| dc.contributor.advisor | Ψαράκης, Μιχάλης | |
| dc.contributor.author | Βλαγκούλης, Βασίλης | |
| dc.date.accessioned | 2026-07-21T11:17:47Z | |
| dc.date.available | 2026-07-21T11:17:47Z | |
| dc.date.issued | 2026-07 | |
| dc.identifier.uri | https://dione.lib.unipi.gr/xmlui/handle/unipi/19605 | |
| dc.description.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. | el |
| dc.format.extent | 235 | el |
| dc.language.iso | en | el |
| dc.publisher | Πανεπιστήμιο Πειραιώς | el |
| dc.title | Commercial off-the-shelf programmable System-on-Chip devices for space applications | el |
| dc.title.alternative | Εμπορικά διαθέσιμες συσκευές προγραμματιζόμενου συστήματος-σε-chip για διαστημικές εφαρμογές | el |
| dc.type | Doctoral Thesis | el |
| dc.contributor.department | Σχολή Τεχνολογιών Πληροφορικής και Επικοινωνιών. Τμήμα Πληροφορικής | el |
| dc.description.abstractEN | The recent advances of the semiconductor industry have enabled the integration of complex components and system architectures into a single silicon die. Nowadays, state-of-the-art programmable circuit devices, such as field programmable gate arrays (FPGAs), include not only programmable logic fabric but also hardwired components, such as hard-core general-purpose processors, dedicated processing blocks, interfaces to various peripherals, on-chip bus structures, and analog blocks. These new heterogeneous devices are commonly referred to as all programmable system-on-chip (APSoC) devices.
One of the major concerns about radiation effects on APSoCs is that radiation-induced errors may have different probabilities and criticalities in their heterogeneous hardware parts at both device and design levels. For this reason, this work performs a deep investigation of the radiation effects on APSoCs and the correlation between hardware and software resource sensitivity in the overall system performance. Several static and dynamic experiments were conducted on various hardware components of an APSoC.
This thesis presents a comprehensive study on the single event effect (SEE) susceptibility of all major components in a commercial off-the-shelf (COTS) AMD Zynq-7000 APSoC. The work encompasses detailed radiation experiments, in-depth analysis of observed SEE phenomena, the SEE upset rate estimation for three different orbits, and the development of an efficient mitigation strategy to meet the high-reliability demands of space environments.
Initial efforts targeted the characterization of the programmable logic (PL) of the Zynq-7000 under ultra-high-energy and very-high-energy heavy ions at CERN Super Proton Synchrotron North Area (SPS-NA) in Geneva, Switzerland and GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt, Germany respectively, and high-energy protons at Paul Scherrer Institute (PSI) – Proton Irradiation Facility (PIF) in Villigen, Switzerland. Memory elements within both the design and configuration layers were evaluated, with calculated cross sections for each memory type. Novel or under-investigated SEE behaviors, such as single-event resets and functional interrupts, were revealed, which can evade traditional redundancy-based protection methods like triple modular redundancy (TMR). Multi-bit upset (MBU) and multi-cell upset (MCU) patterns were characterized across memory types, highlighting limitations in built-in error correction and informing the design of more robust scrubbing and interleaving schemes.
The study was extended to the processing system (PS) of the Zynq-7000 using proton at PSI-PFI and heavy-ion irradiation at GSI. SEE sensitivity of SRAM-based arrays (e.g., OCM, L1/L2 caches) was assessed under static and dynamic workloads, and application-level effects were quantified by executing processor benchmarks under varied cache configurations. These findings enabled accurate modeling of real-world error impact at the system level.
A key outcome is the introduction of a robust configuration memory scrubbing technique. The proposed mixed 2-D coding scheme integrates internal error correction code (ECC) with an interleaved parity code to detect and correct both single bit upsets (SBUs) and multiple bit upsets (MBUs) with minimal latency and overhead. Two implementations, an external microcontroller-based scrubber and an on-chip hardware scrubber, were validated under irradiation and compared favorably to state-of-the-art methods.
Finally, upset rate predictions were performed for typical space orbits using a dedicated software tool for space environment and radiation effects on electronic devices such as OMERE, demonstrating the applicability of the Zynq-7000 APSoC in radiation-prone missions. This work lays the groundwork for future APSoC reliability strategies and advances the state of knowledge in SEE effects and mitigation across heterogeneous SoC architectures. | el |
| dc.subject.keyword | Programmable System-on-Chip (SoC) | el |
| dc.subject.keyword | Field Programmable Gate Array (FPGA) | el |
| dc.subject.keyword | Space applications | el |
| dc.subject.keyword | Single Event Effect (SEE) | el |
| dc.subject.keyword | Radiation effects | el |
| dc.subject.keyword | Reliability | el |
| dc.subject.keyword | Memory scrubbing | el |
| dc.subject.keyword | Heavy-Ion irradiation | el |
| dc.subject.keyword | Fault tolerance | el |
| dc.subject.keyword | Proton irradiation | el |
| dc.subject.keyword | Fault mitigation | el |
| dc.subject.keyword | Space electronics | el |
| dc.date.defense | 2026-07-13 | |
