Thesis defence of Luc Noizette (AMfoRS team): Predictive fault tolerance analysis methodology for complex components with consideration of the application

Luc NOIZETTE - AMfoRS team

Direction of the thesis
Régis LEVEUGLE - Thesis director - Full professor - Grenoble INP/TIMA
Florent MILLER - Co-thesis supervisor - Deputy CEO - Nucletudes, Paris

Composition of the jury
Régis LEVEUGLE - Thesis director - Full professor - Grenoble INP/TIMA
Olivier SENTIEYS - Rapporteur - Full professor - Université de Rennes
Matteo SONZA REORDA - Rapporteur - Full professor - Politecnico di Torino
Lorena ANGHEL - Examinator - Full professor - Grenoble INP/SPINTEC
David ELLEOUET - Examinator - Doctor of Science - DGA
Arnaud VIRAZEL - Examinator - Full professor - Université de Montpellier
Florent MILLER - Guest - Deputy CEO - Nucletudes, Paris
Youri HELEN - Guest - Doctor of Science - DGA

Title: Predictive fault tolerance analysis methodology for complex components with consideration of the application
Keywords: Complex digital components, Robustness estimation, Software profiling, Fault injection, RISC-V / FPGA, Radiation
Abstract: A growing need for high-performance on-board computing is leading aerospace equipment manufacturers to integrate more and more complex commercial digital components into their equipments. Predictive estimation of the robustness of these systems in the harsh radiative environments in which they operate is therefore essential to ensure the levels of reliability required for the mission. These estimates must take into account the final application that will be used at a time when it is not yet available. This thesis proposes a method for estimating the reliability of digital components based on the use of profiling metrics obtained at a high level of abstraction to determine a derating factor. These metrics can be estimated early in the design flow and refined throughout development to ensure maximum accuracy. This approach was applied to a RISC-V processor implemented on a flash-based FPGA running several test applications. A fault injection campaign carried out using a specially designed tool validated the approach and calibrated the derating factors. The reliability estimates obtained using this methodology have been confirmed by actual experimental measurements obtained during particle beam tests. The method proposed in this work stands out for its ability to be easily and rapidly deployed throughout the development flow with high accuracy and low implementation cost.

Titre : Méthodologie d’analyse prédictive de la tolérance aux fautes de composants complexes avec prise en compte de l'application
Mots-clés : Composants numériques complexes, Estimation de robustesse, Profilage logiciel, Injection de fautes, RISC-V / FPGA, Radiations
Résumé : Un besoin grandissant en calcul embarqué haute performance amène les équipementiers du secteur aérospatial à intégrer toujours plus de composants numériques complexes commerciaux au sein de leurs équipements. Estimer de manière prédictive la robustesse de ces systèmes face aux environnements radiatifs sévères dans lesquels ils évoluent est donc primordial afin d’assurer le niveau de fiabilité requis pour la mission. Ces estimations doivent prendre en compte l’applicatif final qui sera utilisé, mais à un moment où ce dernier n’est pas encore disponible. Cette thèse propose une méthode d’estimation de la fiabilité des composants numériques basée sur l’utilisation de métriques de profilage obtenues à haut niveau d’abstraction pour déterminer des facteurs de décote. Ces métriques peuvent être estimées au début du flot de développement et raffinées tout au long de ce dernier afin d’assurer un maximum de précision. Cette approche a été appliquée à un processeur RISC-V synthétisé sur un FPGA de type flash exécutant plusieurs applicatifs de test. Une campagne d’injection de fautes effectuée à l’aide d’un outil spécialement conçu pour l’occasion a permis de valider l’approche et de calibrer les facteurs de décote. Les estimations de fiabilité obtenues à l’aide de cette méthodologie ont été confirmées au regard de véritables mesures expérimentales obtenues lors d’essais sous faisceau de particules. La méthode proposée dans ces travaux se distingue par sa capacité a être facilement et rapidement déployée tout au long du flot de développement avec une précision élevée et un faible coût de mise en œuvre.