Exploring the use of multiple modular redundancies for masking accumulated faults in SRAM-based FPGAs

Abstract

Soft errors in the configuration memory bits of SRAM-based FPGAs are an important issue due to the persistence effect and its possibility of generating functional failures in the implemented circuit. Whenever a configuration memory bit cell is flipped, the soft error will be corrected only by reloading the correct configuration memory bitstream. If the correct bitstream is not loaded, persistent soft errors can accumulate in the configuration memory bits provoking a system functional failure in the user’s design, and consequently can cause a catastrophic situation. This scenario gets worse in the event of multi-bit upset, whose probability of occurrence is increasing in new nano-metric technologies. Traditional strategies to deal with soft errors in configuration memory are based on the use of any type of triple modular redundancy (TMR) and the scrubbing of the memory to repair and avoid the accumulation of faults. The high reliability of this technique has been demonstrated in many studies, however TMR is aimed at masking single faults. The technology trend makes lower the dimensions of the transistors, and this leads to increased susceptibility to faults. In this new scenario, it is commoner to have multiple to single faults in the configuration memory of the FPGA, so that the use of TMR is inappropriate in high reliability applications. Furthermore, since the fault rate is increasing, scrubbing rate also needs to be incremented, leading to the increase in power consumption. Aiming at coping with massive upsets between sparse scrubbing, this work proposes the use of a multiple redundancy system composed of n identical modules, known as nmodular redundancy (nMR), operating in tandem and an innovative self-adaptive voter to be able to mask multiple upsets in the system. The main drawback of using modular redundancy is its high cost in terms of area and power consumption. However, area overhead is less and less problem due the higher density in new technologies. On the other hand, the high power consumption has always been a handicap of FPGAs. In this work we also propose a model to prevent power overhead caused by the use of multiple redundancy in SRAM-based FPGAs. The capacity of the proposal to tolerate multiple faults has been evaluated by radiation experiments and fault injection campaigns of study case circuits implemented in a 65nm technology commercial FPGA. Finally we demonstrate that the power overhead generated by the use of nMR in FPGAs is much lower than it is discussed in the literature.

Os erros transientes nos bits de memória de configuração dos FPGAs baseados em SRAM são um tema importante devido ao efeito de persistência e a possibilidade de gerar falhas de funcionamento no circuito implementado. Sempre que um bit de memória de configuração é invertido, o erro transiente será corrigido apenas recarregando o bitstream correto da memória de configuração. Se o bitstream correto não for recarregando, erros transientes persistentes podem se acumular nos bits de memória de configuração provocando uma falha funcional do sistema, o que consequentemente, pode causar uma situação catastrófica. Este cenário se agrava no caso de falhas múltiplas, cuja probabilidade de ocorrência é cada vez maior em novas tecnologias nano-métricas. As estratégias tradicionais para lidar com erros transientes na memória de configuração são baseadas no uso de redundância modular tripla (TMR), e na limpeza da memória (scrubbing) para reparar e evitar a acumulação de erros. A alta eficiência desta técnica para mascarar perturbações tem sido demonstrada em vários estudos, no entanto o TMR visa apenas mascarar falhas individuais. Porém, a tendência tecnológica conduz à redução das dimensões dos transistores o que causa o aumento da susceptibilidade a falhos. Neste novo cenário, as falhas multiplas são mais comuns que as falhas individuais e consequentemente o uso de TMR pode ser inapropriado para ser usado em aplicações de alta confiabilidade. Além disso, sendo que a taxa de falhas está aumentando, é necessário usar altas taxas de reconfiguração o que implica em um elevado custo no consumo de potência. Com o objetivo de lidar com falhas massivas acontecidas na mem[oria de configuração, este trabalho propõe a utilização de um sistema de redundância múltipla composto de n módulos idênticos que operam em conjunto, conhecido como (nMR), e um inovador votador auto-adaptativo que permite mascarar múltiplas falhas no sistema. A principal desvantagem do uso de redundância modular é o seu elevado custo em termos de área e o consumo de energia. No entanto, o problema da sobrecarga em área é cada vez menor devido à maior densidade de componentes em novas tecnologias. Por outro lado, o alto consumo de energia sempre foi um problema nos dispositivos FPGA. Neste trabalho também propõe-se um modelo para prever a sobrecarga de potência causada pelo uso de redundância múltipla em FPGAs baseados em SRAM. A capacidade de tolerar múltiplas falhas pela técnica proposta tem sido avaliada através de experimentos de radiação e campanhas de injeção de falhas de circuitos para um estudo de caso implementado em um FPGA comercial de tecnologia de 65nm. Finalmente, é demostrado que o uso de nMR em FPGAs é uma atrativa e possível solução em termos de potencia, área e confiabilidade medida em unidades de FIT e Mean Time between Failures (MTBF).