A low-cost fault tolerant technique for microcontroller-class RISC-V processors

La pervasività dei sistemi ciberfisici risponde all’esigenza di elevate prestazioni, efficienza e automazione in un numero crescente di settori. L’affidabilità di questi sistemi è un requisito fondamentale in diverse applicazioni, dove oltretutto è necessario garantire in ambienti tipicamente difficili livelli adeguati di sicurezza durante l’esecuzione in tempo reale di funzioni di rilevamento, elaborazione e comunicazione. I guasti indotti da fenomeni radiativi rappresentano un problema ben documentato e sempre più rilevante per i dispositivi elettronici, anche a livello terrestre, a causa dello scaling della tecnologia. Le tecniche tradizionali di mitigazione dei guasti sfruttano ampiamente la ridondanza spaziale, tollerando un consumo maggiore di area ed energia per aumentare la resilienza del sistema. Tuttavia, con la crescente domanda di applicazioni sempre più elaborate in diversi domini ciberfisici, vi è l’esigenza di integrare componenti progettati per il mercato consumer per sfruttarne le prestazioni ottimizzate, aprendo il problema della loro affidabilità. Questo lavoro di tesi è focalizzato sullo sviluppo e sulla valutazione di una tecnica di mitigazione dei guasti facente uso della ridondanza temporale in combinazione con quella spaziale con l’obiettivo di ridurre il consumo di area richiesto. In particolare, è stata sfruttata la duplicazione nel tempo delle istruzioni e la ridondanza modulare per il rilevamento di errori. La tecnica proposta è stata implementata sul microprocessore RISC-V a 32 bit Ibex, la cui descrizione RTL è distribuita open source dal progetto PULP. Le stime di area mostrano un incremento incluso tra il 30% e il 40% in base a vincoli temporali più o meno stringenti, tollerando tuttavia una riduzione delle prestazioni dovuta al raddoppio del numero di cicli per ogni istruzione eseguita e conseguentemente dell’efficienza energetica.