Designing fault tolerant NoCs to improve reliability on SoCs

Abstract

Com a redução das dimensões dos dispositivos nas tecnologias sub-micrônicas foi possível um grande aumento no número de IP cores integrados em um mesmo chip e consequentemente novas arquiteturas de comunicação são usadas bucando atingir os requisitos de desempenho e potência. As redes intra-chip (Networks-on-Chip) foram propostas como uma plataforma alternativa de comunicação capaz de prover interconexões e comunicação entre os cores de um mesmo chip, tratando questões como desempenho, consumo de energia e reusabilidade para grandes sistemas integrados. Por outro lado, a mesma evolução tecnológica dos processos nanométricos reduziu drasticamente a confiabilidade de circuitos integrados, tornando dispositivos e interconexões mais sensíveis a novos tipos de falhas. Erros podem ser gerados por variações no processo de fabricação ou mesmo pela susceptibilidade do projeto, quando este opera em um ambiente hostil. Na comunicação de NoCs as duas principais fontes de erros são falhas de crosstalk e soft errors. No passado, se assumia que interconexões não poderiam ser afetadas por soft errors, por não possuirem circuitos seqüenciais. Porém, quando NoCs são usadas, buffers e circuitos seqüenciais estão presentes nos roteadores e, consequentemente, podem ocorrer soft errors entre a fonte e o destino da comunicação, provocando erros. Técnicas de tolerância a falhas, que tem sido aplicadas em circuitos em geral, podem ser usadas para proteger roteadores contra bit-flips. Neste cenário, este trabalho inicia com a avaliação dos efeitos de soft errors e falhas de crosstalk em uma arquitetura de NoC, através de simulação de injeção de falhas, analisando detalhadamente o impacto de tais falhas no roteador. Os resultados mostram que os efeitos dessas falhas na comunicação do SoC podem ser desastrosos, levando a perda de pacotes e travamento ou indisponibilidade do sistema. Então é proposta e avaliada a aplicação de um conjunto de técnicas de tolerância a falhas em roteadores, possibilitando diminuir os soft errors e falhas de crosstalk no nível de hardware. Estas técnicas propostas foram baseadas em códigos de correção de erros e redundância de hardware. Resultados experimentais mostram que estas técnicas podem obter zero erros com 50% a menos de overhead de área, quando comparadas com a duplicação simples. Entretanto, algumas dessas técnicas têm um grande consumo de potência, pois toda essas técnicas são baseadas na adição de hardware redundante. Considerando que as técnicas de proteção baseadas em software também impõe um considerável overhead na comunicação devido à retransmissão, é proposto o uso de técnicas mistas de hardware e software, que podem oferecer um nível de proteção satisfatório, baseado na análise do ambiente onde o sistema irá operar (soft error rate), fatores relativos ao projeto e fabricação (variações de atraso em interconexões, pontos susceptíveis a crosstalk), a probabilidade de uma falha gerar um erro em um roteador, a carga de comunicação e os limites de potência e energia suportados.

As the technology scales down into deep sub-micron domain, more IP cores are integrated in the same die and new communication architectures are used to meet performance and power constraints. Networks-on-Chip have been proposed as an alternative communication platform capable of providing interconnections and communication among onchip cores, handling performance, energy consumption and reusability issues for large integrated systems. However, the same advances to nanometric technologies have significantly reduced reliability in mass-produced integrated circuits, increasing the sensitivity of devices and interconnects to new types of failures. Variations at the fabrication process or even the susceptibility of a design under a hostile environment might generate errors. In NoC communications the two major sources of errors are crosstalk faults and soft errors. In the past, it was assumed that connections cannot be affected by soft errors because there was no sequential circuit involved. However, when NoCs are used, buffers and sequential circuits are present in the routers, consequently, soft errors can occur between the communication source and destination provoking errors. Fault tolerant techniques that once have been applied in integrated circuits in general can be used to protect routers against bit-flips. In this scenario, this work starts evaluating the effects of soft errors and crosstalk faults in a NoC architecture by performing fault injection simulations, where it has been accurate analyzed the impact of such faults over the switch service. The results show that the effect of those faults in the SoC communication can be disastrous, leading to loss of packets and system crash or unavailability. Then it proposes and evaluates a set of fault tolerant techniques applied at routers able to mitigate soft errors and crosstalk faults at the hardware level. Such proposed techniques were based on error correcting codes and hardware redundancy. Experimental results show that using the proposed techniques one can obtain zero errors with up to 50% of savings in the area overhead when compared to simple duplication. However some of these techniques are very power consuming because all the tolerance is based on adding redundant hardware. Considering that softwarebased mitigation techniques also impose a considerable communication overhead due to retransmission, we then propose the use of mixed hardware-software techniques, that can develop a suitable protection scheme driven by the analysis of the environment that the system will operate in (soft error rate), the design and fabrication factors (delay variations in interconnects, crosstalk enabling points), the probability of a fault generating an error in the router, the communication load and the allowed power or energy budget.