time reconfigurable. This concept of run-time reconfiguration for reliability has been named Dynamic Reliability Management (DRM) in this research.by Jahanzeb Anwer ; [Supervisor: Prof. Dr. Marco Platzner ; Reviewers: Prof. Dr. Marco Platzner ; Prof. Dr. Sybille Hellebrand ; Additional members of the oral examination committee: Prof. Dr. Franz Rammig ; Prof. Dr. Christian Plessl ; Prof. Dr. Christoph Scheytt]Tag der Verteidigung: 20.07.2017Universität Paderborn, Dissertation, 201