Increasing embedded software radiation reliability through cache memories

Abstract

Cache memories are traditionally disabled in space-level and safety-critical applications since it is believed that the sensitive area they introduce would compromise the system reliability. As the technology has evolved, the speed gap between logic and main memory has increased in such a way that disabling caches slows the code much more than in the past. As a result, the processor is exposed for a much longer time in order to compute the same workload. In this work we demonstrate that, on modern embedded processors, enabling caches may bring benefits to critical systems: the larger exposed area may be compensated by the shorter exposure time, leading to an overall improved reliability. We propose an intuitive metric and a mathematical model to evaluate system reliability in spatial (i.e., radiation-sensitive area) and temporal (i.e., performance) terms, and prove that minimizing radiation-sensitive area does not necessarily maximize application reliability. The proposed metric and model are experimentally validated through an extensive radiation test campaign using a 28nm off-the-shelf ARM-based Systemon- Chip as a case study. The experimental results demonstrate that, while executing the considered application at military aircraft altitude, the probability of executing a two-year mission workload without failures is increased by 5.85% if L1 caches are enabled (thus, increasing the radiation-sensitive area), when compared to no cache level being enabled. However, if both L1 and L2 caches are enabled the probability is decreased by 31.59%.

Memórias cache são tradicionalmente desabilitadas em aplicações espaciais e críticas porque acredita-se que a área sensível por elas introduzida comprometeria a confiabilidade do sistema. Conforme a tecnologia tem evoluído, a diferença de velocidade entre lógica e memória principal tem aumentado de tal maneira que desabilitando as caches a execução do código é retardada muito mais do que no passado. Como resultado, o processador fica exposto por um tempo muito maior para computar a mesma cargade trabalho. Neste trabalho nós demonstraremos que, em processadores embarcados modernos, habilitar as caches pode trazer benefícios para sistemas críticos: a área exposta maior pode ser compensada pelo tempo de exposição mais curto, levando a uma melhora total na confiabilidade. Nós propomos uma métrica intuitiva e um modelo matemático para avaliar a confiabilidade de um sistema em termos espaciais (i.e., área sensível à radiação) e temporais (i.e., desempenho), e provamos que minimizar a área sensível à radiação não necessariamente maximiza a confiabilidade da aplicação. A métrica e o modelo propostos são experimentalmente validados através de uma campanha extensiva de testes de radiação utilizando um Sistema-em-Chip de prateleira fabricado em 28nm baseado em processadores ARM como estudo de caso. Os resultados experimentais demonstram que, durante a execução da aplicação estudada à altitude de aeronave militar, a probabilidade de executar a carga de trabalho de uma missão de dois anos sem falhas é aumentada em 5.85% se as caches L1 são habilitadas (deste modo, aumentado a área sensível à radiação), quando comparada com nenhum nível de cache habilitado. Entretanto, se ambos níveis L1 e L2 são habilitados a probabilidade é diminuída em 31.59%.