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Since electronics started to scale down, a growing concern about the reliability of these electronic devices has emerged. At the same time, the increased demand for high performance within the safety- and mixed-critical domains, such as the aerospace and automotive industry, motivated a shift from previous consolidated and mature technology to the new cutting edge devices with smaller feature sizes. Therefore, there is a need to improve the fault tolerance of these high-end devices so that minimum failure rates can be obeyed. Although redundancy has been a great solution for these problems, their drawbacks such as power and area overheads must be watched carefully, so that per-unit price does not extrapolate affordable limits, and the redundancy does not add more sources of error than it improves the fault tolerance. This thesis proposes an approach for run-time management of redundancy among the processor internal Functional Units (FUs) within mixed-critical scenarios, tackling the compensation of the trade-offs between fault-tolerance, power consumption, hardware usage (ageing), and hardware area (cost).
With these objectives in mind, this thesis presents a concept for a dynamic processor architecture capable to enable and disable redundancy of FUs on-demand, and a software mechanism for criticality-aware management of these units for mixed-critical processes within an Operating System (OS). For this purpose, a processor design was extended with a few additional instructions that enabled different replication schemes in the processor at run-time. Furthermore, a compatible Real-Time Operating System (RTOS) is also extended to enable the desired criticality-aware management of units.
Evaluating the implemented test platform when the extended processor was running bare-metal code, the latency to shift between different replication schemes was of only one instructions cycle. Furthermore, when the processor was running the adapted RTOS, the run-time overhead over the latency to switch between processes remained below 2.5%. Meanwhile, resulting from the processor extensions, the hardware overhead remained smaller than standard full core replication schemes such as core lock-step approaches. Regarding fault tolerance, the expected failure rate of the FUs module decreased by approximately 80% when its FUs were configured with Triple Modular Redundancy (TMR). Furthermore, when considering the whole area of the processor core, its respective failure rate decreased by about 15% when configured these units with the same triplication scheme. Finally, it is also presented that the run-time management of FUs was likewise able to decrease the power consumption and hardware ageing for the proposed mixed-critical scenario. After all, we can say that the concept can increase fault tolerance on-demand of a processor design with moderately low hardware overhead, while it also minimises the power consumption and hardware usage (ageing) for its intended mixed-critical scenario.
Effiziente Auswahl redundanter Komponenten für Prozessoren zur Kompensation permanenter Fehler
(2014)
Die stetige Skalierung von Fertigungstechnologien sorgte für einen rasanten Anstieg der Komplexität und damit auch der Verarbeitungsleistung von integrierten Schaltungen. Dies führte auch zu höheren Anforderungen an die Entwurfs- und Produktionsprozesse für diese Systeme. Zusätzlich dazu steigern Strukturen im Nanometerbereich die Anfälligkeit gegenüber physikalischen Effekten, welche sich in temporären und zunehmend auch dauerhaften Störungen der Funktionalität äußern können. Der Einsatz von Fehlertoleranz ist für diese komplexen Systeme nicht wegzudenken und wird für zukünftige anfälligere Fertigungstechnologien noch relevanter.
In dieser Arbeit wird eine skalierbare Architektur zur Kompensation dauerhafter Störungen für beliebige Prozessorkomponenten vorgestellt. Der Einsatz dieser Architektur ist unabhängig von der Fehlerursache und kann sowohl direkt nach der Produktion als auch während des Einsatzes im Zielsystem genutzt werden. Durch die Verwendung dieser Architektur, auf aktiver Hardware-Redundanz basierend, ist eine Steigerung der Zuverlässigkeit, der Lebensdauer aber auch der Produktionsausbeute bei gleichbleibender Funktionalität möglich. Mit der Modellierung in dieser Arbeit wird die Effizienz der vorgestellten Architektur, unter Berücksichtigung der zusätzlichen Hardware für Redundanz und der notwendigen administrativen Komponenten, ermittelt und ermöglicht damit einen zielgerichteten Auswahlprozess für Prozessorkomponenten und die Menge ihrer Redundanz. Somit wird die optimale Redundanz für ein gegebenes System und ein zu erreichendes Ziel bereits im Entwurfsprozess bestimmtund kann damit frühzeitig bei der Umsetzung berücksichtigt werden.
Neben der Beschreibung des Aufbaus der Architektur und ihrer Funktionsweise zeigt diese Arbeit wie sich eine Integration in bestehende Entwurfsprozesse mit gängigen Methoden und Werkzeugen realisieren lässt. Zusätzlich dazu wird die Systemmodellierung zur Realisierung des zielgerichteten Auswahlprozesses beschrieben. Anhand eines Anwendungsbeispiels wird die Möglichkeit der Umsetzung aufgezeigt und die daraus resultierenden Ergebnisse diskutiert.