Exploiting fault model correlations to accelerate seu sensitivity assessment

MIC05 - Testes de Circuitos Integrados
Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS
Instituto de Informática/Escola de Engenharia
Programa de Pós-Graduação em Microeletrônica - PGMicro
Discussão de Artigos
Ygor Quadros de Aguiar
Prof. Dr. Tiago Balen

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Porto Alegre, Brazil – Jun/2016
Exploiting Fault Model Correlations to Accelerate SEU Sensitivity Assessment
Autores:
Michelangelo Grosso Politecnico di Torino, Italy
Hipólito Guzman-Miranda Universidad de Sevilla, Spain
Miguel A. Aguirre Universidad de Sevilla, Spain
Contribuição: O artigo propõe uma metodologia totalmente automatizada para acelerar a injeção de
falhas SEU em circuitos digitais.
Abordagem: baseado na correlação entre os efeitos do modelo de falhas SEU com o modelo Stuck-At.
Motivação: CI estão sendo cada vez mais suscetíveis aos efeitos da radiação, mesmo ao nível do mar, e
procedimentos de injeção de falhas de radiação são caros e prolongados.

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Introduction

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Introduction
Soft Errors

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Soft Errors
SET (Single Event Transient): elemento combinacional
SEU (Single Event Upset): elemento sequencial
Figura: Single Event Upset e Single Event Transient em um circuito. (Azambuja J. R., 2014)

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Soft Errors Sensitivity of Digital Circuits
A taxa de Soft Errors de um circuito possui uma forte relação com a probabilidade que um soft error será
observado nas saídas e a fracção de tempo que um nó ou dispositivo é susceptível a perturbações.
1 - a sensibilidade de uma determinada tecnologia aos
efeitos da incidência de partículas
2 - a probabilidade de um circuito específico e uma
aplicação a falhar dado que um elemento de memória
interna foi corrompido.
Ex .: ter um bit de um registrador alterado não é uma
condição suficiente para uma falha seja observada na saída.

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Análise de Sensibilidade: fontes radioativas de partículas alpha e aceleradores de partículas
- severas restrições sobre a configuração de teste
- extremamente caro
- limitado a caracterização da tecnologia e para a avaliação da confiabilidade em dispositivos de
segurança crítica

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Análise de Sensibilidade: fontes radioativas de partículas alpha e aceleradores de partículas
- severas restrições sobre a configuração de teste
- extremamente caro
- limitado a caracterização da tecnologia e para a avaliação da confiabilidade em dispositivos de
segurança crítica
Modelagem, Simulação e Injeção de Falhas

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Fault Injection
A principal ideia é recriar as condições de falha do circuito, em uma representação do próprio circuito
feito em um nível de abstração específico.
Permite verificar a sensibilidade de um projeto digital antes de fabricação em relação a um modelo de
falha definido e uma variedade selecionada de aplicações, detectando nós vulneráveis e críticos em
fases iniciais do projeto.
Os principais contribuintes para a taxa de soft errors de um
circuito digital são os FFs. Por esta razão, a maioria das
técnicas de avaliação da sensibilidade utiliza o modelo de
falhas SEU.

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Fault Injection
A injeção de falhas SEU implica a inserção de uma falha, um bit flip, em uma célula FF ou memória em
um momento específico. O número total de diferentes falhas SEU para um dado circuito e carga de
trabalho pode ser expresso como NSEU
F é o número de FFs no circuito e T é a duração da aplicação em ciclos de clock
Um experimento de injeção de falhas exaustiva requer a execução de NSEU
execuções, cada uma com
duração de T ciclos de relógio
tempo muito longo, mesmo em configurações de aceleração de hardware.
Amostra estatística reduzida das possíveis falhas!!

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Fault Injection
Ao lidar com SEUs, a injeção de falhas é particularmente crítica por causa do grande número de
possíveis condições de falhas, impactando no tempo necessário de injeção.
Por exemplo, o tempo necessário para completar uma injeção exaustiva Stuck-At aumenta linearmente
com o número de FF e vetores de teste, mas no caso de SEUs, a duração do experimento aumenta
linearmente com o número de FFs e quadraticamente com a carga de trabalho.

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SEU Sensitivity Metric
Duas métricas diferentes são normalmente utilizados na literatura para expressar os resultados da
injeção de falhas e, a partir deles, para obter a sensibilidade de um circuito específico.
Quando o objetivo desejado é o de determinar a fração de flip flops que são sensíveis à SEUs, o
seguinte resultado é definido:
Esta métrica é uma aproximação da proporção da área do projeto, que é, na verdade, sensível a
falhas na saída causados por SEU.

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Outra métrica utilizada expressa o número de falhas que causam um erro, ou resposta errada, na
aplicação:
Esta métrica representa uma estimativa da probabilidade de que um SEU provoca um erro na saída, o
que eventualmente pode ser utilizado para estimar a taxa de erro do sistema SEU
, como a seguir:
SEU Sensitivity Metric

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Related Works
“Statistical fault sampling” (McNamer et al, 1989)
“Fault-list collapsing for fault-injection experiments” (Benso et al, 1998)
“Towards automated fault pruning with Petri Nets” (Maistri et al, 2009)
Estas abordagens atualmente não são automatizadas e portanto os modelos devem ser gerados
manualmente, o que os torna propensos a erro humano e/ou ser omitido ao projetar com prazos
apertados.

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Proposed Approach
Considerando um circuito sequencial, alimentado por uma sequência específica de estímulos de
entrada. Seja FK
um dos circuitos FFs do projeto digital. Afirmamos que se o circuito não produzir
qualquer falha na elaboração (ou seja, sem a manifestação visível da falha nas portas de saída do
circuito), nos dois casos, quando FK
é fixado no valor lógico 0 (Stuck-at 0) e quando Stuck-at 1, então é
improvável que um bit-flip no FK
com os mesmos estímulos de entrada produzirá um erro.
Em outras palavras, quando sob conjunto de estímulos de entrada, se um circuito é insensível a
falhas Stuck-At em um flip-flop FK
, então o circuito será muito provavelmente insensíveis a
falhas SEU no mesmo FF.

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Fault Detecting
As razões para uma falha num FF não ser detectado dependem tanto na própria arquitetura do circuito,
em caso de redundância, ou na combinação da arquitetura e a sequência específica de estímulos que
é aplicada ao circuito.
Para detectar uma falha em um circuito, os estímulos aplicados precisam:
1. ativar (ou excitar) a falha na sua localização;
2. então, a falha tem de ser propagada através de um ou mais caminhos para saídas observáveis.
Se um FF é não utilizado ou redundante para a aplicação específica, então o circuito pode ser
insensível a falhas que o afetam.

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Proposed Fault Injection Flow

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Reduced Flow with Fault Dropping

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Experiments
Injeção de Falhas Stuck-At através de simulação utilizando software comercial em um PC.
Injeção de Falhas SEU através de uma plataforma de emulação baseado em FPGA desenvolvido na
Universidad de Sevilla.
Avaliação de 5 circuitos

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Experimental Results

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Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS
Instituto de Informática/Escola de Engenharia
Programa de Pós-Graduação em Microeletrônica - PGMicro
Obrigado!
Ygor Quadros de Aguiar
Prof. Dr. Tiago Balen

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Counterexample
Contra-exemplo pode ser encontrado à ideia proposta, mas eles estão relacionados com peculiares
combinações de estruturas circuital e sequências de entrada que, com nossa experiência, não são
susceptíveis de ser encontrada em sistemas reais.

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