Estudo da confiabilidade de interfaces de sinal misto em dispositivos programáveis para aplicações críticas

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Aguilera, Carlos Julio González
• Orientador(a): Balen, Tiago Roberto
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Diversidade; Tolerância a falhas; Efeitos da radiação; Redundância modular tripla
• Palavras-chave em Inglês: Programmable System-On-Chip
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/297677

Estratégias de tolerância a falhas, como a Redundância Modular Tripla (TMR, Triple Modular Redundancy) e a diversidade de projeto — utilização de diferentes abordagens de projeto para mitigar falhas de modo comum — têm sido amplamente estudadas para aumentar a confiabilidade de System-on-Chip (SoCs) multipropósito, visando mitigar os efeitos da radiação ionizante. Este trabalho apresenta o desenvolvimento, implementação e avaliação experimental de uma técnica de TMR com diversidade aplicada a conversores analógico-digitais (ADCs) operando sob radiação ionizante. A técnica de tolerância a falhas foi implementada em um Programmable System-on-Chip (PSoC), identificando pontos críticos de falha após experimentos de radiação, validando algoritmos de votação por software e propondo configurações otimizadas para diversos ambientes de radiação. Foram realizadas quatro campanhas experimentais; duas envolvendo irradiação com íons pesados, para validar a suscetibilidade a efeitos de evento único (SEEs, Single Event Effects) e avaliar estratégias de votação; uma campanha abordou a Interferência Eletromagnética (EMI), para analisar simultaneamente o comportamento dos votadores. Por fim, realizou-se um experimento com raios-X para confirmar os mecanismos de degradação associados a dose total ionizante (TID, Total Ionizing Dose). Nos experimentos com íons pesados, diferentes arquiteturas de conversores apresentaram diferentes níveis de suscetibilidade quando aplicada a diversidade entre módulos irradiados. Foram observadas 98 ocorrências de erros do tipo Silent Data Corruption, das quais cerca de 22% ocorreram no esquema de votação bit a bit implementado. Esses resultados evidenciam vulnerabilidades específicas em determinadas estratégias de votação e ressaltam a importância de considerar o tempo de execução e a complexidade do algoritmo. O votador de palavra mostrou-se mais robusto, sendo aproximadamente 77% mais resistente a falhas induzidas por radiação, destacando diferenças significativas nas seções de choque obtidas quando comparado com um votador do tipo bit-a-bit. Nos experimentos de radiação acumulativa (TID), a utilização da redundância com diversidade de projeto e temporal, demostrouse eficaz na extensão da vida útil do sistema. O sistema atingindo uma dose total de 242 krad(Si) para 60Co (Cobalto-60) e até 30,6 krad(Si) sob exposição a raios-X antes de apresentar falha total do sistema. No experimento com 60Co, apenas um dos três módulos do TMR diversificado apresentou degradação crítica, enquanto, no experimento com raio-X, os módulos falharam em diferentes doses acumuladas, evidenciando variabilidade associada à diversidade implementada. Posteriormente, foram realizados estudos de simulação elétrica para investigar o mecanismo principal de falha nos conversores SAR (Successive Approximation Register) testados sob TID. As simulações indicaram que a principal vulnerabilidade era associada à degradação de uma chave do tipo bootstrap, responsável pela conexão da tensão de referência à matriz capacitiva do SAR. De modo geral, os resultados experimentais confirmam que a aplicação de TMR combinada com diversidade de projeto e temporal proporciona um aumento significativo na robustez do sistema frente aos efeitos da radiação ionizante e da interferência eletromagnética, utilizando de forma eficiente os recursos internos do SoC, sem introduzir overhead significativo de área ou consumo.