Progetto e sviluppo di una piattaforma software per l'analisi e l'irrobustimento automatico di circuiti elettronici per applicazioni spaziali

I dispositivi digitali stanno diventando sempre più complessi e le loro dimensioni si riducono continuamente. Ciò fa sì che dispositivi sia di tipo Application Specific Integrated Circuit (ASIC), cioè progettati per svolgere una specifica funzione, sia di tipo Field Programmable Gate Array (FPGA), cioè riprogrammabili per implementare funzionalità diverse, siano sempre più sensibili agli effetti indotti dalle radiazioni ionizzanti. Tale problema è maggiormente evidente nello spazio e a elevate altitudini, dove le radiazioni hanno alte energie, perché non hanno ancora attraversato l’atmosfera terrestre. A causa dello scalamento della tecnologia, tuttavia, problemi analoghi cominciano a diventare rilevanti anche in applicazioni che operano a livello del suolo. Specialmente per le applicazioni critiche dal punto di vista della sicurezza di esseri umani (safety-critical) e/o che implicano l’investimento di ingenti somme di denaro (mission-critical), il problema deve essere attentamente affrontato, studiando per prima cosa quali effetti possono essere indotti dalle radiazioni.
L’influenza delle radiazioni sui dispositivi elettronici può essere classificata in due categorie a seconda che si consideri l’effetto dell’accumulo della carica depositata da più particelle (Total Ionizing Dose - TID) o gli effetti provocati da una singola particella (Single Event Effect - SEE). I SEE possono essere ancora classificati in due tipologie di errori: i soft errors (guasti non distruttivi) e gli hard errors (guasti distruttivi). I soft errors che attualmente hanno un impatto di maggior rilievo sono i Single Event Upset (SEU), che corrispondono alla modifica del contenuto degli elementi di memoria di un circuito, e i Single Event Transient (SET) che, generati nella logica combinatoria, provocano impulsi di tensione spuri, che si possono propagare all’interno del circuito ed essere campionati dai flip-flop a valle, introducendo così uno o più errori. Per contrastare tali effetti è necessario applicare delle tecniche di irrobustimento ai dispositivi elettronici, al fine di renderli tolleranti ai guasti. Esse possono essere applicate al dispositivo o all’applicazione su di esso implementata. Le prime prevedono di utilizzare materiali o architetture fisiche insensibili alle radiazioni, ma devono essere realizzate dal produttore e implicano dispositivi più costosi e con prestazioni ridotte. Le seconde prevedono l’utilizzo di dispositivi sviluppati per uso commerciale (Commercial-Off-The-Shelf - COTS) modificando l’applicazione implementata con l’uso di tecniche di mitigazione dei guasti; in questo caso è quindi l’utente/progettista che deve applicare tali modifiche sulla propria applicazione. In entrambi gli approcci viene sfruttata l’introduzione di ridondanza: spaziale, cioè vengono replicati elementi fisici o logici per incrementare l’affidabilità; temporale, cioè viene ripetuta più volte la stessa operazione e poi vengono confrontati i risultati; d’informazione, cioè si aggiungono informazioni ridondanti, per poter rilevare ed eventualmente correggere gli errori. Alcune tra le tecniche di irrobustimento più note sono la Triple Modular Redundancy (TMR) e il guard-gate. Il TMR è un particolare tipo di ridondanza in cui tre repliche dello stesso elemento eseguono un’operazione e il risultato viene votato a maggioranza, quindi esso garantisce il mascheramento di guasti singoli. La seconda tecnica, invece, è basata sull’inserimento di una struttura logica (guard-gate) che effettua il confronto di un segnale con una sua copia ritardata ed è in grado di filtrare gli errori transitori in maniera proporzionale al ritardo introdotto. Le maggiori problematiche legate alle tecniche di irrobustimento dell’applicazione sono dovute al fatto che il progettista, dovendo anche sviluppare la mitigazione del circuito, non può concentrarsi principalmente sulla sua funzionalità. Inoltre, spesso le modifiche richieste per irrobustire un’applicazione devono essere implementate a mano per la mancanza di strumenti automatici.
In questa tesi viene proposta una piattaforma software (framework) per analizzare e modificare circuiti elettronici, e uno strumento automatico, basato su tale piattaforma, in grado di applicare le tecniche di irrobustimento suddette. Il framework permette di analizzare e modificare circuiti descritti come insieme di componenti elementari interconnessi tra loro (netlist) nel formato Electronic Design Interchange Format (EDIF), che è un formato standard per la descrizione e l’interscambio di netlist e schemi elettrici.