Inyección de errores sobre FPGAS tipo Virtex-5

Abstract

La computación reconfigurable es una tecnología prometedora capaz de proporcionar un compromiso interesante entre flexibilidad y prestaciones en el mismo dispositivo. Esta característica es especialmente interesante en campos tales como la aviación o las misiones espaciales, donde un amplio ámbito de aplicaciones deben ser ejecutadas eficientemente en un área reducida. Otro campo de interés es las aplicaciones nucleares, con requerimientos en tiempo real. Sin embargo, en estos entornos el dispositivo que procesa la información normalmente está expuesto a altas dosis de radiación, ya sea proveniente directamente del espacio exterior, o de materiales radioactivos, la cual puede causar errores espontáneos en el funcionamiento del sistema. Esto hace imprescindible desarrollar técnicas que evalúan estos errores, para así ser capaces de reaccionar adecuadamente a ellos. En este proyecto se han desarrollado una serie de programas y procesos para emular la alteración que una partícula cósmica produciría sobre la memoria de configuración de un diseño implementado sobre una FPGA, es decir, un bitflip. Estos programas se han integrado en una plataforma de depuración de errores, con lo que se consigue una plataforma de inyección de errores que permite evaluar el impacto de dicho bitflip espontáneo sobre el comportamiento de un circuito. Este sistema ha sido implementado en una FPGA XilinxTM Virtex-5 aunque funcionaría igualmente sobre FPGAs tipo Virtex-4. La técnica de inyección de errores desarrollada en este trabajo se ha probado usando dos aplicaciones reales representativas. Desde las primeras versiones de esta técnica, se han realizado una serie de importantes mejoras en el proceso de inyección de los bitflips y restauración del sistema, con lo que se ha conseguido una técnica que presenta varias ventajas respecto a otros sistemas existentes en la literatura. En primer lugar, la técnica no es intrusiva. En segundo lugar, el tiempo necesario para inyectar un solo bitflip y evaluar el error producido es mucho menor. Finalmente, teniendo en cuenta el estado del arte que se conoce sobre este tema, es la primera técnica de inyección de bitflips que ha sido desarrollada e implementada en una FPGA Virtex-5. [Abstract] Reconfigurable computing is a promising technology able to provide an interesting tradeo off between flexibility and performance in the same single device. This feature is especially interesting in fields such as aviation or space missions, where a wide range of applications must be eficiently executed in a reduced area. Another field of interest is nuclear applications, with real-time requirements. However, in these environments the device processing the data is usually exposed to a high amount of radiations, either coming directly from the outer space, or radioactive materials, which may cause spontaneous faults in the system. This makes fundamental to develop techniques that specifically evaluate these faults, in order to be able to tackle them. In this proyect a set of programs and processes have been developed to emulate the alteration that a cosmic particle would produce over the configuration memory of a design implemented on a FPGA, that is a bitflip. These programs have been integrated in a errorevaluation platform, thereby producing a fault-injection platform that makes possible to evaluate the impact of this spontaneous bitflip in the behaviour of a circuit. This system has been implemented in a XilinxTM Virtex-5 FPGA although it would work equally on Virtex-4 FPGAs. The developed fault-injection technique in this proyect has been tested using two representative real-world applications. Since the early versions of this technique, a group of improvements have been done in the bitflip injection process and the system restoration, after all, the obtained technique presents a number of advantages with respect to other existing state-of-the-art systems. Firstly, the technique is non-intrusive. Secondly, it greatly improves the time that is needed to carry out a single bitflip, as well as to evaluate the produced error. Finally, taking into account the state-of-the-art that is known about this subject, this is the first bitflip-injection technique that has been developed and implemented in a Virtex-5 FPGA.