A fault injection platform for FPGA-based communication systems

Abstract

The resilience of communication systems to soft errors is a major concern in many scenarios, such as when facing stringent dependability constraints or when operating in radiation-harsh environments. Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are successful platforms for the implementation of communications systems, since they provide the advantages of reconfigurability coupled with a high throughput processing of data streams and lower development costs. When used in radiation-harsh environments, however, FPGAs present a distinct set of challenges that demands specialized evaluation. The large configuration memories of SRAM-based devices are especially susceptible to radiation-induced faults, demanding the evaluation of design’s resilience to such phenomena. Therefore, this work proposes a fault injection platform that targets specifically FPGA-based communication systems, in order to simulate and evaluate the effects of configuration faults on the functionality of such systems, as well as their impact on the communication quality metrics. The platform operates partially on the device and partially on a host computer, aiming at both flexibility and high performance. A Reed-Solomon decoder is used as a case study to validate the platform, showing its ability to measure metrics that are relevant for communication systems.

A resiliência de sistemas de comunicação com relação à soft errors é uma grande preocupação em muitos cenários, como quando se exige alta dependabilidade ou quando operam em ambientes com alta incidência de radiação. Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) são plataformas de sucesso para a implementação de sistemas de comunicação, uma vez que proporcionam as vantagens da reconfigurabilidade associada a uma alta taxa de processamento de fluxos de dados e reduzidos custos de desenvolvimento. Quando usados em ambientes com alta incidência de radiação, no entanto, FPGAs apresentam um conjunto distinto de desafios que exigem avaliação especializada. As memórias de configuração de dispositivos baseados em SRAM são especialmente suscetíveis a falhas induzidas por radiação, exigindo a avaliação da resiliência do projeto a tais fenômenos. Assim, este trabalho propõe uma plataforma de injeção de falhas que tem como alvo específico os sistemas de comunicação baseados em FPGA, a fim de simular e avaliar os efeitos de falhas de configuração sobre a funcionalidade desses sistemas, bem como o seu impacto sobre as métricas de qualidade de comunicação. A plataforma opera parcialmente no dispositivo e parcialmente em um computador hospedeiro, visando compatibilizar flexibilidade e alto desempenho. Um decodificador Reed-Solomon é utilizado como estudo de caso para validar a plataforma, mostrando a sua capacidade para medir métricas que são relevantes para sistemas de comunicação.