High-level methodologies to implement energy efficient fault tolerant registers

Resumen

Debido a la continua miniaturización de los componentes electrónicos, su susceptibilidad frente a soft errors inducidos por radiación ha ido aumentando durante los últimos años. Este obstáculo es de vital importancia para el uso de estos elementos en aplicaciones espaciales, ya que se encuentran expuestos a numerosas fuentes de partículas radiactivas. Para compensar esta carencia, a lo largo de los años se han desarrollado numerosas técnicas de tolerancia a fallos. Estas soluciones se clasifican habitualmente en técnicas de prevención de fallos, que emplean componentes resistentes a radiación para prevenir la ocurrencia de errores, y técnicas de mitigación de fallos, que hacen uso de funciones lógicas para detectar o corregir los errores una vez que se han producido. La efectividad de las primeras se está viendo reducida con los avances tecnológicos, mientras que las últimas tienen un efecto considerable en el retardo, el área y el consumo energético del sistema. El consumo energético es otro de los grandes desafíos de la electrónica en la actualidad. Debido al auge de los dispositivos alimentados por baterías, la reducción del consumo medio de los circuitos ha adquirido una importancia capital. Esta situación es especialmente relevante para sistemas espaciales, donde la disponibilidad de fuentes de energía es escasa. Dado el reciente interés en el uso de nanosatélites, la importancia de diseñar circuitos capaces de operar a bajo consumo ha aumentado aún más, ya que un factor limitante para estos vehículos es precisamente el consumo. Desgraciadamente, los circuitos que se encuentran en estos satélites también deben contar con medios de protección contra radiación para garantizar el éxito de la misión. En esta tesis se evaluará la condición de equilibrio establecida entre área y consumo en registros tolerantes a fallos. A través de un estudio preliminar de varias técnicas de mitigación de soft errors cuyas características son representativas del conjunto, el conocimiento necesario para determinar la efectividad de cada técnica será adquirido. Este conocimiento será luego empleado para proponer dos metodologías novedosas destinadas a reducir el consumo energético en registros tolerantes a fallos. La primera de estas se centra en alcanzar una solución de compromiso entre el retardo, el área y el consumo energético que permita al diseñador adaptar la protección del sistema a los requerimientos de diseño. Esta metodología emplea únicamente el número de biestables a proteger y la actividad de cada uno de estos para proponer una solución alternativa. La segunda metodología expone la importancia del orden de las entradas de un código de corrección de errores en su consumo energético medio. Basándose en la descripción a nivel de registros y de puertas del sistema, se proponen una serie de pasos a ejecutar para reducir la actividad global del diseño. Aplicando estos pasos, las entradas al codificador se reordenan de forma rápida para reducir el consumo medio del diseño, lo que hace esta metodología adecuada para su uso en registros en sistemas complejos. A través de la comprensión previamente adquirida del consumo en registros tolerantes a fallos, se ha desarrollado un estimador de área y consumo para estos sistemas. Este estimador utiliza como entradas la longitud del registro y la actividad media de sus entradas, y proporciona como salidas una estimación del área y el consumo de este registro protegido empleando varias técnicas de tolerancia a fallos. La evaluación de los resultados muestra que los valores predichos por el estimador cometen un error relativo de menos del 5% respecto a los valores determinados a través de la síntesis y simulación del circuito, mientras que el tiempo necesario para obtener estos se ve enormemente reducido.