Commercial off-the-shelf programmable System-on-Chip devices for space applications

Abstract

Οι πρόσφατες εξελίξεις στη βιομηχανία των ημιαγωγών επιτρέπουν πλέον την ενσωμάτωση πολύπλοκων υποσυστημάτων και ολόκληρων αρχιτεκτονικών σε ένα μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Σήμερα, οι σύγχρονες προγραμματιζόμενες διατάξεις, όπως τα FPGAs, δεν περιορίζονται απλώς σε προγραμματιζόμενη λογική, αλλά ενσωματώνουν πολλαπλές ηλεκτρονικές διατάξεις, όπως επεξεργαστές γενικού σκοπού, εξειδικευμένες μονάδες επεξεργασίας, εσωτερικούς διαύλους επικοινωνίας, διεπαφές με περιφερειακά κυκλώματα, καθώς και αναλογικά υποκυκλώματα. Οι νέες αυτές ετερογενείς συσκευές αναφέρονται πλέον ως πλήρως προγραμματιζόμενα συστήματα σε ολοκληρωμένο κύκλωμα (all programmable system-on-chip – APSoC). Ένα από τα κύρια ζητήματα που τίθενται για τα APSoCs είναι η συμπεριφορά τους απέναντι στην ακτινοβολία. Tα σφάλματα που προκαλούνται από την ακτινοβολία μπορεί να εμφανίζονται με διαφορετική πιθανότητα στα διάφορα μέρη του ολοκληρωμένου κυκλώματος ή μπορεί να έχουν διαφορετική κρισιμότητα ανάλογα με το υποσύστημα που επηρεάζουν. Για τον λόγο αυτό, η παρούσα εργασία μελετά σε βάθος τις επιπτώσεις της ακτινοβολίας στα APSoCs και τη συσχέτιση μεταξύ της ευαισθησίας υλικού και λογισμικού με τη συνολική αξιοπιστία του συστήματος. Η ανάλυση βασίστηκε σε εκτενή πειραματική αξιολόγηση στα διαφορετικά μέρη ενός APSoC. Η διατριβή εστιάζει στη μελέτη της ευπάθειας όλων των βασικών υποσυστημάτων μίας εμπορικά διαθέσιμης (commercial off-the-shelf – COTS) AMD Zynq-7000 APSoC συσκευής σε επιδράσεις μεμονωμένων σωματιδίων (single event effects – SEE). Η εργασία περιλαμβάνει λεπτομερή πειράματα ακτινοβολίας (radiation experiments), εις βάθος ανάλυση των παρατηρούμενων φαινομένων SEE, την ακριβής πρόβλεψη του ρυθμού λαθών (SEE upset rate) για τρεις διαφορετικές διαστημικές τροχιές, καθώς και την ανάπτυξη μιας αποτελεσματικής μεθοδολογίας μετριασμού σφαλμάτων (mitigation strategy) σχεδιασμένης να καλύψει τις υψηλές απαιτήσεις αξιοπιστίας των διαστημικών εφαρμογών. Το πρώτο μέρος της έρευνας επικεντρώθηκε στην προγραμματιζόμενη λογική (programmable logic - PL) του Zynq-7000. Πραγματοποιήθηκαν τρία πειράματα ακτινοβολίας σε διεθνή ερευνητικά κέντρα, το πρώτο πείραμα με χρήση βαρέων ιόντων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας στο CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) στην Ελβετία, το δεύτερο με χρήση βαρέων ιόντων πολύ υψηλής ενέργειας στο GSI (Helmholtz Centre for Heavy Ion Research) στη Γερμανία και το τρίτο πείραμα με χρήση προτωνίων υψηλής ενέργειας στο Paul Scherrer Institute (PSI) – Proton Irradiation Facility (PIF) στην Ελβετία. Εξετάστηκαν διαφορετικά είδη μνήμης, τόσο σε επίπεδο σχεδίασης, όπως οι καταχωρητές (flip-flops – FFs), οι καταχωρητές ολίσθησης (shift registers look-up tables – SRLs) και τα μπλοκ μνήμης (block RAM – BRAM) όσο και σε επίπεδο διαμόρφωσης όπως η μνήμη διαμόρφωσης (configuration memory – CRAM), δηλαδή η μνήμη μέσα στην οποία αποθηκεύεται