Optimization of energy consumption and reliability of COTS SRAMs in the presence of radiation

Abstract

In aerospace industry, Commercial-Off-The-Shelf (COTS) Static Random Access Memories (SRAMs) are a cost-effective solution for obtaining high performance at the system level, which is difficult to obtain using space quelified components. Additionally, the usage of Dynamic Voltage Scaling (DVS) is commonly used in space environments, where low power consumption is a critical issue. DVS can be used to reduce the power consumption of onboard systems by dynamically lowering the bias voltage of volatile SRAMs while the remain idle. In the "New Space" paradigm, COTS SRAMs, most of which support DVS, are popular, since they provide high performance and low cost even though they are not specifically designed for space. An imprtant drawback of DVS is that it leads to a significant increase of the device's sensivity against Single Event Upsets (SEUs). Thus, in order to counteract this negative side effect, DVS can be combined with scrubbing, which consist on periodically "refreshing" the information stored in the memory. This prevents the accumulation of too many bitflips on the memory, so Error Correcting Codes (ECC), usually implemented in most COTS memories, can still be effective. However, scrubbing has a non-negligible overhead on the power consumption of the system that needs to be taken into account in order to evaluate if DVS will be globally beneficial. In order words, it is not evident whether or not DVS will lead to significant power savings...En la industria aeroespacial, Memorias RAM estáticas (Static Random Access Memories, SRAM) comerciales estándar (Commercial-Off-The-Shelf, COTS) son una solución rentable para obtener un alto rendimiento a nivel del sistema, que es difícil de obtener utilizando componentes calificados para el espacio. Además, el uso de variación dinámica de voltaje (Dynamic Valtage Scaling, DVS) se usa comúnmente en entornos espaciales, donde el bajo consumo de energía es un problema crítico. DVS se puede utilizar para reducir el consumo de energía de los sistemas integrados mediante la reducción dinámica del voltaje de polarización de las SRAM volátiles mientras permanecen inactivas. En el paradigma del "nuevo espacio", las SRAM COTS, la mayoría de las cuales admiten DVS, se han popularizado ya que proporcionan un alto rendimiento y un bajo costo, aunque no están diseñadas específicamente para el espacio. Un inconveniente importante de DVS es que conlleva un aumento significativo de la sensibilidad del dispositivo frente a Single Event Upsets (SEU). Por lo tanto, para contrarrestar este efecto secundario negativo, DVS se puede combinar con scrubbing, que consiste en "refrescar" periódicamente la información almacenada en la memoria. Esto evita la acumulación de demasiados cambios de bits en la memoria, por lo que los códigos de corrección de errores (Error Correction Codes, ECC), que normalmente se implementan en la mayoría de las memorias COTS, aún pueden ser efectivos. Sin embargo, el scrubbing tiene una sobrecarga no despreciable en el consumo de energía del sistema que debe tenerse en cuenta para evaluar si DVS será beneficioso globalmente. En otras palabras, no es evidente si DVS conducirá o no a ahorros de energía significativos...