Aspectos de Confiabilidade na

1. Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul PPGCC - Faculdade de Informática Aspectos de Confiabilidade na Implementação da Unidade de Telecomando e Telemetria para Plataformas Orbitais Luciano Rigelo Azevedo luciano.azevedo@pucrs.br Orientador: Prof. Eduardo Augusto Bezerra Seminário de Andamento - SA Porto Alegre, 21 de Agosto de 2009

2. Sumário • Introdução e Estado da Arte • O Projeto UTMC • Trabalho Proposto e Resultados Obtidos • Andamento das Atividades • Considerações Finais

3. Introdução • A importância dos Veículos Espaciais • Sistemas distintos: Plataforma Orbital e Carga Útil • Tecnologias para aplicações espaciais, FPGA SRAM, Antifuse e ASIC • Função da UTMC na Plataforma Orbital • Padrão CCSDS/ESA na UTMC • Tipos de TC e TM • Aplicação de ordem crítica na missão • Confiabilidade na Plataforma Orbital

4. Introdução • Proteção contra SEUs é imperativo na UTMC • Avanço tecnológico deixou sistemas altamente suscetíveis a radiação oriundas do espaço • Ambiente extremamente hostíl: variações na temperatura, variações na tensão de alimentação e EMI • Tolerância a falhas também é um fator importante para equipamentos a nível terrestre

5. Motivação • Grande demanda pelos serviços fornecidos nas plataformas orbitais: • Exploração espacial • Comunicação • Aplicações Científicas • Militar • Meteorologia • Aplicações espaciais são exóticas e apresentam muitos desafios a respeito de sua confiabilidade • Utilizar FPGA no módulo UTMC é uma solução atrativa • Agregar confiabilidade em todo o módulo UTMC é essencial para o sucesso da missão

6. Objetivos • Aplicar técnicas de confiabilidade no módulo da UTMC • Analisar aspectos de confiabilidade existentes no projeto atual da UTMC • Determinar qual é a técnica de tolerância a falhas a ser empregada nos dispositivos FPGA antifuse • Fazer uma análise numérica do índice de confiabilidade atual e comparar o novo índice obtido • Avaliar os ganhos obtidos com a aplicação das técnicas • Validar o trabalho com o módulo real da UTMC

7. Tolerância a Falhas e Confiabilidade • Tecnologia tolerante a radiação • Objetivo das técnicas: eliminar ponto único de falha • Inserir redundância é base de tudo • Hardware – TMR, módulos redundantes, EDAC RAM • Software – Programação diversitária • Informação – BCH, RS, Convolucional, Paridade • Tempo – Repetição da operação, re-envio de mensagem • Mascarar falhas transientes e permanentes • Custo da técnica deve ser observado

8. Trabalhos Relacionados • Projeto PUC#SAT – G. Almeida • Improving FPGA Design Robustness with Partial TMR – B. Pratt, M. Caffrey • Fault Tolerance Implementation within SRAM Base FPGA – D. Fay, A. Shye • Evaluating TMR Techniques in the Presence of Single Event Upsets – N. Rollins, M. Wirthlin, M. Caffrey

9. Trabalhos Relacionados • Designing Fault-Tolerant Techniques for SRAM-Based FPGAs – F. Kastensmidt, G. Neuberger, L. Carro,R. Rei • Fault-Tolerance in FPGAs through CRC Voting – H. Castro, A. Coelho, R. Silveira • Which Concurrent Error Detection Scheme to choose – S. Mitra, E. McCluskey • Antifuse FPGA Technology: Best Option for Satellite Applications – K. O’Neill • On Fault Modeling and Fault Tolerance of Antifuse Based FPGAs – K. Roy

10. Trabalhos Relacionados • An Adaptive Fault Tolerant Memory System for FPGA Based Architectures in Space Environment – K. O’Neill • Improving Reliability of SRAM Based FPGAs by Inserting Redundant Routing – F. Kastensmidt, C. Filho, L. Carro • Synchronous Resets? Asynchronous Resets?I am so confused!How will I ever know which to use? – Clifford E. Cummings • Understanding Metastability in FPGAs – J. Chen D. Fung R. Stephenson