η πληροφορία που καθορίζει πώς θα συνδεθούν τα ανωτέρω λογικά στοιχεία ώστε να υλοποιούν το επιθυμητό ψηφιακό κύκλωμα. Υπολογίστηκε η πιθανότητα εμφάνισης διαταραχών που προκαλούνται από ένα συμβάν (SEU cross sections) για κάθε τύπο μνήμης, ενώ εντοπίστηκαν νέα φαινόμενα SEE που δεν είχαν μελετηθεί επαρκώς στη βιβλιογραφία, όπως σφάλματα επαναφοράς (single-event resets) ή διακοπές λειτουργίας (functional interrupts), μερικά εκ των οποίων δεν μπορούν να διορθωθούν από παραδοσιακές τεχνικές ανοχής σε σφάλματα, όπως η τριπλή πλεοναστική πλειοψηφία (triple modular redundancy – TMR). Η σε βάθος ανάλυση των πολλαπλών διαταραχών που προκαλούνται σε όλους τους τύπους μνήμης (multi-bit upsets – MBUs και multi-cell upsets – MCUs) αναδεικνύει τους περιορισμούς της ενσωματωμένης διόρθωσης σφαλμάτων στο Zynq-7000 και καθοδηγεί τον σχεδιασμό πιο αξιόπιστων σχημάτων διόρθωσης σφαλμάτων. Η μελέτη επεκτάθηκε στο σύστημα επεξεργασίας (processing system – PS) του Zynq-7000 μέσω δοκιμών ακτινοβολίας με τη χρήση πρωτονίων στο PSI-PFI και βαρέων ιόντων στο GSI. Η ευαισθησία σε SEE των SRAM μνημών, όπως είναι η on-chip memory (OCM) και οι κρυφές μνήμες (L1/L2 caches), αξιολογήθηκε υπό στατικά (η μνήμη είναι στατική κατά τη διάρκεια της ακτινοβολίας) και δυναμικά φορτία (πρόσβαση στη μνήμη κατά τη διάρκεια της ακτινοβολίας), και οι επιπτώσεις σε επίπεδο εφαρμογής ποσοτικοποιήθηκαν μέσω εκτέλεσης δοκιμαστικών προγραμμάτων για διαφορετικές παραμετροποιήσεις των κρυφών μνημών. Τα ευρήματα αυτά επέτρεψαν την ακριβή μοντελοποίηση της πραγματικής επίδρασης των σφαλμάτων σε επίπεδο συστήματος. Η πρόταση μιας νέας προσέγγισης για την αποσφαλμάτωση της μνήμης διαμόρφωσης (memory scrubbing) αποτελεί βασικό μέρος της διατριβής. Η προτεινόμενη μικτή δισδιάστατη τεχνική κωδικοποίησης (mixed 2-D coding scheme) συνδυάζει τον εσωτερικό κώδικα διόρθωσης σφαλμάτων (ECC) ενός APSoC με έναν διεμπλεκόμενο κώδικα ισοτιμίας (interleaved parity code), ώστε να ανιχνεύει και να διορθώνει τόσο μεμονωμένες ανατροπές bit (single bit upsets – SBUs) όσο και πολλαπλές ανατροπές bit (multiple bit upsets – MBUs), με μικρή χρονική καθυστέρηση και περιορισμένο υπολογιστική επιβάρυνση. Η μέθοδος υλοποιήθηκε με δύο τρόπους, είτε με τη χρήση ενός εξωτερικού μικροελεγκτή (external microcontroller-based scrubber) είτε ως ενσωματωμένο κύκλωμα στην συσκευή υπό δοκιμή (on-chip hardware scrubber), συγκρίθηκε με τις πλέον προηγμένες μεθόδους και δοκιμάστηκε σε συνθήκες ακτινοβολίας. Τέλος, παρουσιάστηκε εκτίμηση του ρυθμού σφαλμάτων για τυπικές διαστημικές τροχιές χρησιμοποιώντας εξειδικευμένο λογισμικό που μοντελοποιεί το διαστημικό περιβάλλον και τις επιδράσεις του στα ηλεκτρονικά κυκλώματα, όπως είναι το OMERE, αποδεικνύοντας την καταλληλότητα του Zynq-7000 APSoC για αποστολές σε περιβάλλοντα με έντονη ακτινοβολία. Η εργασία αυτή συμβάλλει στη θεμελίωση νέων στρατηγικών για την αξιοπιστία των APSoCs και εμπλουτίζει την επιστημονική γνώση σχετικά με τα SEE φαινόμενα και τις μεθόδους μετριασμού τους σε ετερογενείς αρχιτεκτονικές SoC.