Analyzing the Impact of Radiation-induced Failures in All Programmable System-on-Chip Devices

Abstract

O recente avanço da indústria de semicondutores tem possibilitado a integração de componentes complexos e arquiteturas de sistemas dentro de um único chip de silício. Atualmente, FPGAs do estado da arte incluem, não apenas a matriz de lógica programável, mas também outros blocos de hardware, como processadores de propósito geral, blocos de processamento dedicado, interfaces para vários periféricos, estruturas de barramento internas ao chip, e blocos analógicos. Estes novos dispositivos são comumente chamados de Sistemasem-Chip Totalmente Programáveis (APSoCs). Uma das maiores preocupações acerca dos efeitos da radiação em APSoCs é o fato de que erros induzidos pela radiação podem ter diferente probabilidade e criticalidade em seus blocos de hardware heterogêneos, em ambos os níveis de dispositivo e projeto. Por esta razão, este trabalho realiza uma investigação profunda acerca dos efeitos da radiação em APSoCs e da correlação entre a sensibilidade de recursos de hardware e software na performance geral do sistema. Diversos experimentos estáticos e dinâmicos inéditos foram realizados nos blocos de hardware de um APSoC a fim de melhor entender as relações entre confiabilidade e performance de cada parte separadamente. Os resultados mostram que há um comprometimento a ser analisado entre o desempenho e a área de choque de um projeto durante o desenvolvimento de um sistema em um APSoC. Desse modo, é fundamental levar em consideração cada opção de projeto disponível e todos os parâmetros do sistema envolvidos, como o tempo de execução e a carga de trabalho, e não apenas a sua seção de choque. Exemplificativamente, os resultados mostram que é possível aumentar o desempenho de um sistema em até 5.000 vezes com um pequeno aumento na sua seção de choque de até 8 vezes, aumentando assim a confiabilidade operacional do sistema. Este trabalho também propõe um fluxo de análise de confiabilidade baseado em injeções de falhas para estimar a tendência de confiabilidade de projetos somente de hardware, de software, ou de hardware e software. O fluxo objetiva acelerar a procura pelo esquema de projeto com a melhor relação entre performance e confiabilidade dentre as opções possíveis. A metodologia leva em consideração quatro grupos de parâmetros, os quais são: recursos e performance; erros e bits críticos; medidas de radiação, tais como seções de choque estáticas e dinâmicas; e, carga de trabalho média entre falhas. Os resultados obtidos mostram que o fluxo proposto é um método apropriado para estimar tendências de confiabilidade de projeto de sistemas em APSoCs antes de experimentos com radiação.

The recent advance of the semiconductor industry has allowed the integration of complex components and systems’ architectures into a single silicon die. Nowadays, state-ofthe-art FPGAs include not only the programmable logic fabric but also hard-core parts, such as hard-core general-purpose processors, dedicated processing blocks, interfaces to various peripherals, on-chip bus structures, and analog blocks. These new devices are commonly called of All Programmable System-on-Chip (APSoC) devices. One of the major concerns about radiation effects on APSoCs is that radiation-induced errors may have different probability and criticality in their heterogeneous hardware parts at both device and design levels. For this reason, this work performs a deep investigation about the radiation effects on APSoCs and the correlation between hardware and software resources sensitivity in the overall system performance. Several static and dynamic experiments were performed on different hardware parts of an APSoC to better understand the trade-offs between reliability and performance of each part separately. Results show that there is a trade-off between design cross section and performance to be analyzed when developing a system on an APSoC. Therefore, today it is mandatory to take into account each design option available and all the parameters of the system involved, such as the execution time and the workload of the system, and not only its cross section. As an example, results show that it is possible to increase the performance of a system up to 5,000 times by changing its architecture with a small impact in cross section (increase up to 8 times), significantly increasing the operational reliability of the system. This work also proposes a reliability analysis flow based on fault injection for estimating the reliability trend of hardware-only designs, software-only designs, and hardware and software co-designs. It aims to accelerate the search for the design scheme with the best trade-off between performance and reliability among the possible ones. The methodology takes into account four groups of parameters, which are the following: area resources and performance; the number of output errors and critical bits; radiation measurements, such as static and dynamic cross sections; and, Mean Workload Between Failures. The obtained results show that the proposed flow is a suitable method for estimating the reliability trend of system designs on APSoCs before radiation experiments.