Exploring the use of multiple modular redundancies for masking accumulated faults in SRAM-based FPGAs - Olano, Jimmy Fernando Tarrillo (2014)
Os erros transientes nos bits de memória de configuração dos FPGAs baseados em SRAM são um tema importante devido ao efeito de persistência e a possibilidade de gerar falhas de funcionamento no circuito implementado. Sempre que um bit de memória de configuração é invertido, o erro transiente será corrigido apenas recarregando o bitstream correto da memória de configuração. Se o bitstream correto não for recarregando, erros transientes persistentes podem se acumular nos bits de memória de configuração provocando uma falha funcional do sistema, o que consequentemente, pode causar uma situação catastrófica. Este cenário se agrava no caso de falhas múltiplas, cuja probabilidade de ocorrência é cada vez maior em novas tecnologias nano-métricas. As estratégias tradicionais para lidar com erros transientes na memória de configuração são baseadas no uso de redundância modular tripla (TMR), e na limpeza da memória (scrubbing) para reparar e evitar a acumulação de erros. A alta eficiência desta técnica para mascarar perturbações tem sido demonstrada em vários estudos, no entanto o TMR visa apenas mascarar falhas individuais. Porém, a tendência tecnológica conduz à redução das dimensões dos transistores o que causa o aumento da susceptibilidade a falhos. Neste novo cenário, as falhas multiplas são mais comuns que as falhas individuais e consequentemente o uso de TMR pode ser inapropriado para ser usado em aplicações de alta confiabilidade. Além disso, sendo que a taxa de falhas está aumentando, é necessário usar altas taxas de reconfiguração o que implica em um elevado custo no consumo de potência. Com o objetivo de lidar com falhas massivas acontecidas na mem[oria de configuração, este trabalho propõe a utilização de um sistema de redundância múltipla composto de n módulos idênticos que operam em conjunto, conhecido como (nMR), e um inovador votador auto-adaptativo que permite mascarar múltiplas falhas no sistema. A principal desvantagem do uso de redundância modular é o seu elevado custo em termos de área e o consumo de energia. No entanto, o problema da sobrecarga em área é cada vez menor devido à maior densidade de componentes em novas tecnologias. Por outro lado, o alto consumo de energia sempre foi um problema nos dispositivos FPGA. Neste trabalho também propõe-se um modelo para prever a sobrecarga de potência causada pelo uso de redundância múltipla em FPGAs baseados em SRAM. A capacidade de tolerar múltiplas falhas pela técnica proposta tem sido avaliada através de experimentos de radiação e campanhas de injeção de falhas de circuitos para um estudo de caso implementado em um FPGA comercial de tecnologia de 65nm. Finalmente, é demostrado que o uso de nMR em FPGAs é uma atrativa e possível solução em termos de potencia, área e confiabilidade medida em unidades de FIT e Mean Time between Failures (MTBF).