11. Sumário • Introdução e Estado da Arte • O Projeto UTMC • Trabalho Proposto e Resultados Obtidos • Andamento das Atividades • Considerações Finais

12. Análise do Módulo da UTMC • Implementa o protocolo de comunicação de acordo com as recomendações CCSDS/ESA • A plataforma orbital possui dois módulos da UTMC

13. Análise do Módulo da UTMC • Implementação das camadas do padrão CCSDS/ESA

14. Técnicas de Confiabilidade Existentes na UTMC • Códigos corretores de erro • BCH • RS • Códigos detectores de erro • Convolucional • CRC • Redundância dos módulos da UTMC • Redundância dos canais de transmissão • Fonte de alimentação duplicada

15. Técnicas de Confiabilidade Existentes na UTMC Redundância na UTMC

16. Problemas na Implementação VHDL Metaestabilidade

17. Problemas na Implementação VHDL Solução: Circuito sincronizador

18. Problemas na Implementação VHDL Sincronismo de reset. Problema: Ruído pode acionar o reset

19. Problemas na Implementação VHDL Inferência automática de memória realizada pelo Synplify Depuração do código VHDL e depuração do código do LabView simultaneamente

20. Sumário • Introdução e Estado da Arte • O Projeto UTMC • Trabalho Proposto e Resultados Obtidos • Andamento das Atividades • Considerações Finais

21. Proposta de Trabalho • Aplicação da técnica de TMR • É limitada pelos recursos da FPGA • Possui ponto único de falha

22. Proposta de Trabalho • Aplicação da TMR reduzida • CED – Concurrent Error Detection

23. Proposta de Trabalho • Utilização de EDAC RAM da Actel, família RTAX-S/SL • Implementa a técnica de Scrubbing na memória da FPGA

24. Resultados Obtidos • Metaestabilidade resolvida • Margem de erro inicial de 40% • Solução eliminou a margem de erro • Sincronismo de reset • Margem de erro de 50% • Solução eliminou a margem de erro • Principais ainda não obtidos

25. Resultados Obtidos • Área ocupada da FPGA (Sem codificação) • Core Cells : 13264 of 38400 (35%) • Block Rams : 18 of 60 (30%) • Área ocupada da FPGA (RS+Convolucional) • Core Cells : 21612 of 38400 (56%) • Block Rams : 18 of 60 (30%)

26. Sumário • Introdução e Estado da Arte • O Projeto UTMC • Trabalho Proposto e Resultados Obtidos • Andamento das Atividades • Considerações Finais

27. Atividades

28. Atividades • Atividades Extras: • Concluir o fluxo de TC/TM • Comunicação serial sincrona rs422 • Solucionar problemas de instabilidade na FPGA • Solucionar problemas de reset • Validar o fluxo de TC/TM no hardware

29. Sumário • Introdução e Estado da Arte • O Projeto UTMC • Trabalho Proposto e Resultados Obtidos • Andamento das Atividades • Considerações Finais

30. Considerações Finais • Falhas são por natureza assíncronas • Encontrar uma solução 100% efetiva é impossível • Análise minuciosa dos pontos únicos de falha • Determinar custo em termos de área, consumo e complexidade • Verificar se a aplicação da técnica não apresenta novos pontos únicos de falhas • Análise numérica é fundamental

31. Considerações Finais • Procedimento de teste • Plano de teste • Documentação também é um item de confiabilidade dentro do projeto da UTMC

32. Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul PPGCC - Faculdade de Informática Aspectos de Confiabilidade na Implementação da Unidade de Telecomando e Telemetria para Plataformas Orbitais Luciano Rigelo Azevedo luciano.azevedo@pucrs.br Orientador: Prof. Eduardo Augusto Bezerra Seminário de Andamento - SA